雷達(dá)液位計(jì)在球罐液位計(jì)量中的應(yīng)用

于達(dá)洋，曲國瑞(.浙江石油化工有限公司,浙江 舟山 36000; .吉林鼎坤工程設(shè)計(jì)有限公司, 吉林 吉林 3000)

0 引言

隨著石油化工行業(yè)的發(fā)展，雷達(dá)液位計(jì)在可靠性、安全性及精度方面得到了石化企業(yè)的認(rèn)可。為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)液位計(jì)更好地應(yīng)用于球罐的液位測(cè)量，本文圍繞球罐雷達(dá)液位計(jì)展開了具體研究。

1 雷達(dá)液位計(jì)的工作原理

雷達(dá)液位計(jì)能夠通過自身天線發(fā)射出雷達(dá)波信號(hào)，以光速運(yùn)行在空間內(nèi)，碰到物料表面時(shí)反射回雷達(dá)天線，通過微處理器將距離信號(hào)轉(zhuǎn)化為液位信號(hào)來實(shí)現(xiàn)液位測(cè)量。從雷達(dá)液位計(jì)按照測(cè)量方式來看，目前有兩種較為常見：

(1)脈沖式。天線周期的發(fā)射雷達(dá)波脈沖；

(2)調(diào)頻連續(xù)波式。天線發(fā)射出圍繞某固定頻率連續(xù)變化的雷達(dá)波信號(hào)。雷達(dá)波信號(hào)下探至介質(zhì)的液面并反射回雷達(dá)天線時(shí)，該雷達(dá)波信號(hào)會(huì)與這個(gè)時(shí)刻天線發(fā)出的信號(hào)混在一起。當(dāng)反射回來的雷達(dá)波信號(hào)發(fā)送至液體表面并沿導(dǎo)波管返回時(shí)，發(fā)射的信號(hào)已經(jīng)出現(xiàn)微小的變化。當(dāng)發(fā)射出的雷達(dá)波信號(hào)與返回的雷達(dá)波信號(hào)混合時(shí)，變?yōu)橐环N新的低頻信號(hào)，并與介質(zhì)頁面高度成一定的比例。

從測(cè)量原理的不同可以看出，脈沖式精度隨著測(cè)量距離的增加精度逐漸降低。而調(diào)頻連續(xù)波式有著更高的測(cè)量精確度，同時(shí)易于去除干擾回波，多應(yīng)用于計(jì)量要求較高的大型儲(chǔ)罐。

2 雷達(dá)液位計(jì)的天線型式

雷達(dá)液位計(jì)根據(jù)天線型式的劃分，有以下類型：椎型天線、拋物面天線、喇叭型天線、長喇叭型天線，如圖1所示。

圖1 雷達(dá)液位計(jì)

椎型天線采用多點(diǎn)發(fā)射雷達(dá)波的工作方式，所以它能夠發(fā)出一種叫做平面螺旋波的雷達(dá)波型，該型式天線的特點(diǎn)是波束窄，能量集中。在含有導(dǎo)波管的內(nèi)浮頂或外浮頂儲(chǔ)罐中的應(yīng)用較多。天線上冷凝的液滴將由于重力作用流到椎體中心滴落，可有效減少對(duì)雷達(dá)波的干擾。

拋物面天線的雷達(dá)波，采用單點(diǎn)發(fā)射的工作方式，經(jīng)過拋物面的反射，形成發(fā)散的雷達(dá)波，該型式天線同樣具備波束窄，能量集中的特點(diǎn)。通常用于儲(chǔ)存粘稠和嚴(yán)重凝結(jié)物料的拱頂罐液位測(cè)量，也可用于介電常數(shù)較低的物料的液位測(cè)量，測(cè)量距離遠(yuǎn)。為了防止冷凝掛料，拋物面天線采用了水滴型設(shè)計(jì)方式。

喇叭型天線同樣采用單點(diǎn)發(fā)射雷達(dá)波的工作方式，經(jīng)過喇叭面的反射，形成發(fā)散的雷達(dá)波，通常用于測(cè)量不需要導(dǎo)管的拱頂罐的水平測(cè)量，測(cè)量距離比拋物面天線小。由于整個(gè)喇叭天線伸入罐里，與罐內(nèi)溫度無較大差異，所以在天線上基本不會(huì)有冷凝的現(xiàn)象出現(xiàn)。

長喇叭型天線也是采用單點(diǎn)發(fā)射雷達(dá)波的工作方式，經(jīng)過喇叭面的反射，形成發(fā)散的雷達(dá)波，專門用于球罐液位測(cè)量，同時(shí)必須增加配套導(dǎo)波管才能使用。為了方便雷達(dá)液位計(jì)的在線維護(hù)，增設(shè)了一體化球閥安裝在喇叭口的頂部[1]。

3 球罐雷達(dá)液位計(jì)的安裝

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)球罐液位的高精度、無故障測(cè)量，雷達(dá)液位計(jì)在球罐上的正確安裝極為關(guān)鍵。以ROSEMOUNT 5900S長喇叭型球罐專用天線為例。

3.1 導(dǎo)波管的安裝

導(dǎo)波管宜選用不銹鋼材質(zhì)，規(guī)格與雷達(dá)喇叭口尺寸要符合，一般有三種規(guī)格的導(dǎo)波管：ID=100 mm；10.16 cm. SCH10；10.16 cm. SCH40。導(dǎo)波管垂直度必須在±0.5°范圍內(nèi)，法蘭水平度必須在±1°范圍內(nèi)。導(dǎo)波管應(yīng)開一定數(shù)量的平衡孔，孔徑應(yīng)當(dāng)為20 mm。導(dǎo)波管上的所有開孔必須沿著管道單側(cè)直線分布。導(dǎo)波管內(nèi)壁應(yīng)保證光滑，不應(yīng)有殘留的焊渣和未處理的毛刺。

3.2 參考針的安裝

參考針可在帶在線進(jìn)行雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量精度校驗(yàn)。它安裝在導(dǎo)波管一個(gè)與其他平衡孔成 90°的開孔上。參考針應(yīng)當(dāng)位于法蘭下1 000 mm至 2 500 mm的位置，法蘭以下1 200 mm處最佳。在參考針與液體最高液位之間應(yīng)至少有200 mm的距離。參考針必須與導(dǎo)波管法蘭上的螺栓孔對(duì)準(zhǔn)，雷達(dá)液位計(jì)正確校準(zhǔn)。球罐雷達(dá)液位計(jì)導(dǎo)波管、參考針安裝圖如圖2所示。

圖2 球罐雷達(dá)液位計(jì)導(dǎo)波管、參考針安裝圖

3.3 反射板的安裝

反射板可采用焊接、栓接、鉚接在導(dǎo)波管的下端。如配有參考環(huán)，則集成為一體安裝，參考環(huán)用于當(dāng)儲(chǔ)罐為空時(shí)在安裝階段對(duì)液位計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。

4 雷達(dá)液位計(jì)的通訊系統(tǒng)

雷達(dá)液位計(jì)能夠提供支持HART協(xié)議的4～20 mA的模擬量信號(hào)，也可以現(xiàn)場(chǎng)總線的方式傳輸。雷達(dá)液位計(jì)的通訊單元作為一個(gè)網(wǎng)關(guān)，基于OPC服務(wù)器模式，可將雷達(dá)液位計(jì)數(shù)據(jù)從通訊單元通訊到OPC服務(wù)器，再由客戶端進(jìn)行信號(hào)傳輸[2]。

由于雷達(dá)液位計(jì)能夠支持現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸協(xié)議，所有雷達(dá)液位計(jì)的信息都可實(shí)現(xiàn)傳輸，所以可為大型罐區(qū)建立一套完整的液位系統(tǒng)。每臺(tái)雷達(dá)液位計(jì)采用總線傳輸?shù)姆绞脚c安裝在機(jī)柜間內(nèi)的通訊單元將數(shù)據(jù)上傳，再從通訊單元以RS-485總線的形式傳至操作系統(tǒng)進(jìn)行通訊，通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)液位、各點(diǎn)溫度、平均溫度、密度、壓力等信號(hào)的集中監(jiān)視。

5 工程應(yīng)用舉例

某石化公司一期成品油項(xiàng)目球罐組一、二中，每個(gè)罐組6臺(tái)球罐，共計(jì)12臺(tái)球罐。采用雷達(dá)液位計(jì)作為計(jì)量。參照設(shè)計(jì)院提供的雷達(dá)液位計(jì)技術(shù)規(guī)格書，最終選擇了長喇叭型球罐專用雷達(dá)液位計(jì)(ROSEMOUNT)。為了更精準(zhǔn)測(cè)量液位，選用了測(cè)量精度為±2 mm的雷達(dá)液位計(jì)；天線尺寸為Φ99 mm，L=750 mm；可同時(shí)輸出TRL/2總線信號(hào)和4～20 mA/HART模擬信號(hào)，防爆等級(jí)Ex ia IICT4(ATEX認(rèn)證)；配有罐旁儀表HUB2410，帶LCD顯示，防爆等級(jí)Ex de[ib] IIBT4(ATEX認(rèn)證)。共計(jì)12套雷達(dá)液位計(jì)通過總線形式從罐旁儀表傳輸至機(jī)柜間內(nèi)安裝的通訊單元HUB 2460中，并最終通訊至DCS系統(tǒng)上位機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)視。球罐組雷達(dá)液位計(jì)通訊系統(tǒng)組成如圖3所示[3]。

圖3 球罐組雷達(dá)液位計(jì)通訊系統(tǒng)組成

6 結(jié)語

雷達(dá)液位計(jì)在整個(gè)石化行業(yè)大型儲(chǔ)罐的應(yīng)用非常廣泛，特別是在球罐的計(jì)量應(yīng)用中已經(jīng)發(fā)揮了精度高、穩(wěn)定性可靠性高、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，隨著石化行業(yè)的發(fā)展，在球罐液位計(jì)量中，雷達(dá)液位計(jì)必將擁有重要的地位。