自動(dòng)化液位儀表選型及工程設(shè)計(jì)

＊張紅梅 李博雨 王疆維

（1.新疆油田公司采油二廠注輸聯(lián)合一站 新疆 834008 2.新疆油田公司采油二廠第五采油作業(yè)區(qū) 新疆 834008）

1.石油罐區(qū)的自動(dòng)化液位儀表概述

石油儲(chǔ)罐具有容量大、運(yùn)行周期長(zhǎng)、間歇期限長(zhǎng)、控制對(duì)象時(shí)間跨度大等特點(diǎn)。石油儲(chǔ)罐的管理與控制必須滿足充分的石油存儲(chǔ)、收油、發(fā)油等運(yùn)行任務(wù)，對(duì)油品庫(kù)存量進(jìn)行測(cè)算與統(tǒng)計(jì)。這就導(dǎo)致石油罐區(qū)的自動(dòng)化儀表選型與工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)裝置之間存在差異。

液位儀表是石油罐區(qū)內(nèi)最為重要的監(jiān)控儀表，全稱為液位連續(xù)測(cè)量?jī)x表，其基本特點(diǎn)包括測(cè)量范圍廣、精度高，常用于油品介質(zhì)結(jié)構(gòu)與安裝方式復(fù)雜的儲(chǔ)罐中。液位儀表是一種特殊儀表，與煉油裝置內(nèi)部常用的儀表，包括測(cè)量原理、測(cè)量方式都存在差異。由于其特殊性，符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)線較少。因此，對(duì)其進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)、選型至關(guān)重要，關(guān)乎到它的運(yùn)行質(zhì)量與安全。

圖1 液位儀表

儲(chǔ)罐的開(kāi)關(guān)閥門(mén)是實(shí)現(xiàn)罐區(qū)自動(dòng)化儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)運(yùn)的重要組成部分?，F(xiàn)階段，我國(guó)的石油行業(yè)針對(duì)石油化工罐區(qū)的儲(chǔ)運(yùn)自動(dòng)化進(jìn)行了深入的研究與應(yīng)用，將石油存儲(chǔ)完全納入自動(dòng)化、智能化的操作領(lǐng)域。因此，各罐區(qū)的開(kāi)關(guān)閥門(mén)也會(huì)依據(jù)內(nèi)部不一樣的安全規(guī)范要求、動(dòng)力源條件進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)與選型。

罐區(qū)液位測(cè)量?jī)x表的選型原則和技術(shù)規(guī)格要求，實(shí)際上是為了方便計(jì)算油罐實(shí)際容量與油品庫(kù)存的，因此，常用的計(jì)量方法是混合法，搭配上體積法與靜壓法。

2.液位儀表類(lèi)型與工程設(shè)計(jì)詳析

石油儲(chǔ)罐的液位儀表一般常用雷達(dá)液位計(jì)、伺服液位計(jì)以及磁致伸縮液位計(jì)。并且會(huì)將液位開(kāi)關(guān)與石油儲(chǔ)罐的報(bào)警聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，使得石油存儲(chǔ)過(guò)量后進(jìn)行警報(bào)反應(yīng)與處理。但長(zhǎng)時(shí)間來(lái)，很少出現(xiàn)油罐液位超過(guò)設(shè)定報(bào)警高度的情況，因此長(zhǎng)時(shí)間不動(dòng)用儀表容易導(dǎo)致工作人員無(wú)法檢測(cè)到該開(kāi)關(guān)裝置是否處在正常狀態(tài)，難以進(jìn)行養(yǎng)護(hù)與維修。一旦出現(xiàn)開(kāi)關(guān)失靈的現(xiàn)象，后果將無(wú)法預(yù)估。而液位連續(xù)測(cè)量?jī)x表的應(yīng)用，可以切實(shí)地解決該隱患。液位儀表的作用就是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油罐內(nèi)的液位高度，并持續(xù)對(duì)測(cè)量?jī)x表的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)察。因此，越來(lái)越多地石油化工罐區(qū)將液位儀表代替很少運(yùn)作的開(kāi)關(guān)式儀表。液位儀表的選型應(yīng)與浮頂罐、固定頂罐、球罐、臥罐等不同形式的油罐的安裝方法與條件相適應(yīng)。

表1 液位測(cè)量?jī)x表的最大允許誤差（mm）

(1)雷達(dá)液位計(jì)

①雷達(dá)液位計(jì)的運(yùn)作原理

雷達(dá)液位計(jì)，顧名思義是通過(guò)信號(hào)雷達(dá)的發(fā)射與發(fā)射、接收來(lái)完成一系列工作需求的。它通過(guò)雷達(dá)傳感器中設(shè)置的天線用波束信號(hào)的形式來(lái)發(fā)射電磁波信號(hào)，發(fā)射的電磁波會(huì)在被測(cè)油品的表面產(chǎn)生反射，反射產(chǎn)生的回波信號(hào)則會(huì)被天線所接收。發(fā)射以及反射回的信號(hào)波束采用超聲采樣的方式收集，并經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行智能處理后得到油品與天線的具體距離數(shù)值，并送往終端進(jìn)行數(shù)值顯示或過(guò)高報(bào)警。雷達(dá)液位計(jì)的工作原理決定了它可以在極短的時(shí)間內(nèi)精準(zhǔn)的測(cè)算出具體油品液位。即便是在儲(chǔ)罐內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜的情況下，可能出現(xiàn)回波失效的現(xiàn)象，也可以利用新型的微波處理技術(shù)以及智能化調(diào)試設(shè)備進(jìn)行精確定位、準(zhǔn)確回波。

現(xiàn)階段常用的雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量的方式有兩類(lèi)，一是調(diào)頻連續(xù)波式，二是脈沖式。其中，調(diào)頻連續(xù)波是在頻域內(nèi)進(jìn)行信號(hào)處理，而脈沖式則是在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行信號(hào)處理。調(diào)頻連續(xù)波式的測(cè)算精準(zhǔn)度高，脈沖式的測(cè)算精準(zhǔn)度度較低。二者存在不同的優(yōu)勢(shì)作用與自身定位，可以通過(guò)不同的測(cè)量需求進(jìn)行合理的選擇適用。最近幾年，雷達(dá)液位測(cè)量的方法多種多樣，對(duì)應(yīng)的測(cè)量技術(shù)也越來(lái)越高，推動(dòng)著石油化工罐區(qū)內(nèi)對(duì)雷達(dá)液位計(jì)的廣泛使用。

②雷達(dá)液位計(jì)的實(shí)際應(yīng)用

雷達(dá)液位計(jì)用天線的不同形式來(lái)劃分，包括錐體天線式、拋物面天線式以及桿狀天線式雷達(dá)液位計(jì)。其中，帶有錐體天線的雷達(dá)液位計(jì)一般會(huì)被安裝在油罐的頂部或者導(dǎo)波管上，能夠在進(jìn)行大面積測(cè)量的場(chǎng)合中使用。拋物面天線的雷達(dá)液位計(jì)可用于探測(cè)回波液體或固體兩種物料介質(zhì)，拋物面式天線的直徑最大，因此發(fā)射出的雷達(dá)波束信號(hào)也最窄，適用于距離較大的物料測(cè)算。但該類(lèi)型具有對(duì)污染程度不敏感等缺陷。多用于測(cè)量如瀝青、液態(tài)硫磺等物料的工況之中。最后，桿狀天線式液位計(jì)的天線較小，只會(huì)將聚四氟乙烯物質(zhì)暴露在儲(chǔ)罐空氣之中，往往應(yīng)用于對(duì)衛(wèi)生條件要求較高、或物料腐蝕性較強(qiáng)的測(cè)量工作之中。

上文提到，調(diào)頻連續(xù)波式測(cè)量方式的精準(zhǔn)度最高，因此對(duì)于計(jì)量精度有要求的作業(yè)之中一般會(huì)采用FMCW。而除去燃油、瀝青等粘度大、易凝結(jié)的物料儲(chǔ)罐外，一般是使用除拋物面天線式，而其它類(lèi)型的儲(chǔ)罐則采用錐體天線式。

③雷達(dá)液位計(jì)的安裝操作

在安裝雷達(dá)液位計(jì)時(shí)，必須要與儲(chǔ)罐外壁保持一定的距離，并且避開(kāi)儲(chǔ)罐內(nèi)部的加熱管道或物料出入口，進(jìn)而得到安裝并投入應(yīng)用后的雷達(dá)液位計(jì)能夠精準(zhǔn)地測(cè)量出實(shí)際液位數(shù)值。自帶錐體天線的雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)在外部架設(shè)保護(hù)罩，防止物料冷凝，影響測(cè)量的真實(shí)性。儲(chǔ)罐頂部的導(dǎo)波管需要確保內(nèi)里與表面平整光滑、無(wú)外凸毛刺，并鉆好對(duì)稱的孔洞，確保信號(hào)回波不受外界影響、干擾。

(2)伺服液位計(jì)

由于對(duì)伺服液位計(jì)研究深度有限，其測(cè)量方法一直較為單一，所以該液位儀表只能對(duì)某些輕質(zhì)的油品、無(wú)腐蝕性的輕質(zhì)烴類(lèi)液體，進(jìn)行儲(chǔ)罐的液位連續(xù)測(cè)量。不可用于粘稠液體的儲(chǔ)罐測(cè)量。伺服液位計(jì)必須隨著儀表進(jìn)行帶標(biāo)定腔，配合上導(dǎo)向管中配比輸入的縮徑腔使用。在壓力儲(chǔ)罐內(nèi)，需在縮徑腔與液位儀表間加裝維修切斷球閥。

(3)磁致伸縮液位計(jì)

磁致伸縮液位計(jì)一般是在無(wú)腐蝕性的輕質(zhì)油料儲(chǔ)罐中得以應(yīng)用的。浮子測(cè)量液位會(huì)順著導(dǎo)線、纜線或者導(dǎo)桿而滑動(dòng)，磁致伸縮液位計(jì)無(wú)法對(duì)該類(lèi)黏稠液體進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。LPG球罐內(nèi)存儲(chǔ)的液體，有時(shí)會(huì)在液位表面形成高密度的氣泡，進(jìn)而影響通過(guò)信號(hào)發(fā)射回波而得到液位數(shù)值的雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量精度與真實(shí)性。因此，針對(duì)該種儲(chǔ)罐一般會(huì)采用伺服液位計(jì)或者磁致伸縮液位計(jì)。磁致伸縮液位計(jì)多適用于液位、界位、多點(diǎn)溫度等變量較多的集成式物料，輸出的信號(hào)會(huì)被接入儲(chǔ)罐的信號(hào)通信單元。多變量的集成式磁致伸縮液位計(jì)配合上高精度的差壓變送器，即可實(shí)現(xiàn)液位的混合測(cè)量。

表2 溫度測(cè)量?jī)x表的最大允許誤差（℃）

3.電纜敷設(shè)

為了給石油罐區(qū)以防火的性能以及防護(hù)的作用，液位測(cè)量?jī)x表的控制電纜應(yīng)采用埋地鋪設(shè)的方式。該方式包括使用電纜外緣保護(hù)管或直接填埋的兩種主要地下敷設(shè)方式，并且都符合我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的石油化工罐區(qū)電線設(shè)計(jì)與敷設(shè)的規(guī)范及要求。針對(duì)無(wú)法在地下敷設(shè)電纜的情況，需要在地下使用鍍鋅鋼原料的保護(hù)管，或配備有蓋板的全密封型金屬電纜槽，作為地上敷設(shè)電纜的保護(hù)裝置。眾所周知，鋼材的強(qiáng)度與剛性、電磁防護(hù)性都高于鋁材，但如果分布在沿海或內(nèi)陸潮濕地區(qū)的港口石油罐區(qū)，就容易由于濕潤(rùn)的空氣而銹蝕鋼材，需視情況選擇保護(hù)管原材料。非金屬的原材料不具備電磁防護(hù)的功能，所以為了降低雷擊的概率、減輕電磁的干擾，不得在石油罐區(qū)的電纜敷設(shè)中采用非金屬的保護(hù)管或電纜槽。

4.結(jié)束語(yǔ)

一般來(lái)說(shuō)，石油化工罐區(qū)常用的液位測(cè)量?jī)x表多為雷達(dá)液位計(jì)、伺服液位計(jì)雙液位計(jì)的形式，可滿足多大部分化工物料儲(chǔ)罐測(cè)量的需求，具有精準(zhǔn)度高、真實(shí)可靠、自動(dòng)化智能化水平高的優(yōu)勢(shì)的作用，為我國(guó)石油化工罐區(qū)的安全生產(chǎn)運(yùn)作提供了可靠保障。