陳桂華 郭 猛

0 引言

在石化行業(yè)的石油煉制過程中，液化石油氣儲罐的液位測量和液體計量是一項常態(tài)化的工作。由于液化氣的介電常量εr<1.9，通常的微波或超聲波等在液化氣中的傳播能量會減弱，因而降低了測量精度，而液化氣球罐內(nèi)氣相壓力的變化對傳統(tǒng)的接觸式液位測量儀表測量精度的影響很大，因此對液化氣液位的測量沒有有效的方法，對液態(tài)液化氣的計量也沒有一個很好的解決辦法，這一問題已經(jīng)困擾我們多年。特別是在石油貿(mào)易方面經(jīng)常會因為計量誤差而產(chǎn)生不必要的貿(mào)易摩擦，而傳統(tǒng)的計量方式又達不到需要的精度，因此，必須找到一種測量精度高，又能與石油化工自動化很好地結(jié)合的液位測量儀表。Rosemount公司生產(chǎn)的用于液位測量和儲罐液體計量的SAAB雷達液位計，其微波的傳播能量不受惰性氣體及液化氣的影響，很好地解決了這些問題。該液位計及其Tank Master系統(tǒng)已經(jīng)于2012年在大連石化公司儲運車間升級后投入使用，因計量誤差較小，取得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 雷達液位計的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 雷達液位計的結(jié)構(gòu)

雷達液位計由雷達頭、導(dǎo)波單元和喇叭形天線、數(shù)據(jù)采集單元和上位機監(jiān)控軟件組成。雷達頭內(nèi)部包括微波發(fā)生器、電源卡、信號處理卡、模擬(電流)回路卡、和現(xiàn)場通訊卡等部件。

1)微波發(fā)生器：產(chǎn)生9.6～10.3GHz的微波信號。

2)電源卡：接收220V交流供電，并向雷達頭內(nèi)部各卡件/部件提供電源。

3)信號處理卡：通過該卡將雷達液位計的信號(液位信號、溫度信號、壓力信號等)進行處理，再通過遠程編程來保存這些特定監(jiān)測器數(shù)據(jù)，傳送至現(xiàn)場通訊單元FCU，F(xiàn)CU再與上位機進行通訊。

4)模擬(電流)回路卡：接收本安的4～20mA電流輸入信號，并提供對應(yīng)的4～20mA輸出電流，用于現(xiàn)場顯示儀表，也用于向SPC(信號處理卡)提供信號。

5)現(xiàn)場通訊卡：負責(zé)處理與外部裝置的通信， 不同的現(xiàn)場通信卡件對應(yīng)不同的協(xié)議 (Hart、FF、Modbus等)。本系統(tǒng)中的現(xiàn)場通訊卡對應(yīng)的是Modbus協(xié)議。

1.2 雷達液位計的工作原理

如上文所述，雷達頭內(nèi)部的微波發(fā)生器產(chǎn)生9.6～10.3GHz的微波信號，該微波信號通過導(dǎo)波單元沿水平方向到達微波連接器，經(jīng)旋轉(zhuǎn)90°后，沿著微波連接器到達圓錐形天線并向下發(fā)射。當微波遇到障礙物(金屬、液面等)時，一部分被吸收，一部分到達被測介質(zhì)表面后反射折回，由于能量損失，反射波的頻率有所降低，其頻差與此時儲罐的空高成正比(儲罐空高=儲罐總高-實際液位高度)。信號處理單元對此信號進行處理和計算，得到儲罐液位的實際高度值：

L=LTX+LTC+R-G-S

式中：雷達液位計的參考點以用戶提供的一次連接法蘭為基準點；LTX為雷達頭電氣單元的長度，該數(shù)值標明在儀表的銘牌上，為固定值；LTC為雷達頭的連接高度；R為儲罐的參考高度，由人工檢尺口到零液位基準點的位置，液化氣球罐屬壓力容器，應(yīng)密閉，沒有人工檢尺口，這里的R就是球罐的實際高度；G為人工檢尺口到一次法蘭的距離，在這里G視為零；S為儀表測量的空高，即微波發(fā)射單元到液體表面的距離。

從上式可以看出，LTX、G、R均為固定值，S值取決于被測液位的高度，LTC以雷達液位計的參考點為基準，通過調(diào)整該值來調(diào)整儀表的精度。LTX、G、R、LTC均需要通過上位機組態(tài)軟件(Tank Master)將這些參數(shù)值輸入到組態(tài)軟件中。

如#21罐雷達液位計相關(guān)安裝參數(shù)為：LTX=960mm，G=0mm，R=24780mm，LTC=1186mm。

組態(tài)完成后，儀表投入試運行，進行儀表計量精度的鑒定。

2 雷達液位計校驗

2.1 軟件組態(tài)

組態(tài)相對比較復(fù)雜，系統(tǒng)組態(tài)主要采用 Tank Master軟件，一般用戶只需設(shè)置幾個關(guān)鍵的參數(shù)： 罐高、量程(液位計量程必須和系統(tǒng)設(shè)置一致，否則系統(tǒng)畫面顯示的液位就會和雷達不匹配) 、介電常數(shù)、盲區(qū)以及所使用的天線類型和尺寸，其余參數(shù)已在出廠時設(shè)置完畢，用戶按默認即可。

2.2 液位計校驗

系統(tǒng)組態(tài)后，用Winsetup程序?qū)Π惭b在儲罐內(nèi)導(dǎo)波管上的參考針的安裝位置進行校驗，即對液位計進行校驗。校驗步驟如下：

1)STEP1:將現(xiàn)場取壓球閥打開，使“TEST-OPERATION”開關(guān)在OPERATION狀態(tài)。

2)STEP2:在Tank Master系統(tǒng)中進入WinSetup，選中某儀表設(shè)備，例如：LP-1，右鍵點擊選擇“LPG Setup”。

3)STEP3:在“LPG Setup”窗口選擇“Correction”，因為在校驗時罐內(nèi)無介質(zhì)，充滿空氣，在糾正方法菜單中選擇Air Only。

4)STEP4: 在“LPG Setup”對話框中選擇“Pressure”，在Pressure對話框中選擇壓力源。并在“LPG Setup”對話框中選擇“Temperature”，在Temperature對話框中選擇需要的溫度源，壓力源與溫度源均為雷達液位做補償。

5)STEP5: 使“TEST-OPERATION”開關(guān)在TEST狀態(tài)。

6)STEP6:選中需要校驗的設(shè)備，右鍵點擊選擇“LPG Setup”對話框，在此對話框中選擇“Verify pins”。

7)STEP7:在Verify pins對話框中點擊“Start”，系統(tǒng)開始運行校驗參考針的位置。校驗完畢后，已校驗的參考針的位置與已組態(tài)的參考針的實際安裝位置之間的誤差須不大于2mm，如果大于2mm，則需修改組態(tài)值，再回到上述STEP6，重新校驗，直至符合要求。

3 儀表在計量中的應(yīng)用

按以下步驟對#21罐的液位顯示值進行校驗，校驗過程中將現(xiàn)場儀表的讀數(shù)和雷達液位計的顯示值分別填入表1中。

3.1 讀取現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)

因為儲罐在靜止狀態(tài)下，液面相對穩(wěn)定，為了確保校驗數(shù)據(jù)的準確性，校驗時間選擇在儲罐收料或付料結(jié)束(即儲罐處于靜止狀態(tài))2h后進行?，F(xiàn)場儀表是玻璃板液位計，為了減小因視線偏差及其他因素造成的對玻璃板液位計讀數(shù)的影響，每次校驗時，現(xiàn)場儀表都要進行連續(xù)3次的獨立測量，將3次測量的結(jié)果計算算術(shù)平均值(LFEL)填入表1。

3.2 雷達液位計讀數(shù)

每次記錄下對應(yīng)時間雷達液位計的顯示數(shù)值(LTRL)，填入表1中。為了確保讀數(shù)的準確性，校驗點應(yīng)分布于儲罐的整個液位高度范圍內(nèi)，至少從儲罐液位的1/4到儲罐液位的3/4處均勻分布幾個校驗點。對#21罐的液位校驗，選取了5個檢測點，計算誤差值。

表1 #21罐雷達液位計校驗數(shù)據(jù)表 mm

計算在每個校驗點現(xiàn)場儀表的讀數(shù)(均值)與雷達液位計顯示值的誤差，并將此差值填入表1。ΔL=LFEL-LTRL

校驗結(jié)果表明，雷達液位儀的測試數(shù)據(jù)具有較好的重復(fù)性，在儲罐停止作業(yè)的情況下和現(xiàn)場儀表的精度比對在±4mm以內(nèi)。SAAB雷達液位計可以精確測量儲罐內(nèi)的液位，能滿足液化石油氣儲罐過程監(jiān)控和液位計量的要求。

4 產(chǎn)生的效益

1)勞動強度的降低。由于儀表精度高，完全滿足測量要求，將原來需要對動態(tài)罐每兩小時人工抄錄現(xiàn)場儀表一次改為每班一次，大大降低了操作者的勞動強度。

2)罐區(qū)操作風(fēng)險的降低。一是操作者上罐次數(shù)的減少，減少了人身安全事故的發(fā)生；二是雷達液位計可以做到連續(xù)監(jiān)測液位，消除人工抄錄只能兩小時監(jiān)測一次液位的弊端，確保儲罐進料液位受控，基本杜絕了冒罐事故。

3)維修次數(shù)的減少及維修費用的降低。采用雷達液位計以后，由于是非接觸測量，避免了因石油產(chǎn)品成分復(fù)雜、雜質(zhì)多等因素造成的對測量儀表的堵塞。另外系統(tǒng)抗腐蝕性強，易于清理，精度高，無可動部件，工作可靠，故障率低，基本可免于維修。

4)軟件功能強大、實用，方便了操作人員。隨機附帶的計量管理系統(tǒng)不但可以在操作站上即時顯示液位高度、溫度、壓力等參數(shù)，還可以顯示質(zhì)量、體積等參數(shù)的瞬時量和累計量。

5 結(jié)束語

液化石油氣球罐液面上的氣相介質(zhì)會降低雷達波的傳播速度，從而影響雷達的測量精度，所以對于液化氣球罐的液位測量而言，必須對蒸汽的影響進行修正，修正必須知道罐內(nèi)蒸汽真實的壓力和溫度。SAAB雷達液位計上安裝一個一體化的壓力傳感器的和一個外接的溫度傳感器，用于測量球罐內(nèi)的壓力和溫度。計算罐內(nèi)蒸汽的數(shù)量是應(yīng)用基本的氣體定律，可達到±4mm的液位精度。

雷達測量是非接觸測量，沒有機械磨損，SAAB雷達液位計的平均無故障時間(MTBF)大于65年，至少比機械式的液位計高出一個數(shù)量級。

SAAB雷達液位計具有獨特的校驗功能，通過測量安裝在導(dǎo)波管上已知位置的參考鋼針，即可以在整個量程的不同位置校驗雷達的精度。雷達液位計的讀數(shù)不會受到產(chǎn)品密度變化的影響，液面的波動也不會影響雷達的可靠性。

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