雷達(dá)液位計在球罐液位計量中的應(yīng)用

上海自儀公司對球罐液位測量中雷達(dá)液位計的應(yīng)用進(jìn)行探討，從雷達(dá)液位計的原理開始分析，然后對雷達(dá)天線型式球罐雷達(dá)液位計附件的安裝要求進(jìn)行研究，接著介紹了雷達(dá)液位計的數(shù)據(jù)參數(shù)集中顯示到人機界面的系統(tǒng)構(gòu)成。根據(jù)某項目球罐雷達(dá)液位計的工程應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，闡述了球罐液位計量中雷達(dá)液位計的重要作用。

引言

隨著石油化工行業(yè)的發(fā)展，雷達(dá)液位計在可靠性、安全性及精度方面得到了石化企業(yè)的認(rèn)可。為了實現(xiàn)三暢雷達(dá)液位計更好地應(yīng)用于球罐的液位測量，本文圍繞球罐雷達(dá)液位計展開了具體研究。

1#雷達(dá)液位計的工作原理

雷達(dá)液位計能夠通過自身天線發(fā)射出雷達(dá)波信號，以光速運行在空間內(nèi)，碰到物料表面時反射回雷達(dá)天線，通過微處理器將距離信號轉(zhuǎn)化為液位信號來實現(xiàn)液位測量。從雷達(dá)液位計按照測量方式來看，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。雷達(dá)波信號下探至介質(zhì)的液面并反射回雷達(dá)天線時，該雷達(dá)波信號會與這個時刻天線發(fā)出的信號混在一起。

當(dāng)反射回來的雷達(dá)波信號發(fā)送至液體表面并沿導(dǎo)波管返回時，發(fā)射的信號已經(jīng)出現(xiàn)微小的變化。當(dāng)發(fā)射出的雷達(dá)波信號與返回的雷達(dá)波信號混合時，變?yōu)橐环N新的低頻信號，并與介質(zhì)頁面高度成一定的比例。

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

2#雷達(dá)液位計的天線型式

雷達(dá)液位計根據(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。

椎型天線采用多點發(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滴落，可有效減少對雷達(dá)波的干擾。

拋物面天線的雷達(dá)波，采用單點發(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。通常用于儲存粘稠和嚴(yán)重凝結(jié)物料的拱頂罐液位測量，也可用于介電常數(shù)較低的物料的液位測量，測量距離遠(yuǎn)。為了防止冷凝掛料，拋物面天線采用了水滴型設(shè)計方式。喇叭型天線同樣采用單點發(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，通常用于測量不需要導(dǎo)管的拱頂罐的水平測量，測量距離比拋物面天線小。由于整個喇叭天線伸入罐里，與罐內(nèi)溫度無較大差異，所以在天線上基本不會有冷凝的現(xiàn)象出現(xiàn)。

長喇叭型天線也是采用單點發(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量，同時須增加配套導(dǎo)波管才能使用。為了方便三暢雷達(dá)液位計的在線維護(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)液位計的安裝

為了實現(xiàn)對球罐液位的高精度、無故障測量在球罐上的正確安裝為關(guān)鍵。

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=100mm；10.16cm.SCH10；10.16cm.SCH40。導(dǎo)波管垂直度須在±0.5°范圍內(nèi)，法蘭水平度須在±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20mm。導(dǎo)波管上的所有開孔須沿著管道單側(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)液位計的測量精度校驗。它安裝在導(dǎo)波管一個與其他平衡孔成90°的開孔上。參考針應(yīng)當(dāng)位于法蘭下1000mm至2500mm的位置，法蘭以下1200mm處。在參考針與液體液位之間應(yīng)至少有200mm的距離。參考針須與導(dǎo)波管法蘭上的螺栓孔對準(zhǔn)，雷達(dá)液位計正確校準(zhǔn)。

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)儲罐為空時在安裝階段對液位計進(jìn)行校準(zhǔn)。

4#雷達(dá)液位計的通訊系統(tǒng)

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

由于雷達(dá)液位計能夠支持現(xiàn)場總線傳輸協(xié)議，所有三暢雷達(dá)液位計的信息都可實現(xiàn)傳輸，所以可為大型罐區(qū)建立一套完整的液位系統(tǒng)。每臺雷達(dá)液位計采用總線傳輸?shù)姆绞脚c安裝在機柜間內(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，通過上位機實現(xiàn)對液位、各點溫度、平均溫度、密度、壓力等信號的集中監(jiān)視。

5#工程應(yīng)用舉例

某石化公司一期成品油項目球罐組一、二中，每個罐組6臺球罐，共計12臺球罐。采用雷達(dá)液位計作為計量。參照設(shè)計院提供的雷達(dá)液位計技術(shù)規(guī)格書，選擇了長喇叭型球罐專用雷達(dá)液位計(ROSEMOUNT)。為了測量液位，選用了測量精度為±2mm的雷達(dá)液位計；天線尺寸為Φ99mm，L=750mm；可同時輸出TRL/2總線信號和4～20mA/HART模擬信號，防爆等級ExiaIICT4(ATEX認(rèn)證)；配有罐旁儀表HUB2410，帶LCD顯示，防爆等級Exde[ib]IIBT4(ATEX認(rèn)證)。共計12套雷達(dá)液位計通過總線形式從罐旁儀表傳輸至機柜間內(nèi)安裝的通訊單元HUB2460中，通訊至DCS系統(tǒng)上位機進(jìn)行集中監(jiān)視。球罐組雷達(dá)液位計通訊系統(tǒng)組成如圖3所示[3]。

6#結(jié)語

上海自儀公司在整個石化行業(yè)大型儲罐的應(yīng)用非常廣泛，特別是在球罐的計量應(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，隨著石化行業(yè)的發(fā)展，在球罐液位計量中，雷達(dá)液位計必將擁有重要的地位。