隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)要求以及生產(chǎn)現(xiàn)場對于自動化管理要求的的提高，許多罐區(qū)的液位測量手段從純機械式測量方式向智能化、電子化、自動化方向發(fā)展，目前雷達液位計是在罐區(qū)使用量大的智能化儀表之一，雷達液位計的生產(chǎn)技術(shù)目前在國內(nèi)已經(jīng)相對比較成熟，其工作方式是經(jīng)變送器天線發(fā)射出脈沖微波信號，迅速在空間里傳播，當(dāng)脈沖信號遇到被測介質(zhì)表面時，其中一部分信號將介質(zhì)所反射，被雷達液位計的天線接收到。雷達液位計通過發(fā)射與接受信號之間的信號時間差來計算出所測距離，目前國內(nèi)主流的雷達液位計已經(jīng)采用高頻達26GHZ的脈沖微波工作，可以保證測量的穩(wěn)定與**。本文針對于雷達液位計與老式的液位計的工作方式的比較，介紹了雷達液位計在測量中的優(yōu)勢，同時對于雷達液位計的安裝與使用，使用中出現(xiàn)的故障等作簡要介紹。
 
　　0 引言
某煉油老廠區(qū)罐區(qū)，目前有各類油品儲罐150多個，主要用來存儲成品油，有汽油、采油、航煤、三苯等。自同行業(yè)相繼報道有罐區(qū)爆炸事故以來，國家、行業(yè)對石油化工監(jiān)管越來越嚴(yán)，對罐區(qū)安全保障要求不斷提高，相關(guān)的安全管理制度、管理措施陸續(xù)出臺。為了滿足新形勢下的新標(biāo)準(zhǔn)和罐區(qū)新的規(guī)范，滿足罐區(qū)儀表的準(zhǔn)確測量，某煉油廠在2011年開始設(shè)計在北罐區(qū)新增雷達液位計50套，提高了罐區(qū)液面測量的可靠性，并與2016年10月全部安裝完畢并投用。
 
　　1 儲油罐液位計介紹
煉油老廠區(qū)罐區(qū)150多個儲罐，在未更換雷達液位計之前，使用光導(dǎo)液位計來進行儲罐液位的測量。光導(dǎo)液位計自1988年開始安裝，到1991年全部安裝完成，140多套液位計陸續(xù)投入使用，至今已使用20多年。由于設(shè)備使用年限久，部分液位變送器已超過使用壽命，大部分附件老化孔帶、碼帶及小鋼帶斷裂扭曲；大、小傳動滑輪滾軸裸露易沾灰塵；小鋼帶油封槽腐蝕、隔離片破裂；浮盤連接卡子腐蝕，造成浮盤脫落等。
 
光導(dǎo)液位計儀表信號傳輸是通過1根總線，將各罐的液位計信號連接到總線上。信號傳輸過程中總線與分支信號接點多，連接方式采用總線與分支線三花五扣絞接，然后用絕緣膠帶進行絕緣處理。時間久，絕緣膠帶老化自然脫落，接線處與空氣中的酸性氣體長期接觸引起氧化或是接地，導(dǎo)致整個總線儀表信號不能正常傳輸；一次表箱密封不嚴(yán)，破損嚴(yán)重，起不到防護作用等原因。
 
灰塵或是臟物進入到采樣孔內(nèi)，導(dǎo)致液位監(jiān)控系統(tǒng)誤報警頻繁，嚴(yán)重干擾工藝人員的判斷和操作，影響罐區(qū)的安全生產(chǎn)。經(jīng)公司評估后，決定將老廠區(qū)北罐區(qū)液位監(jiān)控儀表更換為雷達液位計，于2012年開始施工，逐一對50個儲罐進行隔離安裝。南罐區(qū)目前正在逐步更換中。
 

罐區(qū)一般采用的液位計主要有伺服式液位計、鋼帶式液位計、光導(dǎo)液位計這幾類，屬于接觸式的測量原理。對于原油這種較粘稠的介質(zhì)，采用接觸式測量容易造成掛壁，粘附測量元件的現(xiàn)象，而且測量精度也較低，故障率較高。雷達液位計、超聲波液位計屬于非接觸式的測量原理，適合各種環(huán)境及介質(zhì)的測量。
 
　　2.1 光導(dǎo)式液位計
　　1）測量原理：光導(dǎo)液位計利用力平衡和光電原理進行液位自動測量，如圖1所示。當(dāng)罐內(nèi)液位處于某一位置時，浮標(biāo)的重量、平衡錘的重量、浮標(biāo)的浮力、三力處于平衡狀態(tài)。當(dāng)液位變化時，液位浮力也發(fā)生變化，三力失去平衡。在平衡重錘作用下，使信息孔帶或碼帶與液位同步變化，這時變送器將信息孔帶或碼帶上的十六進制光碼讀出，并變成電信號，傳送至安裝在控制室的二次顯示儀表，進行液位顯示。每臺二次顯示儀表多可顯示30個罐的液位。
　　光導(dǎo)式液位計主要由顯示二次表、現(xiàn)場測量變送部分、總線轉(zhuǎn)換器等設(shè)備組成。現(xiàn)場測量變送部分主要由浮盤、平衡錘、信息孔帶或碼帶、連接導(dǎo)向鋼帶、導(dǎo)向滑輪等組成。平衡重錘通過連接導(dǎo)向鋼帶與信息孔帶或碼帶的低端相連（即零位），信息孔帶或碼帶的高端（即大值），通過連接導(dǎo)向鋼帶與罐內(nèi)的浮盤相連接。這樣，隨著油位的上升與下降，浮盤與重錘一起帶動信息孔帶或碼帶在滑輪上移動。在信息碼帶上有很多孔，變送器通過傳感器對這些排列十六進制小孔進行采樣，通過轉(zhuǎn)換變送實現(xiàn)對液位的測量。
　　2）優(yōu)點：直觀，便于觀察。
3）缺點：變送器信號地址碼設(shè)置復(fù)雜，容易造成地址沖突；總線信號傳輸電纜與分支電纜信號接頭氧化接觸不良；機械傳動機構(gòu)復(fù)雜，小滑輪易卡；小鋼帶、孔帶或碼帶、重錘鋼帶扭曲；北方進入冬季，油封槽隔離片未安裝或老化，罐體內(nèi)含水水熱氣造成鋼帶，孔帶或碼帶及傳動滑輪組件結(jié)冰凍凝。光導(dǎo)液位計二次顯示儀表顯示點數(shù)受限制，理論上多只能顯示30臺，不具備HART信號傳輸，無法直接與DCS通訊。結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝不便、工作量大。
 
　　2.2 伺服液位計
　　1）工作原理：該液位計測量是基于力平衡的原理，由浮子的重量、浮子的浮力、伺服電機耦合力矩，三力處于平衡狀態(tài)。當(dāng)液位計發(fā)生變化時，受浮力的作用，浮子的質(zhì)量發(fā)生變化，如圖2所示。由于內(nèi)外磁鐵的作用，內(nèi)部磁通量發(fā)生改變，引起磁偶力矩變化，變化量經(jīng)霍爾檢測元件檢測出信號大小，經(jīng)電磁傳感器控制伺服電機，帶動輪鼓，讓變化量引起的電壓變化與指令給出的電壓一致。通過測量鋼絲輪鼓的旋轉(zhuǎn)可精確地計算出液位高低[1]。
　　2）優(yōu)點：測量精度高，被測液體表面氣泡及乳化層不影響測量精度。即可測液面也可測界面，同時還具有被測介質(zhì)密度檢測功能、被測介質(zhì)的平均密度以及密度分布情況測量的功能。
　　3）缺點：當(dāng)測量高粘度介質(zhì)時，存在掛壁及粘黏的現(xiàn)象，測量上會存在較大的測量誤差，不太適合應(yīng)用在此類介質(zhì)的液位測量上。伺服液位計安裝過程及調(diào)試過程比較繁瑣，具有接觸式液位計的的特性，伺服液位計單臺價格昂貴。
由于罐區(qū)長周期運行，檢修期間也不能規(guī)模性的動火安裝，以上兩種液位計是常用的大型罐區(qū)液位測量方式，但安裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜且價格不菲，是雷達液位計的幾倍。同樣，進口類雷達液位計的價格也很昂貴，雷達液位計具備同樣的精度和功能，可節(jié)約不少資金，雷達液位計從安裝上比前兩種液位計簡單，調(diào)試方便如圖3所示。
 

　　該液位計經(jīng)變送器天線發(fā)射出脈沖微波信號，脈沖微波信號迅速在空間里傳播。當(dāng)在傳播過程中遇到被測介質(zhì)表面，其部分脈沖微波信號被反射回來，被雷達變送器天線所接收。發(fā)射的脈沖微波與接收脈沖微波的時間間隔與變送器天線到被測介質(zhì)表面的距離成正比。由于脈沖微波的傳播速度極高，發(fā)射到介質(zhì)表面的脈沖微波與從介質(zhì)表面返回的脈沖微波的時間間隔很?。{秒量級），很難識別。雷達液位計采用一種特殊的解調(diào)技術(shù)，可以準(zhǔn)確識別從天線發(fā)射脈沖微波與介質(zhì)表面返回脈沖微波的時間間隔，將脈沖微波信號進行放大后，精確地分析處理這些信號，計算出變送器天線到被測介質(zhì)表面的實際距離從而進行液位測量。
　　雷達液位計在變送器中采用的“微處理器和獨特的EchoDiscovery回波處理技術(shù)”，及脈沖微波傳送技術(shù)進行測量。該液位計工作適用范圍廣，測量時不受溫度、壓力的影響。對固體、液體、粉塵性及漿狀介質(zhì)，都可以進行測量。使用在油罐區(qū)可以測量所有油品介質(zhì)包括：有毒、酸堿性腐蝕性介質(zhì)，測量連續(xù)準(zhǔn)確、拆裝方便、維護量小、操作簡單。
　　
3.1 獨特的EchoDiscovery回波處理技術(shù)
　　EchoDiscovery回波是雷達液位計采用的新技術(shù)，為該液位計的正常工作、準(zhǔn)確測量提供了可靠保證，提高了大型油罐復(fù)雜工況液面的測量精度。有些特殊場合由于安裝位置原因，產(chǎn)生的干擾微波，雷達液位計具有獨特識別虛假微波的功能，根據(jù)發(fā)出的微波信號和返回的微波信號識別出真實的信號，經(jīng)變送器處理，可以標(biāo)識出出現(xiàn)的干擾反射波，并剔除干擾微波信號。該功能主要是通過存于雷達液位計的內(nèi)部數(shù)據(jù)庫，使雷達液位計在數(shù)據(jù)處理時能識別實際微波和干擾微波，
排除干擾反射微波對測量的影響。該功能在變送器里設(shè)置簡單，進入變送器的設(shè)置菜單，輸入液面的罐體的實際液位，通過變送器系統(tǒng)軟件能自動地標(biāo)識出液面到天線的虛假回波，就能排除這些雜波的干擾，保證測量的準(zhǔn)確性。
 
　　3.2 脈沖微波技術(shù)
雷達液位計進行測量時，變送器天線發(fā)出的微波有兩種方式，即調(diào)頻連續(xù)波式和脈沖微波式。調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)雷達液位計，變送器本身功耗大，需單獨供電，供電和信號分開設(shè)置，一般采用四線制連接方式。采用脈沖微波技術(shù)的雷達液位計，變送器功耗低，供電和信號未單獨設(shè)置，采用二線制連接方式，實現(xiàn)本質(zhì)安全，適用范圍更廣。雷達液位計采用脈沖微波技術(shù)，變送器天線發(fā)射出脈沖微波頻率為26GHz，持續(xù)時間極短，微波脈沖波長短，只有12mm，發(fā)送的脈沖波束角度小（根據(jù)發(fā)送天線喇叭尺寸決定：如4寸喇叭口時只有8度），脈沖微波在空氣中傳播時微波損失小，一般變送器發(fā)射測量范圍可以達到70m以上。在脈沖發(fā)射微波短暫停留期間，變送器天線系統(tǒng)將作為微波接收器，接收反射回來的微波信號，并對回波信號波形數(shù)據(jù)處理，判斷后顯示反射波形和電信號，再通過信號處理單元，顯示罐的實際液位。
 

　　1）消除多重回波和虛假回波干擾。
　　2）應(yīng)對各種復(fù)雜的現(xiàn)場工況。雷達液位計主要由機械部分（包括：變送器外殼、喇叭口天線、連接法蘭、波導(dǎo)）；電子部分（由集成電路板構(gòu)成）；應(yīng)用軟件3部分構(gòu)成。
　　變送器天線、法蘭的材料，均采用不銹鋼特殊材質(zhì)，抗腐蝕能力強，能適應(yīng)腐蝕性強的場所[2]。不受酸堿、液體泡沫以及微波傳送過程中水蒸氣、溫度和壓力變化的影響。變送器內(nèi)部參數(shù)設(shè)定方便簡潔，可用變送器上的操作鍵進行設(shè)定，也可用HART協(xié)議的手操器375或475，也可用裝有VEGA Visual Operating軟件的PC機，在遠(yuǎn)程或直接連接在變送器的通信端口進行參數(shù)設(shè)置，應(yīng)用十分方便，如圖4所示。





        3）波長更短。對在傾斜的固體表面有更好地反射，測量盲區(qū)更小、波束角小、能量集中，增強了回波能力的同時，又有利于避開干擾物，高信噪比，即使在波動的情況下也能獲得更優(yōu)的性能。
 

雷達液位計在實際應(yīng)用過程中能否正確測量，完全依賴于變送器天線反射回來的脈沖微波信號。變送器天線發(fā)射出脈沖微波時，根據(jù)天線喇叭口的大小不同發(fā)射角也不一樣。如果變送器所選擇罐體安裝的位置不合適，測量時無法將電磁微波信號反射回雷達天線；或電磁微波發(fā)射的范圍內(nèi)有干擾物，反射回來的電磁微波有干擾波，雷達液位計都不能正確測量實際液位。安裝在罐區(qū)的儀表外殼必須接大地。前期，在罐區(qū)雷達液位計安裝完后，表殼未進行接地，經(jīng)過整改已經(jīng)完成。
 
　　5.1 雷達液位計的現(xiàn)場安裝要求
　　合理選擇安裝位置對雷達液位計十分重要，安裝未按要求或是安裝不規(guī)范，均能導(dǎo)致雷達液位計不能正常使用，應(yīng)避免安裝狀況對前段回波曲線形狀影響，如圖5所示的幾種情況。
　　1）被測罐體中，保持與罐壁有適當(dāng)?shù)木嚯x。此種狀況會影響前段回波曲線形狀，影響測量，造成測量不準(zhǔn)確。
　　2）被測量罐體中，微波反射角內(nèi)有突出物，會產(chǎn)生干擾微波影響測量。此種狀況會造成測量信號不穩(wěn)定，測量信號波動大。
　　3）被測罐體中，發(fā)射角范圍內(nèi)有物料進口，出現(xiàn)物料流動。此種狀況會導(dǎo)致變送器反射的微波信號比實際微波信號大；或在真實液位反射信號和料流反射信號之間跳變，測量信號不穩(wěn)定。
      4）被測罐體中，變送器安裝連接短接過長，變送器天線未出安裝短接。
           安裝連接短接過長，當(dāng)罐體中實際液位在高液位時，連接短接出口的天線反射波與真實回波相互干擾，導(dǎo)致變送器信號不穩(wěn)定或跳變。
     5）被測罐體中，變送器要避免安裝在弧頂罐的正中心。此種情況可導(dǎo)致天線反射回波曲線紊亂，變送器輸出值不穩(wěn)定，顯示偏差大。
 
　　5.2 雷達液位計在罐區(qū)安裝狀況
罐區(qū)在未更換雷達液位計前，現(xiàn)場液位計采用的均為光導(dǎo)液位計，用來測量油罐液位。項目實施時，現(xiàn)場光導(dǎo)液位計是否拆除的問題，經(jīng)討論探究決定暫時不停用，待光導(dǎo)液位計出現(xiàn)故障后逐步停用，采取兩臺液位計對比來進行測量。在罐區(qū)選的是26G高頻雷達液位計，不銹鋼喇叭口天線，本安型，儀表信號采用24VDC供電，4-40MA及HART信號傳輸，信號經(jīng)現(xiàn)場接線箱轉(zhuǎn)接為多芯電纜傳輸?shù)綑C柜間，如圖6所示。機柜間內(nèi)經(jīng)安全柵隔離后，進入到DCS模擬輸入卡件，通過橫河DCS系統(tǒng)來顯示測量。如圖7所示?，F(xiàn)場從罐頂采用法蘭連接，未安裝導(dǎo)波管如圖11所示。
 
　　5.3 現(xiàn)場安裝問題處理
在2016年6月份已安裝到位的液位計，發(fā)現(xiàn)5臺投用后多次標(biāo)定，顯示偏差均在30%～60%之間，罐號為934#、966#、965#、903#、935#罐，介質(zhì)均為汽油罐?，F(xiàn)場外觀檢查發(fā)現(xiàn)5臺液位計防爆外殼玻璃表蓋上有水珠，防爆外殼缺葛蘭頭、缺密封堵頭、密封堵頭與葛蘭頭安裝接口調(diào)換位置，兩個接口的螺紋不一樣，堵頭絲扣未擰到位；將液位計拆回進行檢查標(biāo)定。當(dāng)拆卸下編程器表頭和傳感器后，發(fā)現(xiàn)這5臺表體底部均有不同程度腐蝕現(xiàn)象，如圖8所示，初步判斷為進水所致。工作人員對這幾臺液位計進行原因查找，檢查是什么原因造成變送器殼體進水，分別做以下試驗：1）對表蓋進行盛水試漏實驗，表蓋玻璃無漏水現(xiàn)象，密封良好；2）對966#罐上雷達整個表體進行水流沖刷試驗，水流持續(xù)沖刷10min，打開表蓋未發(fā)現(xiàn)明顯進水現(xiàn)象[3]。






 
　　5.4 錐形管天線密封試驗
對966#罐雷達液位計倒扣，錐形管里盛水，進行進水試驗。靜止4h后檢查發(fā)現(xiàn)表蓋上有很多水珠。懷疑是從錐管內(nèi)滲水，其余4臺雷達液位計進行倒扣進水試驗，試驗后均未發(fā)現(xiàn)有明顯的水跡倒流進入表殼內(nèi)，如圖9所示。拆開966#罐液位計后發(fā)現(xiàn)同軸接頭處有水珠，表內(nèi)底部也濕潤，明顯進水。此表未從上方?jīng)_水，只從底部錐形管罐裝過水，由此可以推斷從天線處也可以慢滲進水汽。分析是由于此處的密封松動，緊固后正常，如圖10所示。排除是由于介質(zhì)通過喇叭口天線進入到變送器殼體內(nèi)，造成測量誤差。
 
　　5.5 實驗及處理結(jié)果
由此，可斷定由于施工階段，相關(guān)人員在施工時責(zé)任心不強，未按規(guī)范保護儀表設(shè)備，造成變送器雨天由儀表信號接口處進水，引起變送電子元件快速老化，造成儀表測量誤差。聯(lián)系廠家技術(shù)人員，更換部分器件后，重新進行參數(shù)設(shè)置，如圖12所示。經(jīng)信號測試，調(diào)試投運后指示正常。通過這系列的現(xiàn)場檢查驗證，進一步確定雷達液位計在罐區(qū)應(yīng)用的優(yōu)越性和可靠性。

 
 

自2012年以來，雷達液位計在煉油廠北罐區(qū)儲罐上開始安裝，截止2016年10月共安裝了38臺，目前運行狀況良好，替代之前所用的光導(dǎo)液位計后，故障率和日常維護工作量明顯降低，液位測量準(zhǔn)確度上都比之前提高許多。
 
　　6.1 雷達液位計在罐區(qū)中的應(yīng)用
為驗證雷達液位計的技術(shù)性能及測量的準(zhǔn)確性，于2016年6月10日至7月30日，在罐區(qū)做了多次人工量油與液位計自動量油對比測試。提取3次對比情況，使用效果良好。大誤差為2mm，運行穩(wěn)定。儀表能準(zhǔn)確地反映各罐生產(chǎn)動態(tài)、罐儲油情況，滿足了油品動態(tài)計量、數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅奖愎芾砗筒僮鬟\行。液位計將標(biāo)準(zhǔn)儀表信號遠(yuǎn)傳到DCS系統(tǒng)，通過OPC服務(wù)器，上傳到生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)[4,5]，相關(guān)人員隨時可以觀察到罐區(qū)油品管輸狀況。
 
　　6.2 存在的問題及改進措施
　　1）罐區(qū)只安裝38臺雷達液位計，每個罐區(qū)雙表運行。多年以來，操作人員慣于用光導(dǎo)液位計來衡量儀表指示是否準(zhǔn)確，依然對光導(dǎo)液位計存在依賴性。聯(lián)系工藝技術(shù)人員要求對液位測量以雷達液位計指示為主，光導(dǎo)液位計測量只是輔作用。
　　2）罐區(qū)還有很多罐未安裝雷達液位計，改造難度比較大、周期比較長，在一定時期內(nèi)，部分罐依然要使用光導(dǎo)液位計。公司已制定方案加大整改力度，預(yù)計在未來幾年全部整改完畢。
3）罐區(qū)區(qū)域很大，從現(xiàn)場到機柜間距離較長，由于遠(yuǎn)距離傳輸，對儀表直流24VDC供電電壓衰減不易克服?，F(xiàn)場測試，準(zhǔn)備增加機柜間輸出電壓值，以克服電壓衰減問題。
 

　　罐區(qū)液位測量在石油化工行業(yè)中起著至關(guān)重要的作用，雷達液位計已經(jīng)被**應(yīng)用在大型油罐的測量中。雷達液位計現(xiàn)場使用證明，其可靠性強、測量精度高、價格便宜、操作維護方便、維護工作量小、安裝方便、抗干擾能力強、安全性高、便于拆裝、智能集成結(jié)構(gòu)簡單，為罐區(qū)安全生產(chǎn)提供了有力的保障。