針對石化油品罐區(qū)液位測控系統(tǒng),就國內(nèi)某大型煉廠設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)了不同工況下雷達液位計的選型及應(yīng)用,詳細分析了基于雷達液位計測量的系統(tǒng)設(shè)計及本安結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。對汽油內(nèi)浮頂儲罐導波管的制作和安裝注意事項進行了闡述,從現(xiàn)實工程實施角度上,提出了可行的方案。
 
　　0 引言
工業(yè)自動化的發(fā)展極大促進了石化領(lǐng)域自動化的發(fā)展,石化企業(yè)的生產(chǎn)過程中,油品儲運是其中很重要的組成部分,而儲運自動化則是發(fā)展的必然方向。
 
儲罐的液位測量是儲運自動化的關(guān)鍵,目前已經(jīng)擺脫了以“人工檢尺”為主的測量方法,此法只作為校驗工具而存在。從90 年代以來,隨著智能儀表的發(fā)展,罐區(qū)計量逐步走入自動化領(lǐng)域,歷經(jīng)浮子鋼帶液位計、靜壓式測量、伺服式液位計等測量儀表[2] 。雷達液位計的出現(xiàn)是罐區(qū)計量的又一突破,其具有在線檢定和非接觸式測量的特點,極大減少了儀表的維護工作。
 
　　1 雷達液位計原理
雷達液位計是一種利用高頻微波信號技術(shù)的非接觸式測量儀表。天線發(fā)射的高頻電磁波經(jīng)過物面的反射,雷達儀表接收裝置檢測到返回的電磁波,計算出發(fā)射波和反射波的時間差或者頻率差,從而計算出物面的高度。
 
　　電磁波遇到被測物質(zhì)容易被反射,被測介質(zhì)的介電常數(shù)越大,反射回波越強。雷達液位計的主要組成部分是信號發(fā)生器、發(fā)射裝置、天線、接收裝置、信號處理單元等,其測量原理如下:假設(shè)d 是介質(zhì)物面與罐頂距離,F 是儲罐高度,則可以得出物位L 的計算式為:
　　L = F - d (1)
　　1)如若雷達液位計測量原理為時域脈沖法(Time Domain Reflectometry,TDR),雷達液位計測量脈沖往返被測介質(zhì)物面的時間為Δt,則相應(yīng)計算d 得
　　d = cΔt / 2 (2)
其中:c 為電磁波在儲罐中傳播的速度,即為光速。
 
　　2)如若雷達液位計測量原理為調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW),原理如圖1 所示。 　　調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)是經(jīng)過線性調(diào)制的,其特點為隨著時間的推移,天線發(fā)射的電磁波頻率會呈現(xiàn)某范圍內(nèi)的線性增長趨勢,線性增益為k。當接收裝置接收到電磁波時,頻率接收和發(fā)射時必然存在頻率差Δf,有關(guān)系式
　　Δt = Δf / k (3)
　　根據(jù)Δf 計算出時間Δt,將式(3) 代入式(2)中得:
　　d = cΔf / 2k (4)
由式(4)可以看出,根據(jù)物位回波信號與發(fā)射信號的頻率差即可測出距離。距離d 與Δf 成正比,即Δf 越大,則d 越大,相應(yīng)物位L 越小。由上述兩種方法對比,FMCW 方法將直接測量時間差轉(zhuǎn)換為測量內(nèi)部產(chǎn)生的頻率差,FMCW 法相較TDR 法具有更高的測量精度[4] ?？稍O(shè)置內(nèi)部參考頻率,使用數(shù)字晶體振蕩器控制輸出頻率,以保證雷達頻率變化的線性。
 
　　2 雷達液位計設(shè)計及應(yīng)用
　　2. 1 雷達液位計分類及選型
雷達液位計依據(jù)不同的分類原則有不同的分類結(jié)果,但目前主要的分類為兩種,一是依據(jù)計量精度分類,二是依據(jù)天線類型分類。
 
按照計量精度分類,雷達液位計分為計量級和過程級,計量級精度高于過程級精度,計量級精度可達0.5 ~1 mm,而過程級精度為3 ~10 mm 或者更大。上述提到的兩種雷達液位計測量原理,其中時域脈沖法測量較為簡單,其計量誤差會較大;而針對調(diào)頻連續(xù)波方法,時間差是由頻率差計算得來,頻率差是線性增益,故求取誤差較小。因而,在采用雷達液位計進行過程控制時,若要求精度不需要太高,則測量原理一般為時域脈沖法;如果用于貿(mào)易結(jié)算時,需要采用精度高的計量級,其測量原理一般為調(diào)頻連續(xù)波法。
 
　　1)雷達液位計的聚焦和靈敏度由天線外形決定,依據(jù)雷達液位計的天線分類,主要有以下幾種[5] :喇叭口天線適用于大多數(shù)情況,常見于設(shè)計安裝在拱頂儲罐上,其聚焦特性好(瀝青或者類似產(chǎn)品不建議使用)。此類天線的發(fā)射角與喇叭口直徑和頻率相關(guān),相同頻率下,直徑越大,其發(fā)射角越小,聚焦能力越強。
　　(2)拋物面天線
　　拋物面天線尺寸較大,電磁波能量集中,量程大,測量精度高,但硫磺、瀝青等在較高溫度下容易在天線上附著結(jié)焦。
　　(3)陣列天線
　　陣列天線采用平面陣列技術(shù),即多點發(fā)射源,與單點發(fā)射源相比,由于其測量基于一個平面而不是一個確定的點,故方向性好,可以與導波管配套使用。
　　2)天線是雷達液位計的關(guān)鍵部件,對于天線形式的選擇在液位測量系統(tǒng)中格外重要,雷達液位計選型一般考慮如下幾方面:
　　(1)雷達的選型*先決定于罐區(qū)儲罐的容量,對于大容量的儲罐,要選擇可靠性較高的液位測量儀表。
　　( 2)對于在罐區(qū)用于長輸管道輸送、裝船等進行貿(mào)易結(jié)算的計量,其雷達液位計應(yīng)選用計量級型。
　　(3)根據(jù)儲罐的形式選擇合適的天線,如儲罐為內(nèi)浮頂罐,則雷達液位計須配用導波式,相配的天線類型為陣列天線。
　　(4)依據(jù)存儲介質(zhì)的性質(zhì)選用合適的天線類型,如介電常數(shù)較低時選用拋物面天線,可以達到較好的測量目的。
(5)選型時根據(jù)被測介質(zhì)介電常數(shù)、液面狀況和操作條件等選擇合適的過程接口。
 
　　2. 2 雷達液位計項目應(yīng)用
　　項目中為常溫汽油內(nèi)浮頂罐(20 000 m3 ),外形尺寸(38 000 × 17 820) mm,液位測量采用ROSEMENT5900 系列雷達液位計,選用帶導波管陣列天線,信號發(fā)射頻率在10 GHz 左右,微波功率小于1 mW。汽油介電常數(shù)在1. 9 左右,根據(jù)具體工況,雷達液位計選用8 寸法蘭連接。
5900 系列雷達液位計現(xiàn)場設(shè)備由兩部分組成:液位變送器和儲罐Hub 終端。液位變送器由Hub回路供電,數(shù)據(jù)通信采用FF Tankbus 現(xiàn)場總線協(xié)議,本質(zhì)安全的FF Tankbus 符合FISCO Foundation 現(xiàn)場總線標準,為測得儲罐內(nèi)液體的密度,在罐底設(shè)置壓力變送器,壓力變送器采用相應(yīng)FF 總線通信至儲罐Hub。本質(zhì)安全FISCO 菊花鏈結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
   
如圖2 所示,儲罐Hub 有2 個腔體,分為本安和非本安部分,本安側(cè)為連接現(xiàn)場設(shè)備的FF Tankbus現(xiàn)場總線,非本安側(cè)TRL/2 總線通信至機柜室TCU。該項目雷達液位計應(yīng)用于過程控制中,若應(yīng)用于安全儀表系統(tǒng)時,在SIL1 情況下,儀表內(nèi)部有且只有一個終端電阻,而在SIL2 和SIL3 情況下,不設(shè)置終端電阻。依據(jù)《IEC 60079 - 27:Fieldbus intrinsically safeconcept ( FISCO)》, FISCO 應(yīng)滿足相應(yīng)條件[6] ,ROSEMENT 5900 系列各參數(shù)與IEC 60079 - 27 對比見表1。
   
　　為符合現(xiàn)場應(yīng)用要求,項目中FF Tankbus 電纜采用1. 5 mm2屏蔽雙絞電纜。
儲罐Hub 與機柜室內(nèi)TCU2460(儲罐通信單元)之間的物理層協(xié)議采用專用TRL/2 總線,其采用的頻移數(shù)字通信技術(shù)抗干擾性強,通信距離遠。實際項目中電纜遠通信距離2. 5 km。作為將現(xiàn)場眾多設(shè)備連接成整體的TCU,考慮其重要性,設(shè)計為冗余。
 
　　3 安裝要求及導波管制作
　　3. 1 雷達液位計安裝要求
　　雷達液位計的安裝位置影響測量精度,應(yīng)充分注意以下問題:
　　1)雷達液位計儲罐開口位置離開儲罐內(nèi)壁距離大于雷達液位計安裝法蘭面距儲罐底板高度的15%,使用導波管無此限制。
　　2)為保證信號波無阻礙進入儲罐內(nèi)部,雷達液位計接口的法蘭及連接管的總長度小于250 mm。
　　3)若有導波管,導波管應(yīng)垂直向下,允許偏差≤0.5°;水平度應(yīng)為±1°。
　　4)安裝時考慮儲罐頂板強度,以免造成波動位移。
　　5)雷達波路徑應(yīng)避過內(nèi)部障礙物,如支撐架、加熱管及攪拌器等。
　　6)考慮液位條件,如避開進料口產(chǎn)生的紊流及泡沫。
　　3. 2 導波管制作要求
　　當儲罐為浮頂罐或球罐時,應(yīng)使用導波管;在介質(zhì)液面波動或產(chǎn)生泡沫時也應(yīng)考慮加導波管。導波管不隨設(shè)備成套購買,宜在現(xiàn)場由施工單位根據(jù)具體工況制作,導波管制作具體要求如下:
　　1)導波管材質(zhì)應(yīng)為不銹鋼或碳鋼,球罐時必須為不銹鋼。
　　2)導波管應(yīng)為整根,若需加長,須用外夾套焊接方法,間隙小于1. 0 mm,焊接內(nèi)壁不能有焊縫及毛刺,否則影響測量精度。
　　3)導波管底距罐底板為100 ~ 150 mm,并加傾斜45°雷達反射板。
　　4)為保證導波管內(nèi)外等液位,導波管須間隔距離交叉開孔,導波管內(nèi)平面需平滑,否則容易產(chǎn)生虛假液位的現(xiàn)象。開孔尺寸應(yīng)適宜,不宜過大,以免造成管內(nèi)液位波動;也不宜過小,不能有效保證導波管內(nèi)外液位一致。依據(jù)工程經(jīng)驗,開孔總尺寸與導波管直徑尺寸對應(yīng)如表2 所示。 也就是MEMS 傳感器向前傾斜的角度。隨著持續(xù)的降水,在14 ∶ 00 ~ 2 ∶ 00 時邊坡的形變較為穩(wěn)定,MEMS 傳感器的合成傾角速率為0. 076°/ h; 在2 ∶ 00 ~6 ∶ 00時邊坡的形變加劇,但MEMS 傳感器的合成傾角速率為0. 91°/ h?？梢钥闯鯶 軸變化明顯,X 軸則沒有太大變化,這是由于此時邊坡的下滑相比于水平的變化更為劇烈,此時應(yīng)發(fā)出邊坡失穩(wěn)預警;6 ∶ 00 后MEMS 傳感器的各個傾角速率都驟然上升,這時邊坡已經(jīng)失穩(wěn),產(chǎn)生了滑坡。
 
　　4 結(jié)語
　　該文設(shè)計了一種基于4G 無線傳輸?shù)墓愤吰卤O(jiān)測傳感系統(tǒng),包含數(shù)據(jù)采集與發(fā)射裝置和MEMS傾角傳感器,可實現(xiàn)全天候無人監(jiān)測及數(shù)據(jù)遠距離傳輸功能。解決了人工成本過高和數(shù)據(jù)難以遠距離傳輸?shù)葐栴}。此外,該文還使用4G 無線傳輸技術(shù)將終端報警與短信提示預警相結(jié)合,提高了預警效果。終通過實驗驗證所設(shè)計的系統(tǒng)可穩(wěn)定工作,滿足設(shè)計要求。


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