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西門(mén)子雷達(dá)液位計(jì)在儲(chǔ)罐的應(yīng)用的探討
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一、前言

儲(chǔ)罐是油田煉油廠、油庫(kù)、石油碼頭及各大石化企業(yè)普遍需要使用的存儲(chǔ)設(shè)備,通過(guò)對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)的液體介質(zhì)(各種石油化工產(chǎn)品)的溫度、壓力、液位、密度等參數(shù)的測(cè)量,可以計(jì)算出儲(chǔ)罐中液體的體積量及質(zhì)量?jī)?chǔ)量,以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化生產(chǎn)中對(duì)資產(chǎn)管理的需求。
  
儲(chǔ)罐對(duì)液位測(cè)量的要求不同,一般可分為過(guò)程級(jí)及貿(mào)易級(jí)兩種。貿(mào)易級(jí)液位計(jì)的精度要求非常高,需要對(duì)罐內(nèi)的進(jìn)行精確測(cè)量,一般要求測(cè)量精度達(dá)到±1mm;而過(guò)程級(jí)液位計(jì)的精度要求一般是在±5~15mm之間,相對(duì)而言對(duì)液位計(jì)測(cè)量可靠性和穩(wěn)定性要求更為嚴(yán)格,測(cè)量目的一般是為了防止油罐冒頂、抽真空等事故的發(fā)生。
  
各種儲(chǔ)罐的大小和種類各不相同,所測(cè)量介質(zhì)的特性和工藝條件也各不相同,因此只有從客戶的實(shí)際情況出發(fā),合理的選擇液位計(jì)及設(shè)計(jì)液位測(cè)量解決方案,才能使客戶的投資最優(yōu)化。
二、儲(chǔ)罐液位測(cè)量技術(shù)
  
目前用于儲(chǔ)罐的液位測(cè)量技術(shù)非常多。根據(jù)測(cè)量方式,可以分為接觸式和非接觸式。
  
接觸式測(cè)量方法主要有人工檢測(cè)尺、浮子式鋼帶液位計(jì)、伺服式液位計(jì)、靜壓式液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)、射頻導(dǎo)納液位計(jì)等。接觸式測(cè)量方法主要有超聲波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)等。
  
其中目前市場(chǎng)上常用的可以滿足貿(mào)易級(jí)液位計(jì)要求的測(cè)量方式有:磁致伸縮液位計(jì)、伺服式液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、靜壓式液位計(jì)等,靜壓式液位測(cè)量系統(tǒng)(HTG)因?yàn)檫^(guò)于過(guò)于復(fù)雜,維護(hù)量大等缺點(diǎn),使用量越來(lái)越少。而雷達(dá)液位計(jì)作為一種高精度的液位測(cè)量方式,因其量程大、安裝方便、維護(hù)量低等優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越多的得到客戶的認(rèn)可和接受;而且近幾年,雷達(dá)液位計(jì)的價(jià)格也逐年降低,也使很多普通的用戶也開(kāi)始采用起雷達(dá)液位計(jì)作為儲(chǔ)罐的液位測(cè)量方案。
1、各種儲(chǔ)罐液位測(cè)量方式比較

 

鋼帶

伺服式

雷達(dá)

靜壓(HTG)

磁致伸縮

超聲波

射頻導(dǎo)納

工作原理

浮力

浮力

電磁波

壓力

浮力

聲波

儲(chǔ)勢(shì)電荷

介質(zhì)特性

密度

密度

介電常數(shù)

密度

密度

密度

介電常數(shù)

精度

一般,誤差小

極高,最高可達(dá)±0.4mm

高,可達(dá)±1mm

高,誤差大

高,可達(dá)±1mm

一般,最高可達(dá)±15mm

一般,根據(jù)安裝及調(diào)試

溫度影響

較小,取決密度變化

較小,取決密度變化

可忽略

有,需考慮

較小,取決密度變化

有影響,需補(bǔ)償

可忽略

壓力影響

很小

很小

可忽略

很大

很小

有影響

可忽略

揮發(fā)性氣體(蒸汽)影響

可忽略

可忽略

可忽略

可忽略

可忽略

有影響

可忽略

安裝

復(fù)雜,費(fèi)用高

簡(jiǎn)單

簡(jiǎn)單

極復(fù)雜

復(fù)雜

簡(jiǎn)單

簡(jiǎn)單

維護(hù)量

大,昂貴

低,可忽略

極大

價(jià)格費(fèi)用

極高

貴,逐年降低

極高

一般

一般


三、雷達(dá)液位測(cè)量原理及特點(diǎn)

    雷達(dá)液位計(jì)又稱微波液位計(jì)(Radar),是取英文詞組“RAdio Detection And Ranging”的詞頭字母而來(lái)的縮寫(xiě)詞。微波物位計(jì)朝一個(gè)目標(biāo)發(fā)射電磁波,電磁波井發(fā)射后返回發(fā)射源。安裝在發(fā)射源處的接收器捕獲到反射波,并把它與發(fā)射波作比較,確定目標(biāo)的存在和它到發(fā)射源的距離。目前市場(chǎng)常見(jiàn)的微波物位計(jì)采用的工作原理主要有FMCW(連續(xù)調(diào)頻)和脈沖兩種。
 
FMCW雷達(dá)液位計(jì)采用線性的調(diào)制的高頻信號(hào),一般都是采用10GHz24GHz微波信號(hào)。它是一種基于復(fù)雜數(shù)學(xué)公式的間接測(cè)量方法,由頻譜計(jì)算出物位距離。天線發(fā)射出被線性調(diào)制的連續(xù)高頻微波信號(hào)并進(jìn)行掃描,同時(shí)接收返回信號(hào)發(fā)射微波信號(hào)和返回的微波信號(hào)之間的頻率差與到介質(zhì)表面的距離成一定比例關(guān)系。
 
脈沖雷達(dá)液位計(jì),與超聲波技術(shù)相似,使用時(shí)差原理計(jì)算到介質(zhì)表面的距離。 設(shè)備傳輸固定頻率的脈沖然后接收并建立回波圖形。信號(hào)的傳播時(shí)間 直接與到介質(zhì)的距離成一定比例但是與超聲波使用聲波不同,雷達(dá)使 用的是電磁波。它利用好幾萬(wàn)個(gè)脈沖來(lái)掃描容器并得到完整的回波圖。
 
雷達(dá)液位計(jì)的典型波段為 5.8 GHz10GHz 、24 GHz通常我們稱5.8GHz(或6.3GHz)的頻率為C波段微波;10GHz的頻率為X波段微波; 24GHz(或26GHz)的頻率為K波段微波。
 
由于雷達(dá)液位計(jì)的增益系數(shù)和波束角的大小和微波的波長(zhǎng)以及雷達(dá)液位計(jì)的喇叭口尺寸大小有關(guān)系。因此,越來(lái)越多的雷達(dá)液位計(jì)制造商開(kāi)始研發(fā)采用高頻率微波技術(shù)來(lái)改善雷達(dá)液位計(jì)的性能。同時(shí),采用高頻技術(shù)后,可以在提高雷達(dá)性能的同時(shí),大大縮小天線的尺寸,使安裝更加方便。
 
由于雷達(dá)液位計(jì)采用的微波是一種電磁波,在傳播的過(guò)程不需要傳輸媒介的傳遞,因此基本上不需要考慮揮發(fā)性氣體和蒸汽、溫度、壓力(真空)、甚至粉塵的影響。而且,由于是基于回波反射測(cè)距的原理(TOF),對(duì)雷達(dá)液位計(jì)來(lái)說(shuō),不存在磨損等問(wèn)題,因此基本不需要維護(hù);頂部安裝的方式也使安裝更加方便;而且由于微波的特性,相對(duì)其它液位測(cè)量方式,它的精度一般都能達(dá)到0.1%(全量程)的精度。由于雷達(dá)液位計(jì)具有這不可比擬的優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越多的儲(chǔ)罐用戶開(kāi)始采用雷達(dá)液位計(jì)來(lái)替代其他技術(shù)。
四、解決方案

西門(mén)子公司從1998年推出第一臺(tái)智能化的雷達(dá)液位計(jì)IQ160開(kāi)始,陸續(xù)推出了基于各種工作原理和采用不同頻率的雷達(dá)液位計(jì),形成較齊全的產(chǎn)品線,能夠滿足各種不同過(guò)程工藝、介質(zhì)的測(cè)量需求。

               0                          1

    圖1Probe                  2LR400

Sitrans LR系列雷達(dá)目前包括Probe LR, LR200,LR300LR400四個(gè)系列產(chǎn)品。
   
Probe LR是一款性價(jià)比極高的一款雷達(dá)液位計(jì)。它是一個(gè)兩線制回路供電的, 5.8GHz頻率雷達(dá)液位計(jì),用于測(cè)量?jī)?chǔ)罐和過(guò)程罐中液體和漿料的物位和體積。Probe LR 是揮發(fā)性化學(xué)品、溫度梯度、真空或者常壓等工況的理想選擇,比如油庫(kù)、化學(xué)儲(chǔ)罐、化學(xué)反應(yīng)罐和長(zhǎng)量程應(yīng)用。它的量程為20 m,精度為全量稱的0.1%(如圖1
  
LR200在兼具了Probe LR的所有優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,還提供了各種不同規(guī)格的安裝方式(包括各種規(guī)格法蘭和螺紋)和不同的天線的選擇(包括喇叭口天線、桿式天線、導(dǎo)波管天線等),極大程度地滿足不同過(guò)程工藝的需求。
  
Probe LRLR200都采用了一體化全封裝的儀表外殼,使儀表具有較好的密封性、抗打擊能力、抗腐蝕能力。
  
SITRANS LR 400 是長(zhǎng)量程的連續(xù)調(diào)頻(FMCW) 雷達(dá)物位儀表,可以用于最高達(dá)50米的儲(chǔ)罐的測(cè)量,及時(shí)用于測(cè)量介電常數(shù)較低的介質(zhì)(輕油、液化氣等)也能得到極好的測(cè)量效果。24GHz 和高信噪比的特性能得到非凡的信號(hào)反射,而與介質(zhì)的介電常數(shù)無(wú)關(guān)。它還具有先進(jìn)的回波處理算法,能為惡劣的固體應(yīng)用提供可靠的測(cè)量。它的測(cè)量精度為±5mm(如圖2)。
 
 根據(jù)儲(chǔ)罐介質(zhì)的特性,這里將各種儲(chǔ)罐測(cè)量分為輕油及原油、重油、瀝青、液化氣、腐蝕性介質(zhì)五種。
1、  輕油的測(cè)量
     典型的輕油介質(zhì)為汽油、石腦油、石油等。一般會(huì)產(chǎn)生一定的揮發(fā)性氣體,介電常數(shù)較低(<3)。
 
低頻雷達(dá)(Probe LR/LR200+導(dǎo)波管。如果采用低頻(6GHz)的雷達(dá)液位計(jì)直接測(cè)量,可能會(huì)因信號(hào)過(guò)于微弱而導(dǎo)致失波,一般會(huì)要求安裝導(dǎo)波管。比如:Sitrans LR200配導(dǎo)波管的配置可以滿足輕油的液位測(cè)量(如圖3)。導(dǎo)波管的制作要求為:金屬材質(zhì)(最好是304316不銹鋼);內(nèi)壁光滑,無(wú)明顯焊縫(要求無(wú)縫焊或套焊);在合適的位置開(kāi)排氣孔,一般在導(dǎo)波管的上部,開(kāi)空面積根據(jù)介質(zhì)特性(粘度)須適量;如有必要在管底部設(shè)置偏置板,以防止由于微波信號(hào)穿透液面產(chǎn)生來(lái)自底部的錯(cuò)誤信號(hào)。這個(gè)解決方案一般用于儲(chǔ)罐高度小于5~10m的應(yīng)用中。
 
高頻雷達(dá)(Sitrans LR400)采用高頻率的雷達(dá)液位計(jì),不需要任何輔助措施(高頻雷達(dá)由于其特性,一般不, 建議用于導(dǎo)波管),既可以實(shí), 現(xiàn)測(cè)量輕油的液位。對(duì)于一些較高的儲(chǔ)罐,由于制作導(dǎo)波管的成本和安裝成本較高,而且很多較長(zhǎng)的導(dǎo)波管在環(huán)境的變化下,可能會(huì)導(dǎo)致一定的變形影響雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量效果和精度,因此,選擇高頻的Sitrans LR400用于測(cè)量大量程的輕油儲(chǔ)罐的總體投資成本將會(huì)比低頻雷達(dá)解決方案更經(jīng)濟(jì)適用。

                  圖3:LR200用于測(cè)量汽油的測(cè)量

3LR200用于測(cè)量汽油的測(cè)量 

 

2、  重油的測(cè)量

典型的重油介質(zhì)為柴油等,其介電常數(shù)一般>3,有一定揮發(fā)性氣體?梢圆捎玫皖l的Probe LRLR200直接測(cè)量(如圖4)。

 圖4:Probe LR在柴油儲(chǔ)罐上的應(yīng)用圖4: Probe LR在柴油儲(chǔ)罐上的應(yīng)用

     圖4Probe LR在柴油儲(chǔ)罐上的應(yīng)用

 
3、  瀝青的測(cè)量

瀝青(液態(tài))的介電常數(shù)也比較低,一般在3左右(根據(jù)溫度);而且液態(tài)的瀝青一般需要用高溫來(lái)維持,伴隨著高溫一般都會(huì)有一定的水蒸氣;瀝青的特性比較粘,很容易產(chǎn)生一定的掛料的現(xiàn)象。
  
高溫(>100ºC)的工況,一般都需要選擇PTFE材質(zhì)的天線,而不能選擇PPS的天線(如:Probe LR);為了防止掛料的影響,可以選擇喇叭口天線;但水蒸氣一般會(huì)導(dǎo)致冷凝水的產(chǎn)生,經(jīng)試驗(yàn)表明,桿式天線對(duì)冷凝水的敏感程度要小于喇叭口天線,因?yàn)闂U式天線的有效發(fā)射電磁波的面積要遠(yuǎn)大于喇叭天線(發(fā)射電極只有筆尖大小);瀝青的介電常數(shù)較低,在天線所產(chǎn)生的少量掛料一般都可以被雷達(dá)液位計(jì)的電磁波穿透;由于瀝青介質(zhì)的掛料比較粘稠,采用清洗裝置的作用并不是很明顯,因此筆者并不建議采用清洗裝置用于測(cè)量瀝青。
  
因此,對(duì)于儲(chǔ)罐內(nèi)攪拌、掛料非常嚴(yán)重的瀝青應(yīng)用,可以采用帶喇叭口的LR200,喇叭口大小應(yīng)不小于DN1506”;而對(duì)于溫度較高,冷凝水現(xiàn)象比較明顯的工藝中,可以采用全PTFE的桿式天線為佳:采用不銹鋼屏蔽段的PTFE天線對(duì)口徑較小的安裝立管的屏蔽效果較好,但是屏蔽長(zhǎng)度如果選得太短了,無(wú)法延長(zhǎng);采用全PTFE的天線的屏蔽段長(zhǎng)度可以根據(jù)安裝立管的長(zhǎng)度自由方便地延長(zhǎng),但是在小口徑(≤DN80)的安裝立管會(huì)對(duì)天線的工作產(chǎn)生影響。因此,最好在安裝雷達(dá)液位計(jì)安,應(yīng)對(duì)安裝立管的口徑和長(zhǎng)度提出要求。

                            圖5:瀝青在桿式天線上的掛料

 

               圖5:瀝青在桿式天線上的掛料

4、  液化氣的測(cè)量

    液化氣包括液化天然氣(LNG)和液化石油氣(LPG)兩種。典型的液化氣介質(zhì)有:丙烷、丁烷等。主要的特點(diǎn)是:介電常數(shù)一般都非常低(1.5~1.8);高壓低溫儲(chǔ)存;防爆要求;通常用球罐存儲(chǔ),球罐的高度一般在10~28m不等。
 
目前的雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量液化氣主要有兩種方式。


 

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