雷達(dá)液位計(jì)在罐區(qū)測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用

高 斌 張 繼

（中國(guó)石油玉門(mén)油田分公司a.煉化總廠；b.水電廠）

恩賈梅納煉油廠（NRC）是中油國(guó)際（乍得）煉油公司和乍得共和國(guó)合資建設(shè)的煉油化工企業(yè)，煉廠設(shè)有7 個(gè)罐區(qū)，共計(jì)61 個(gè)儲(chǔ)罐。 每個(gè)儲(chǔ)罐的容量較大， 很小的液位測(cè)量誤差就會(huì)帶來(lái)很大的容量誤差。 儲(chǔ)罐液位的精確測(cè)量與計(jì)量精度、安全密切相關(guān)，傳統(tǒng)方法已經(jīng)滿足不了測(cè)量精度要求， 為此欲選用雷達(dá)液位計(jì)實(shí)現(xiàn)NRC儲(chǔ)罐液位的測(cè)量。 隨著油品罐區(qū)的不斷擴(kuò)大，罐區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)越來(lái)越多， 每個(gè)儲(chǔ)罐上設(shè)有一個(gè)或多個(gè)傳感器，如雷達(dá)液位計(jì)、溫度計(jì)、平均溫度計(jì)及壓力變送器等， 為了確保液位測(cè)量系統(tǒng)的高可靠性和實(shí)效性， 決定利用標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場(chǎng)通信總線連接各個(gè)儲(chǔ)罐的罐旁指示儀， 組成高精度罐區(qū)液位監(jiān)控系統(tǒng)， 為提高NRC 的經(jīng)濟(jì)效益提供保障。

1 罐區(qū)儀表選型

隨著儀表技術(shù)的發(fā)展，油品儲(chǔ)罐罐區(qū)液面測(cè)量逐漸由傳統(tǒng)機(jī)械式測(cè)量方式向智能化儀表測(cè)量方式轉(zhuǎn)變。E+H 雷達(dá)液位計(jì)是一種“下探式”測(cè)量系統(tǒng)， 探頭發(fā)出高頻脈沖在空間以光速傳播，當(dāng)脈沖遇到物料表面時(shí)反射回來(lái)被儀表內(nèi)的接收器接收， 并將距離信號(hào)轉(zhuǎn)換為物位信號(hào)。 E+H雷達(dá)液位計(jì)數(shù)字信號(hào)處理能力強(qiáng)大，具有抑制干擾回波的功能，保證邊緣、焊縫及虛假回波等因素產(chǎn)生的干擾回波不被當(dāng)作物位回波處理，可以區(qū)分微弱的測(cè)量信號(hào)和很強(qiáng)的反射信號(hào)，避免干擾造成的測(cè)量誤差， 完全可以滿足NRC 工廠計(jì)量交接的測(cè)量精度要求。

考慮到安全性、測(cè)量精度和使用維護(hù)的方便性，NRC 選用的雷達(dá)液位計(jì)包括FMR532 型平面天線雷達(dá)液位計(jì)、FMP240 型喇叭式雷達(dá)液位計(jì)、FMP40 型纜式導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)和NMS5 系列智能型伺服液位計(jì)等。 罐區(qū)雷達(dá)都采用本安防爆形式，具體安裝類型匯總于表1。

表1 罐區(qū)雷達(dá)液位計(jì)安裝類型匯總

1.1 平面天線雷達(dá)液位計(jì)選型

外浮頂原油儲(chǔ)罐底部帶有加熱盤(pán)管，對(duì)原油進(jìn)行加熱保溫，導(dǎo)致油品上下溫度不均，液位和溫度的測(cè)量精度對(duì)罐容計(jì)算結(jié)果影響較大。 為此， 選用精度±1mm 的FMR532 型平面天線雷達(dá)液位計(jì)和NMT539 型平均溫度計(jì)，均安裝于儲(chǔ)罐的導(dǎo)波管上， 導(dǎo)波管為DN300mm 固定內(nèi)徑的金屬管，并且在側(cè)壁對(duì)開(kāi)出小于1/10 管徑的圓孔用于排氣，要求孔間距離不小于30cm。 FMR532 型平面天線雷達(dá)液位計(jì)的平面天線實(shí)際上是由若干個(gè)小天線組成的天線陣列，由于其發(fā)射的雷達(dá)高頻波能量集中在導(dǎo)波管中間，與管壁接觸部分能量很小， 因此受導(dǎo)波管粗糙內(nèi)壁的影響很小，能夠很好地消除原油掛壁和焊縫拼接對(duì)液位測(cè)量的影響，具有更強(qiáng)抗干擾能力，提高了測(cè)量精度和可靠性。

NMT539 型平均溫度計(jì)可以在比較大的范圍內(nèi)進(jìn)行溫度測(cè)量， 包含十點(diǎn)的高精度Pt100 測(cè)量元件， 每點(diǎn)相距200cm。 由于油罐中液體與空氣的溫差較大，將儀表讀取鉑電阻的測(cè)量值和溫度探頭的位置信息進(jìn)行比較，可以準(zhǔn)確判斷油罐中液體的位置，通過(guò)智能HART 信號(hào)傳輸溫度探頭平均值，反映原油溫度的真實(shí)值，提高了原油罐區(qū)罐容的測(cè)量精度。

1.2 喇叭式雷達(dá)液位計(jì)選型

重油罐區(qū)為常溫儲(chǔ)罐，而且儲(chǔ)罐尺寸相對(duì)較小，因此宜選用精度為±3mm 的FMR240 型喇叭式雷達(dá)液位計(jì)，該儀表具有小尺寸（40mm）喇叭天線，非常適合小型容器中物位的測(cè)量。 采用點(diǎn)源發(fā)射方式，雷達(dá)波為發(fā)散的球面波，主要用于不需要設(shè)置導(dǎo)波管的拱頂罐的液位測(cè)量。24V（DC）電源由罐旁指示儀NRF590 的本安接線腔供電， 采用4～20mA HART 兩線制技術(shù)，有效降低了布線成本。

1.3 纜式導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)選型

NRC 較多罐區(qū)選用了FMP40 型纜式導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)，對(duì)輕油罐區(qū)、成品油（汽油、煤油、柴油等）罐區(qū)等介電常數(shù)較小的介質(zhì)進(jìn)行接觸式連續(xù)測(cè)量，能夠充分適應(yīng)不同油品的介電常數(shù)。 當(dāng)液位計(jì)發(fā)出的電磁脈沖沿著鋼纜傳播，在遇到被測(cè)介質(zhì)表面時(shí)，部分脈沖的反射波沿相同路徑返回到脈沖發(fā)射裝置，得到儲(chǔ)罐液位真實(shí)高度。 由于傳播損耗小，發(fā)射能量可較小，價(jià)格也比其他型式的雷達(dá)液位計(jì)便宜。

由于纜式導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的天線伸入容器中容易受罐區(qū)介質(zhì)物理性質(zhì)影響，失去了非接觸的特點(diǎn)，需要正確選擇安裝位置，遠(yuǎn)離中心點(diǎn)和進(jìn)出管線，增加導(dǎo)波管保護(hù)等方式，安裝的導(dǎo)波管保持垂直和減少焊縫，避免造成電磁脈沖斜射到導(dǎo)波管的內(nèi)壁，產(chǎn)生反射致使測(cè)量失真。 同時(shí)設(shè)定罐底固定，保持纜繩垂直，避免擺動(dòng)，防止與導(dǎo)波管末端接觸。 正是因?yàn)橛辛诉@樣的導(dǎo)波纜，使得纜式導(dǎo)波雷達(dá)的測(cè)量不受介質(zhì)種類變化的影響，不受溫度壓力的影響，不受氣相和液體表面泡沫的影響。

1.4 伺服液位計(jì)選型

對(duì)于液化氣和丙烯球罐，液化氣球罐區(qū)一般是2 000m3左右2.5MPa 以下的高壓常溫球罐。因?yàn)橐夯瘹夂捅┑慕殡姵?shù)很低（約1.3～1.4），雷達(dá)波會(huì)被吸收而發(fā)生衰減，當(dāng)衰減過(guò)多時(shí)，雷達(dá)液位計(jì)接收不到足夠的信號(hào)， 導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確，采用雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量效果較差。

NMS5 智能型伺服液位計(jì)的測(cè)量是基于浮力平衡原理，因此低介電常數(shù)不受影響，安裝于球罐的DN100mm 導(dǎo)波管上， 在雷達(dá)與球罐導(dǎo)波管之間加裝一臺(tái)同徑手動(dòng)球閥，日常維護(hù)和校正操作時(shí)利用視窗觀察輪轂和浮子移動(dòng)。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 罐旁指示儀

每個(gè)儲(chǔ)罐通過(guò)本安防爆HART 通信協(xié)議將雷達(dá)液位計(jì)、溫度計(jì)、平均溫度計(jì)及壓力變送器等連接到罐旁指示儀NRF590 的本安接線腔內(nèi)，接線端子如圖1 所示。 通過(guò)HART 協(xié)議采集所有與之相連的罐區(qū)儀表的測(cè)量值，并實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值與自診斷信息等，方便巡檢人員在罐下檢查和操作。 本安HART 數(shù)字通信方式提高了安全性、可靠性和數(shù)據(jù)的有效性，降低了接線成本，簡(jiǎn)化了全部?jī)?chǔ)罐傳感器的集成。 罐旁指示儀通過(guò)通信總線接入機(jī)柜間， 實(shí)現(xiàn)罐區(qū)液位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。 NRF590 不但作為現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)罐的測(cè)量子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與維護(hù)中心，而且為現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)儲(chǔ)罐提供集成通信。

圖1 NRF590 端子示意圖

2.2 通信接口

罐區(qū)現(xiàn)場(chǎng)為總線結(jié)構(gòu)，一個(gè)罐區(qū)內(nèi)所有儲(chǔ)罐的NRF590 采用Modbus RS485 數(shù)字通信總線串聯(lián)連接，NRF590 通過(guò)數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)通信總線接入通信接口NXA820 Tank Scanner， 根據(jù)輸入的儲(chǔ)罐液位利用罐表把液位轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)體積計(jì)量數(shù)據(jù)，上傳到控制室罐區(qū)管理系統(tǒng)，如圖2 所示。 現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)電纜規(guī)格為兩芯屏蔽雙絞線，節(jié)省了電纜，消除了數(shù)據(jù)傳輸誤差，提高了穩(wěn)定性。 如汽油罐區(qū)的12 具儲(chǔ)罐，01A 儲(chǔ)罐使用modscan 直接讀取罐旁指示儀數(shù)據(jù)，設(shè)定從站地址為1、波特率為9 600、數(shù)據(jù)位8、檢驗(yàn)位N、停止位1，Modbus 寄存器地址40515 對(duì)應(yīng)液位、40521 對(duì)應(yīng)溫度，通過(guò)總線采集到NXA820 通信接口。 NXA820 可接入15 個(gè)節(jié)點(diǎn)Modbus RS485 總線形式的罐區(qū)信號(hào)，即最多15 臺(tái)NRF590。 由于其模塊化的結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用在小型或大型罐區(qū)，便于擴(kuò)容和升級(jí)。

每個(gè)罐區(qū)配置一個(gè)通信接口NXA820 實(shí)現(xiàn)各儲(chǔ)罐容量的計(jì)算，然后將這些罐區(qū)信息轉(zhuǎn)載到以太網(wǎng)工業(yè)交換機(jī)匯總到通信網(wǎng)關(guān)NXA822 Host Link。 搜集網(wǎng)絡(luò)上所有帶罐量計(jì)算功能的通信接口NXA820 的罐表數(shù)據(jù)，通過(guò)NXA822 將Ethernet TCP/IP 轉(zhuǎn)換成Modbus RS485 數(shù)據(jù)傳輸至上位控制系統(tǒng)。 通信網(wǎng)關(guān)NXA822 作為Modbus 從站設(shè)備時(shí)地址表可以通過(guò)XML 描述， 通過(guò)單獨(dú)的上位機(jī)主站請(qǐng)求可以很容易修改。 用通信總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和罐區(qū)管理，保證了傳輸?shù)姆€(wěn)定性和數(shù)據(jù)精度。

圖2 通信總線傳輸?shù)酵ㄐ沤涌诮Y(jié)構(gòu)圖

3 日常故障分析處理經(jīng)驗(yàn)

雷達(dá)液位計(jì)是一種高精度智能型檢測(cè)儀表，具有在惡劣條件下能夠穩(wěn)定可靠工作、無(wú)可動(dòng)部件且使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際使用中會(huì)遇到不同的問(wèn)題，針對(duì)日常出現(xiàn)故障總結(jié)如下經(jīng)驗(yàn)。

如果正常運(yùn)行中雷達(dá)液位計(jì)出現(xiàn)死值、最大值等，雷達(dá)液位計(jì)自身出現(xiàn)故障保護(hù)，斷電重啟，重新上電后檢查。

利用雷達(dá)的抑制干擾回波功能處理測(cè)量過(guò)程中的假回波，過(guò)濾掉虛假的反射波，把液面反射波檢測(cè)出來(lái)，保證準(zhǔn)確測(cè)量。

液位較低或無(wú)液位時(shí)容易產(chǎn)生液位波動(dòng)、逐漸變大甚至最大，可能由于某些工藝原因?qū)走_(dá)波產(chǎn)生了漫反射， 使電磁脈沖出現(xiàn)很大衰減，拆卸查看天線的臟污和腐蝕情況并清洗污垢、處理結(jié)晶體或等工藝液位提高后觀察處理，建議將零點(diǎn)定在一定高度，要遠(yuǎn)離低液位測(cè)量盲區(qū)。

導(dǎo)波纜不要彎曲過(guò)大，使用中要保證不產(chǎn)生毛刺、彎折和破損情況。 如果使用過(guò)程中出現(xiàn)不變化的中間值，檢查纜繩，若發(fā)現(xiàn)這些問(wèn)題可以進(jìn)行更換。 使用中，要盡量減少液位變化對(duì)導(dǎo)波纜的沖擊， 適當(dāng)情況下可以增加纜繩的配重，保持纜繩垂直。

由于氣候原因，日常使用中要增加必要的遮陽(yáng)罩，防水防曬，以延長(zhǎng)顯示屏和電路板的使用壽命。

日常維護(hù)時(shí)注意檢查雷達(dá)液位計(jì)接地完好和供電防雷柵，防止電壓短路的情況。 通信總線要注意檢查主從設(shè)備完好，保持線路通暢，通信設(shè)備的協(xié)議設(shè)置等問(wèn)題，避免影響罐區(qū)的測(cè)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

NRC 罐區(qū)采用雷達(dá)液位計(jì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀表，利用罐旁連接了多個(gè)儲(chǔ)罐傳感器和機(jī)柜上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，形成了罐區(qū)液位監(jiān)控系統(tǒng)。 采用數(shù)字通信總線的形式， 提高了傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性，保障了罐區(qū)油品液位的準(zhǔn)確測(cè)量和安全性，為煉廠的長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。