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实例分析石油储罐液位计量中雷达液位计的具体应用要点

编辑: 来源: 发布时间:2020-11-27 08:46:10

 摘 要 :高准确性的石油液相产品计量直接影响石油贸易交接和企业成本核算,为满足高精确性计量要求,雷达液位计的应用极为关键。基于此,分析了雷达液位计的测量原理和测量特点、石油储罐液位计量中雷达液位计的应用要点,并结合实例深入探讨雷达液位计的具体应用。

 
自动化程度和计量精度较低的传统液位计无法满足高精确性计量要求,这使得具备可重复利用、易于安装维护、自动化程度高、计量精确性高等优势的雷达液位计广泛用于石油储罐液位计量。为更好应用雷达液位计,本文围绕石油储罐液位计量开展了具体研究。
 
1 雷达液位计的测量原理和测量特点
1.1 测量原理
雷达液位计的工作流程可细分为三个环节,即发射、反射、接收。发射指的是发射雷达波信号,反射指的是被测油表面将发射的雷达波信号反射回来,接收则是指接收到反射回来的雷达波信号,三畅雷达液位计会根据接收信号自动计算并得出石油储罐液位测量结果。基于物理原理进行分析可以发现,雷达波到液面的距离与其发射到接收的时间成正比,具体关系式为 :
D=CT/2 (1)
 
式中,C、D、T 分别为光速、雷达液位计到液面的距离、雷达波运行时间,由此即可完成石油储罐液位计量。
石油储罐雷达液位计
1.2 测量特点
石油储罐液位计量中的雷达液位计应用主要具备五方面特点。
(1)测量方式可靠。由于采用不接触方式进行石油储罐液位计量,雷达液位计可基于自身稳定的零部件和设备得出可靠测量结果。
(2)测量结果精度较高。外界因素对雷达液位计应用带来的影响较小,由此开展的石油储罐液位计量可得到较高的测量数据精度,测量结果可信度较高。
(3)使用简单。雷达液位计的成本较低、维修便利、操作简单,设备占用空间较小,安装、保养、维修也较为方便,其本身具备的防错功能可更好地服务于石油储罐液位计量。
(4)适用性能较强。对于应用较为广泛的雷达液位计来说,其能够用于储存油种类较多的石油储罐,在高温高压等介质下的应用可直观证明雷达液位计的优势。
(5)节省能源且效率较高。石油储罐液位计量中的雷达液位计应用在效率、节能方面表现出色,人工成本也相对较低。
 
2 石油储罐液位计量中雷达液位计的应用要点
2.1 雷达液位计的选型要点
对于种类繁多的雷达液位计来说,为更好地服务于石油储罐液位计量,三畅雷达液位计的选型必须得到重视,具体选型需考虑被测介质的黏度、密度、温度、压力、腐蚀性等特性。三畅雷达液位计使用性能受到的影响也需要深入分析,需结合特定工况下介质的特性合理选择雷达液位计的天线和表头。如罐体形状复杂、体积较小,或需要对多种液体分界面进行测量,导波缆天线雷达液位计的实用性更高。对于介质易挥发、高温、高压、腐蚀的测量环境复杂罐体,需设法保证介质与雷达液位计不接触,以保证介质的化学和物理性质不会对液位计本身造成损伤或影响其精度,具体常采用非接触天线雷达液位计。
 
雷达液位计的测量精度选择需结合介质测量目的,可使用精度相对较低的雷达液位计用于内部成本核算,选用高精度的三畅雷达液位计用于贸易交接。为节约投资,可选用性价比高的雷达液位计,但这需要以计量精度满足需求为前提。考虑到企业的经济效益和生产效率直接受雷达液位计的精度、使用寿命、日常维护影响,因此还需要关注雷达液位计厂家提供的售后服务及设备本身质量。此外,雷达液位计的测量频率与范围、测量罐体与雷达的连接方式、信号传输方式、信号输出协议、防爆 / 防护等级等因素也需要得到重视。
 
2.2 雷达液位计的安装要点
为实现对石油储罐介质液位高精度无故障测量,雷达液位计在石油储罐上的正确安装极为关键,具体安装需从机械和电气两部分入手。以抛物面型天线雷达液位计(ROSEMENT)的机械安装和电气部分安装为例,机械安装需重点关注倾斜度、自由空间、喷嘴,本体的机械安装也需要得到重视。基于倾斜度,需关注储罐中心线与液位计中轴线倾斜度不同带来的影响,这会导致反射波和发射波影响雷达液位计测量精度,因此需要在储罐喷嘴上使用法兰球安装雷达液位计,变送器的倾斜度需基于水准仪调整,具体需控制在1.5°内 ;基于自由空间,需关注雷达波束宽度,如抛物面型天线液位计为10°,自由空间指的是从罐顶到测量零点之间且处于波束范围内的空间。如任何障碍存在于自由空间范围内,如2″ 以上直径的管道及结构加强筋,雷达波信号会受到干扰,三畅SCLD雷达液位计的测量效果也会受到影响,因此具体安装需做好自由空间内的障碍物规避 ;基于喷嘴,如采用 φ0″ 的喷嘴,需存在zui高0.5m 的喷嘴高度,同时高度随直径增大而升高。具体安装还需要保证喷嘴底端与抛物面反射器边缘间存在5°以内的夹角,雷达波束的自由通道可由此形成,雷达液位计测量精度可得到更好控制 ;基于本体,需关注表头、喷嘴、天线的连接,具体安装需采用水准仪,以此控制储罐中心线与天线和表头的倾角。
 
雷达液位计电气部分安装需首先需要确定配备的模拟输出,电源线与信号线在有源模拟输出下可共用一对线,无源模拟输出需保证雷达液位计单独供电,否则将出现仪表损坏和信号丢失的问题。SCLD雷达液位计电气部分接线模式可细分为本安和非本安,非本安电源、继电器、TRL/2总线连接采用非本安接线盒,温度传感器、模拟输入、显示板 RDU40、数据采集单元 DAU 采用本安接线盒。接线方式受到通信协议差异的影响也需要重视,对于雷达液位计存在的较为复杂的电气部分安装内容,具体可细分为电源接线和信号接线。基于电源接线,考虑到雷达液位计需要用于测量石油储罐油液位置,因此使用电气接线必须符合石油储罐所在区域安全等级,同时使用符合相关供电电压准则的电缆,需要以通过危险区域的认证为依据。
 
为适应连接48~99VDC、34~70VAC、100~240VAC的电源电压,整流器卡件 TRC 需内置于液位变送器中,其自动调整功能可实现灵活的供电,具体需要在接线盒电源端 L1+和 L2- 上连接供电电源线 ;基于信号线的连接,上位机与SCLD雷达液位计的连接需通过现场总线调制解调器 FBM、现场通信单元 FCU、TRL/2现场总线。TRL/2Modbus 信号可通过 FBM 转换为通用协议 RS232信号,TRL/2总线可用于8个单元连接。在上位机连接 TRL/2总线与变送器后,需采用专用App进行变送器的初始化和组态,同时对石油储罐内介质的体积、温度、液位等数据进行实时监控。此外,还需要关注 Hart 协议手操器、远传显示单元 RDU40、数据采集单元 DAU、单点和多点温度传感器、模拟输入 / 输出、继电器等扩展外围设备的接线,具体设置和安装应遵循说明书要求。
 
2.3 雷达液位计的自动控制要点
为实现石油储罐液位计量中雷达液位计的自动控制,需要将雷达液位计接线盒引出的数据线与电源线进行汇总,汇总到现场总线接口单元和电源梳理器,为连接至工控机需使用 RS485/232串行通信接口,罐区参数和App组态的初始化设置也需要同时完成。如需要本安隔离现场信号线,DCS 的 I/O端子前需设置安全栅。罐区介质液位的变化情况可基于 DCS系统实时观察,自动控制可结合罐区进 / 出口阀门实现,并做到所需位置介质液位的自动维持,实现远程自 / 手动控制罐区液位、实时 / 历史数据的即时掌握、液位曲线图分析、历史 /实时的设备和生产运行情况查看,雷达液位计低精度计量现象因人为干预而出现的问题可由此规避。
 
2.4 雷达液位计的维护和故障处理要点
为延长雷达液位计使用寿命,必须做好维护工作,保证雷达液位计的高精度测量能够长时间保持,日常维护应在专业人员引导下或由专业人员负责,具体维护需关注接地保护、瞬间过激电压保护、干扰信号、接线端口等方面内容。基于接地保护,需关注漏电带来的正常信号传输干扰和电器元件破坏,接地需选择控制室机柜信号接口处和雷达表头处任一端 ;基于瞬间过激电压保护,虽然雷达液位计本身具备瞬间过激电压保护功能,仍需要尽可能规避雷电经常活动区域,外部雷击保护措施的合理选用也需要得到重视 ;基于干扰信号,需重点关注液位在短时间内出现的强烈波动并针对性开展原因分析和故障排查,信号变弱可能因天线下方出现障碍物并引发测量偏差,因此,挥发性较强介质的测量需定期清洗天线;基于接线端口,需密封隔离现场接线端子,可规避液体侵入引发的电路板和接线端子腐蚀、电源短路问题。
 
此外,还需要关注雷达液位计的故障处理,以雷达波信号无法到达罐底为例,多方面因素均可能引发这类故障,如有电流漂移产生、雷达干扰存在于液位计附近、干扰信号的物质附着于导波缆天线上、导波天线弯曲、障碍物存在于安装导管内。基于上述可能引发故障的原因,围绕天线外观污垢、天线周围干涉物、导波缆长度、重锤与定心环开展针对性的故障排查,以确定故障源头并针对性处理,可使雷达液位计更好地服务于石油储罐液位计量。
 
3 实例分析
3.1 项目概述
为提升研究的实践价值,以体积为20 000m3的常温汽油内浮顶罐作为研究对象,该石油储罐的外形尺寸为38000mm×17820mm,采用三畅雷达液位计的型号为 ROSE-MENT5900,选用10GHz 左右信号发射频率的带导波管阵列天线,天线存在小于1mW 的微波功率,同时存在1.9左右的汽油介电常数,为适应具体工况,采用8寸法兰连接雷达液位计。雷达液位计现场设备有储罐 Hub 终端与液位变送器组成,Hub 回路负责液位变送器供电,采用 FFTankbus 现场总线协议实现数据通信。为实现储罐内液体密度测量,将压力变送器设置于罐底,储罐 Hub 通过 FF 总线与压力变送器通信。
 
通过分析可以发现,储罐 Hub 基于非本安和本安分为2个腔体,本安侧通过 FFTankbus 现场总线与现场设备连接,非本安侧与机柜室 TCU 的通信采用 TRL/2总线。在雷达液位的过程控制中,SIL1情况下(用于安全仪表系统)仅存在一个终端电阻于仪表内部,终端电阻在 SIL2/3情况下不设置。基于相关规范要求,需保证 FISCO 应满足相应条件。项目采用1.5mm2
 
屏蔽双绞电缆作为 FFTankbus 电缆,采用 TRL/2总线用于机柜室内储罐通信单元与储罐 Hub 间的物理层协议,同时采用具备通信距离远、抗干扰性强优势的频移数字通信技术。项目电缆可实现zui远2.5km 的通信,连接成整体的 TCU充分考虑现场众多设备的重要性,并设计为冗余。
 
3.2 安装要求
在具体的雷达液位计安装中,考虑到测量精度直接受到安装位置影响,因此具体安装重点关注了六方面内容。第一,需保证15% 的储罐底板与三畅雷达液位计安装法兰面间高度小于雷达液位计储罐开口位置离开储罐内壁距离,该限制在使用导波管时可以忽略 ;第二,为保证进入储罐内部的信号波不受到阻碍,雷达液位计接口的连接管及法兰需存在250mm 内的总长度 ;第三,在应用导波管时,需保证导波管垂直向下并存在≤0.5°的偏差及±1°的水平度;第四,为规避波动位移,需充分考虑安装时的储罐顶板强度 ;第五,应避过内部障碍物设置雷达波路径,搅拌器、加热管、支撑架带来的影响均需要得到重视 ;第六,需关注液位条件带来的影响,如避开进料口产生的泡沫及紊流。
 
3.3 导波管制作要点
导波管制作质量同样直接影响雷达液位计在石油储罐液位计量中的应用,对于项目采用的常温汽油内浮顶罐,必须使用导波管,介质液面产生泡沫或存在波动的情况也需要加设导波管。导波管不应随设备成套购入,而是需要结合具体工况由施工单位针对性制作。在本文研究的项目中,导波管制作严格遵循了四方面要求。
(1)采用碳钢或不锈钢作为导波管材质 ;
(2)采用整根的导波管,如特殊情况下需要加长导波管,需采用外夹套焊接方法,同时保证焊接内壁不存在毛刺及焊缝,且同时存在1.0mm 内的间隙,否则雷达液位计的测量精度将受到影响 ;
(3)基于100~150mm 控制罐底板与导波管底距离,同时设置雷达反射板(倾斜45°);
(4)为实现导波管内外等液位,导波管交叉开孔需间隔距离,同时还需要存在内平面平滑的导波管,否则虚假液位的现象很容易出现。应控制具体的开孔尺寸,过小或过大情况均不得出现,否则将导致导波管内外液位无法一致,或管内液位出现波动。基于具体经验,需基于导波管直径控制开孔尺寸,DN125、DN200、DN250、DN300直径的导波管开孔尺寸应分别为0.1m2、0.4m2、0.8m2、1.2m2。
 
4 结束语
综上所述,雷达液位计在石油储罐液位计量中的应用需关注多方面影响因素。本文涉及的雷达液位计的自动控制要点、雷达液位计的维护和故障处理要点、导波管制作要点等内容,则提供了可行性较高的雷达液位计应用路径。为更好地服务于石油储罐液位计量,必须重视圆形偏振光技术等新技术的应用。
 

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