陳桂華 郭 猛

0 引言

在石化行業(yè)的石油煉制過程中，液化石油氣儲罐的液位測量和液體計(jì)量是一項(xiàng)常態(tài)化的工作。由于液化氣的介電常量εr<1.9，通常的微波或超聲波等在液化氣中的傳播能量會減弱，因而降低了測量精度，而液化氣球罐內(nèi)氣相壓力的變化對傳統(tǒng)的接觸式液位測量儀表測量精度的影響很大，因此對液化氣液位的測量沒有有效的方法，對液態(tài)液化氣的計(jì)量也沒有一個(gè)很好的解決辦法，這一問題已經(jīng)困擾我們多年。特別是在石油貿(mào)易方面經(jīng)常會因?yàn)橛?jì)量誤差而產(chǎn)生不必要的貿(mào)易摩擦，而傳統(tǒng)的計(jì)量方式又達(dá)不到需要的精度，因此，必須找到一種測量精度高，又能與石油化工自動化很好地結(jié)合的液位測量儀表。Rosemount公司生產(chǎn)的用于液位測量和儲罐液體計(jì)量的SAAB雷達(dá)液位計(jì)，其微波的傳播能量不受惰性氣體及液化氣的影響，很好地解決了這些問題。該液位計(jì)及其Tank Master系統(tǒng)已經(jīng)于2012年在大連石化公司儲運(yùn)車間升級后投入使用，因計(jì)量誤差較小，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 雷達(dá)液位計(jì)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 雷達(dá)液位計(jì)的結(jié)構(gòu)

雷達(dá)液位計(jì)由雷達(dá)頭、導(dǎo)波單元和喇叭形天線、數(shù)據(jù)采集單元和上位機(jī)監(jiān)控軟件組成。雷達(dá)頭內(nèi)部包括微波發(fā)生器、電源卡、信號處理卡、模擬(電流)回路卡、和現(xiàn)場通訊卡等部件。

1)微波發(fā)生器：產(chǎn)生9.6～10.3GHz的微波信號。

2)電源卡：接收220V交流供電，并向雷達(dá)頭內(nèi)部各卡件/部件提供電源。

3)信號處理卡：通過該卡將雷達(dá)液位計(jì)的信號(液位信號、溫度信號、壓力信號等)進(jìn)行處理，再通過遠(yuǎn)程編程來保存這些特定監(jiān)測器數(shù)據(jù)，傳送至現(xiàn)場通訊單元FCU，F(xiàn)CU再與上位機(jī)進(jìn)行通訊。

4)模擬(電流)回路卡：接收本安的4～20mA電流輸入信號，并提供對應(yīng)的4～20mA輸出電流，用于現(xiàn)場顯示儀表，也用于向SPC(信號處理卡)提供信號。

5)現(xiàn)場通訊卡：負(fù)責(zé)處理與外部裝置的通信， 不同的現(xiàn)場通信卡件對應(yīng)不同的協(xié)議 (Hart、FF、Modbus等)。本系統(tǒng)中的現(xiàn)場通訊卡對應(yīng)的是Modbus協(xié)議。

1.2 雷達(dá)液位計(jì)的工作原理

如上文所述，雷達(dá)頭內(nèi)部的微波發(fā)生器產(chǎn)生9.6～10.3GHz的微波信號，該微波信號通過導(dǎo)波單元沿水平方向到達(dá)微波連接器，經(jīng)旋轉(zhuǎn)90°后，沿著微波連接器到達(dá)圓錐形天線并向下發(fā)射。當(dāng)微波遇到障礙物(金屬、液面等)時(shí)，一部分被吸收，一部分到達(dá)被測介質(zhì)表面后反射折回，由于能量損失，反射波的頻率有所降低，其頻差與此時(shí)儲罐的空高成正比(儲罐空高=儲罐總高-實(shí)際液位高度)。信號處理單元對此信號進(jìn)行處理和計(jì)算，得到儲罐液位的實(shí)際高度值：

L=LTX+LTC+R-G-S

式中：雷達(dá)液位計(jì)的參考點(diǎn)以用戶提供的一次連接法蘭為基準(zhǔn)點(diǎn)；LTX為雷達(dá)頭電氣單元的長度，該數(shù)值標(biāo)明在儀表的銘牌上，為固定值；LTC為雷達(dá)頭的連接高度；R為儲罐的參考高度，由人工檢尺口到零液位基準(zhǔn)點(diǎn)的位置，液化氣球罐屬壓力容器，應(yīng)密閉，沒有人工檢尺口，這里的R就是球罐的實(shí)際高度；G為人工檢尺口到一次法蘭的距離，在這里G視為零；S為儀表測量的空高，即微波發(fā)射單元到液體表面的距離。

從上式可以看出，LTX、G、R均為固定值，S值取決于被測液位的高度，LTC以雷達(dá)液位計(jì)的參考點(diǎn)為基準(zhǔn)，通過調(diào)整該值來調(diào)整儀表的精度。LTX、G、R、LTC均需要通過上位機(jī)組態(tài)軟件(Tank Master)將這些參數(shù)值輸入到組態(tài)軟件中。

如#21罐雷達(dá)液位計(jì)相關(guān)安裝參數(shù)為：LTX=960mm，G=0mm，R=24780mm，LTC=1186mm。

組態(tài)完成后，儀表投入試運(yùn)行，進(jìn)行儀表計(jì)量精度的鑒定。

2 雷達(dá)液位計(jì)校驗(yàn)

2.1 軟件組態(tài)

組態(tài)相對比較復(fù)雜，系統(tǒng)組態(tài)主要采用 Tank Master軟件，一般用戶只需設(shè)置幾個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)： 罐高、量程(液位計(jì)量程必須和系統(tǒng)設(shè)置一致，否則系統(tǒng)畫面顯示的液位就會和雷達(dá)不匹配) 、介電常數(shù)、盲區(qū)以及所使用的天線類型和尺寸，其余參數(shù)已在出廠時(shí)設(shè)置完畢，用戶按默認(rèn)即可。

2.2 液位計(jì)校驗(yàn)

系統(tǒng)組態(tài)后，用Winsetup程序?qū)Π惭b在儲罐內(nèi)導(dǎo)波管上的參考針的安裝位置進(jìn)行校驗(yàn)，即對液位計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)。校驗(yàn)步驟如下：

1)STEP1:將現(xiàn)場取壓球閥打開，使“TEST-OPERATION”開關(guān)在OPERATION狀態(tài)。

2)STEP2:在Tank Master系統(tǒng)中進(jìn)入WinSetup，選中某儀表設(shè)備，例如：LP-1，右鍵點(diǎn)擊選擇“LPG Setup”。

3)STEP3:在“LPG Setup”窗口選擇“Correction”，因?yàn)樵谛ｒ?yàn)時(shí)罐內(nèi)無介質(zhì)，充滿空氣，在糾正方法菜單中選擇Air Only。

4)STEP4: 在“LPG Setup”對話框中選擇“Pressure”，在Pressure對話框中選擇壓力源。并在“LPG Setup”對話框中選擇“Temperature”，在Temperature對話框中選擇需要的溫度源，壓力源與溫度源均為雷達(dá)液位做補(bǔ)償。

5)STEP5: 使“TEST-OPERATION”開關(guān)在TEST狀態(tài)。

6)STEP6:選中需要校驗(yàn)的設(shè)備，右鍵點(diǎn)擊選擇“LPG Setup”對話框，在此對話框中選擇“Verify pins”。

7)STEP7:在Verify pins對話框中點(diǎn)擊“Start”，系統(tǒng)開始運(yùn)行校驗(yàn)參考針的位置。校驗(yàn)完畢后，已校驗(yàn)的參考針的位置與已組態(tài)的參考針的實(shí)際安裝位置之間的誤差須不大于2mm，如果大于2mm，則需修改組態(tài)值，再回到上述STEP6，重新校驗(yàn)，直至符合要求。

3 儀表在計(jì)量中的應(yīng)用

按以下步驟對#21罐的液位顯示值進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)過程中將現(xiàn)場儀表的讀數(shù)和雷達(dá)液位計(jì)的顯示值分別填入表1中。

3.1 讀取現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)

因?yàn)閮拊陟o止?fàn)顟B(tài)下，液面相對穩(wěn)定，為了確保校驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，校驗(yàn)時(shí)間選擇在儲罐收料或付料結(jié)束(即儲罐處于靜止?fàn)顟B(tài))2h后進(jìn)行?，F(xiàn)場儀表是玻璃板液位計(jì)，為了減小因視線偏差及其他因素造成的對玻璃板液位計(jì)讀數(shù)的影響，每次校驗(yàn)時(shí)，現(xiàn)場儀表都要進(jìn)行連續(xù)3次的獨(dú)立測量，將3次測量的結(jié)果計(jì)算算術(shù)平均值(LFEL)填入表1。

3.2 雷達(dá)液位計(jì)讀數(shù)

每次記錄下對應(yīng)時(shí)間雷達(dá)液位計(jì)的顯示數(shù)值(LTRL)，填入表1中。為了確保讀數(shù)的準(zhǔn)確性，校驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)分布于儲罐的整個(gè)液位高度范圍內(nèi)，至少從儲罐液位的1/4到儲罐液位的3/4處均勻分布幾個(gè)校驗(yàn)點(diǎn)。對#21罐的液位校驗(yàn)，選取了5個(gè)檢測點(diǎn)，計(jì)算誤差值。

表1 #21罐雷達(dá)液位計(jì)校驗(yàn)數(shù)據(jù)表 mm

計(jì)算在每個(gè)校驗(yàn)點(diǎn)現(xiàn)場儀表的讀數(shù)(均值)與雷達(dá)液位計(jì)顯示值的誤差，并將此差值填入表1。ΔL=LFEL-LTRL

校驗(yàn)結(jié)果表明，雷達(dá)液位儀的測試數(shù)據(jù)具有較好的重復(fù)性，在儲罐停止作業(yè)的情況下和現(xiàn)場儀表的精度比對在±4mm以內(nèi)。SAAB雷達(dá)液位計(jì)可以精確測量儲罐內(nèi)的液位，能滿足液化石油氣儲罐過程監(jiān)控和液位計(jì)量的要求。

4 產(chǎn)生的效益

1)勞動強(qiáng)度的降低。由于儀表精度高，完全滿足測量要求，將原來需要對動態(tài)罐每兩小時(shí)人工抄錄現(xiàn)場儀表一次改為每班一次，大大降低了操作者的勞動強(qiáng)度。

2)罐區(qū)操作風(fēng)險(xiǎn)的降低。一是操作者上罐次數(shù)的減少，減少了人身安全事故的發(fā)生；二是雷達(dá)液位計(jì)可以做到連續(xù)監(jiān)測液位，消除人工抄錄只能兩小時(shí)監(jiān)測一次液位的弊端，確保儲罐進(jìn)料液位受控，基本杜絕了冒罐事故。

3)維修次數(shù)的減少及維修費(fèi)用的降低。采用雷達(dá)液位計(jì)以后，由于是非接觸測量，避免了因石油產(chǎn)品成分復(fù)雜、雜質(zhì)多等因素造成的對測量儀表的堵塞。另外系統(tǒng)抗腐蝕性強(qiáng)，易于清理，精度高，無可動部件，工作可靠，故障率低，基本可免于維修。

4)軟件功能強(qiáng)大、實(shí)用，方便了操作人員。隨機(jī)附帶的計(jì)量管理系統(tǒng)不但可以在操作站上即時(shí)顯示液位高度、溫度、壓力等參數(shù)，還可以顯示質(zhì)量、體積等參數(shù)的瞬時(shí)量和累計(jì)量。

5 結(jié)束語

液化石油氣球罐液面上的氣相介質(zhì)會降低雷達(dá)波的傳播速度，從而影響雷達(dá)的測量精度，所以對于液化氣球罐的液位測量而言，必須對蒸汽的影響進(jìn)行修正，修正必須知道罐內(nèi)蒸汽真實(shí)的壓力和溫度。SAAB雷達(dá)液位計(jì)上安裝一個(gè)一體化的壓力傳感器的和一個(gè)外接的溫度傳感器，用于測量球罐內(nèi)的壓力和溫度。計(jì)算罐內(nèi)蒸汽的數(shù)量是應(yīng)用基本的氣體定律，可達(dá)到±4mm的液位精度。

雷達(dá)測量是非接觸測量，沒有機(jī)械磨損，SAAB雷達(dá)液位計(jì)的平均無故障時(shí)間(MTBF)大于65年，至少比機(jī)械式的液位計(jì)高出一個(gè)數(shù)量級。

SAAB雷達(dá)液位計(jì)具有獨(dú)特的校驗(yàn)功能，通過測量安裝在導(dǎo)波管上已知位置的參考鋼針，即可以在整個(gè)量程的不同位置校驗(yàn)雷達(dá)的精度。雷達(dá)液位計(jì)的讀數(shù)不會受到產(chǎn)品密度變化的影響，液面的波動也不會影響雷達(dá)的可靠性。

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