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西門子雷達(dá)液位計在儲罐的應(yīng)用的探討

時間:2007-07-20 10:37:00來源:hanjuan

導(dǎo)語:?儲罐對液位測量的要求不同,一般可分為過程級及貿(mào)易級兩種。
摘要:本文分析介紹了西門子公司雷達(dá)液位測量技術(shù)應(yīng)用于各種常見的油品和液化氣的液位測量的可能的測量方案的選擇。 關(guān)鍵詞:雷達(dá) 液位測量 油罐 介電常數(shù) 液化氣 一、前言   儲罐是油田煉油廠、油庫、石油碼頭及各大石化企業(yè)普遍需要使用的存儲設(shè)備,通過對儲罐內(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)的測量,可以計算出儲罐中液體的體積量及質(zhì)量儲量,以實現(xiàn)現(xiàn)代化生產(chǎn)中對資產(chǎn)管理的需求。   儲罐對液位測量的要求不同,一般可分為過程級及貿(mào)易級兩種。貿(mào)易級液位計的精度要求非常高,需要對罐內(nèi)的進(jìn)行精確測量,一般要求測量精度達(dá)到±1mm;而過程級液位計的精度要求一般是在±5~15mm之間,相對而言對液位計測量可靠性和穩(wěn)定性要求更為嚴(yán)格,測量目的一般是為了防止油罐冒頂、抽真空等事故的發(fā)生。   各種儲罐的大小和種類各不相同,所測量介質(zhì)的特性和工藝條件也各不相同,因此只有從客戶的實際情況出發(fā),合理的選擇液位計及設(shè)計液位測量解決方案,才能使客戶的投資最優(yōu)化。 二、儲罐液位測量技術(shù)   目前用于儲罐的液位測量技術(shù)非常多。根據(jù)測量方式,可以分為接觸式和非接觸式。 接觸式測量方法主要有人工檢測尺、浮子式鋼帶液位計、伺服式液位計、靜壓式液位計、磁致伸縮液位計、射頻導(dǎo)納液位計等。   非接觸式測量方法主要有超聲波液位計、雷達(dá)液位計等。   其中目前市場上常用的可以滿足貿(mào)易級液位計要求的測量方式有:磁致伸縮液位計、伺服式液位計、雷達(dá)液位計、靜壓式液位計等,靜壓式液位測量系統(tǒng)(HTG)因為過于過于復(fù)雜,維護(hù)量大等缺點,使用量越來越少。而雷達(dá)液位計作為一種高精度的液位測量方式,因其量程大、安裝方便、維護(hù)量低等優(yōu)點,越來越多的得到客戶的認(rèn)可和接受;而且近幾年,雷達(dá)液位計的價格也逐年降低,也使很多普通的用戶也開始采用起雷達(dá)液位計作為儲罐的液位測量方案。 [align=center]表1、各種儲罐液位測量方式比較 [/align][/align] 三、雷達(dá)液位測量原理及特點   雷達(dá)液位計又稱微波液位計(Radar),是取英文詞組“RAdio Detection And Ranging”的詞頭字母而來的縮寫詞。微波物位計朝一個目標(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。   目前市場常見的微波物位計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)液位計采用線性的調(diào)制的高頻信號,一般都是采用10GHz或24GHz微波信號。它是一種基于復(fù)雜數(shù)學(xué)公式的間接測量方法,由頻譜計算出物位距離。天線發(fā)射出被線性調(diào)制的連續(xù)高頻微波信號并進(jìn)行掃描,同時接收返回信號。發(fā)射微波信號和返回的微波信號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,與超聲波技術(shù)相似,使用時差原理計算到介質(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。信號的傳播時間 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。它利用好幾萬個脈沖來 “掃描”容器并得到完整的回波圖。   雷達(dá)液位計的典型波段為 5.8 GHz、10GHz 、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)液位計的增益系數(shù)和波束角的大小和微波的波長以及雷達(dá)液位計的喇叭口尺寸大小有關(guān)系。因此,越來越多的雷達(dá)液位計制造商開始研發(fā)采用高頻率微波技術(shù)來改善雷達(dá)液位計的性能。同時,采用高頻技術(shù)后,可以在提高雷達(dá)性能的同時,大大縮小天線的尺寸,使安裝更加方便。   由于雷達(dá)液位計采用的微波是一種電磁波,在傳播的過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距的原理(TOF),對雷達(dá)液位計來說,不存在磨損等問題,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,相對其它液位測量方式,它的精度一般都能達(dá)到0.1%(全量程)的精度。由于雷達(dá)液位計具有這不可比擬的優(yōu)點,越來越多的儲罐用戶開始采用雷達(dá)液位計來替代其他技術(shù)。 四、解決方案   西門子公司從1998年推出第一臺智能化的雷達(dá)液位計IQ160開始,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,形成較齊全的產(chǎn)品線,能夠滿足各種不同過程工藝、介質(zhì)的測量需求。   Sitrans LR系列雷達(dá)目前包括Probe LR, LR200,LR300和LR400四個系列產(chǎn)品。   Probe LR是一款性價比極高的一款雷達(dá)液位計。它是一個兩線制回路供電的, 5.8GHz頻率雷達(dá)液位計,用于測量儲罐和過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、化學(xué)儲罐、化學(xué)反應(yīng)罐和長量程應(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程工藝的需求。
  Probe LR和LR200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米的儲罐的測量,及時用于測量介電常數(shù)較低的介質(zhì)(輕油、液化氣等)也能得到極好的測量效果。24GHz 和高信噪比的特性能得到非凡的信號反射,而與介質(zhì)的介電常數(shù)無關(guān)。它還具有先進(jìn)的回波處理算法,能為惡劣的固體應(yīng)用提供可靠的測量。它的測量精度為±5mm(如圖2)。
  根據(jù)儲罐介質(zhì)的特性,這里將各種儲罐測量分為輕油及原油、重油、瀝青、液化氣、腐蝕性介質(zhì)五種。 1、輕油的測量   典型的輕油介質(zhì)為汽油、石腦油、石油等。一般會產(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)液位計直接測量,可能會因信號過于微弱而導(dǎo)致失波,一般會要求安裝導(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量(如圖3)。導(dǎo)波管的制作要求為:金屬材質(zhì)(最好是304或316不銹鋼);內(nèi)壁光滑,無明顯焊縫(要求無縫焊或套焊);在合適的位置開排氣孔,一般在導(dǎo)波管的上部,開空面積根據(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穿透液面產(chǎn)生來自底部的錯誤信號。這個解決方案一般用于儲罐高度小于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,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),既可以實現(xiàn)測量輕油的液位。對于一些較高的儲罐,由于制作導(dǎo)波管的成本和安裝成本較高,而且很多較長的導(dǎo)波管在環(huán)境的變化下,可能會導(dǎo)致一定的變形影響雷達(dá)液位計的測量效果和精度,因此,選擇高頻的Sitrans LR400用于測量大量程的輕油儲罐的總體投資成本將會比低頻雷達(dá)解決方案更經(jīng)濟(jì)適用。 2、重油的測量   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 LR或LR200直接測量(如圖4)。
3、瀝青的測量   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維持,伴隨著高溫一般都會有一定的水蒸氣;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;但水蒸氣一般會導(dǎo)致冷凝水的產(chǎn)生,經(jīng)試驗表明,桿式天線對冷凝水的敏感程度要小于喇叭口天線,因為桿式天線的有效發(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?。?;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量瀝青。
  因此,對于儲罐內(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DN150(6”);而對于溫度較高,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天線對口徑較小的安裝立管的屏蔽效果較好,但是屏蔽長度如果選得太短了,無法延長;采用全PTFE的天線的屏蔽段長度可以根據(jù)安裝立管的長度自由方便地延長,但是在小口徑(≤DN80)的安裝立管會對天線的工作產(chǎn)生影響。因此,最好在安裝雷達(dá)液位計安,應(yīng)對安裝立管的口徑和長度提出要求。 4、液化氣的測量   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。   主要的特點是:介電常數(shù)一般都非常低(1.5~1.8);高壓低溫儲存;防爆要求;通常用球罐存儲,球罐的高度一般在10~28m不等。   目前的雷達(dá)液位計測量液化氣主要有兩種方式。   一種是利用旁通管,使用低頻雷達(dá)(Sitrans LR200)測量。由于這種方式對旁通管制作的要求非常高,很容易因為旁通管質(zhì)量不理想,而導(dǎo)致使用效果不佳;甚至在一些量程較大的球罐應(yīng)用中,由于旁通管過長,很容易發(fā)生扭曲的現(xiàn)象,使雷達(dá)液位計無法測量。使用LR200安裝在旁通管或?qū)Рü苌蠝y量液化氣的解決方案,由于種種原因,鮮有成功的案例。   另一種采用高頻雷達(dá)對低介電常數(shù)介質(zhì)的良好發(fā)射特性,直接測量液化氣液面。   Sitrans LR400能夠直接測量介電常數(shù)低至1.5的介質(zhì),可以滿足液化氣的測量。安裝位置可以選在球罐的頂上,在球罐頂部直接開孔,為了保證維護(hù)的方便,一般需要在LR400安裝在帶球閥的安裝立管(建議DN>150為佳)上,方便隨時拆下來維護(hù);或者安裝在較粗的旁通管(直徑6~10”以上)上。
  Sitrans LR400在國內(nèi)的獨山子石化煉油廠應(yīng)用,并取得了良好的使用效果。根據(jù)現(xiàn)場的使用測試,發(fā)現(xiàn)LR400的測量精度和重復(fù)性均能達(dá)到非常好的效果。 5、腐蝕性介質(zhì)的測量   典型的腐蝕性介質(zhì)包括:硫酸、硝酸、燒堿、鹽酸等。   大部分腐蝕性介質(zhì)的介電常數(shù)都較高;伴有不同程度的揮發(fā)性氣體(煙霧);不同濃度的腐蝕性介質(zhì)對不同的雷達(dá)天線材料有不同的腐蝕性要求;很多腐蝕性介質(zhì)的揮發(fā)性氣體具有一定的滲透能力,再一段時間的使用后,可能會滲透到儀表電子部分或天線的電機(jī)發(fā)射部分而損壞雷達(dá)液位計。   采用何種雷達(dá)天線來測量腐蝕性介質(zhì),一般需要事先查化學(xué)兼容表來確認(rèn)。 [align=center]表2:各種雷達(dá)液位計對常見腐蝕性介質(zhì)的兼容性 [/align]   考慮到很多腐蝕性介質(zhì)的揮發(fā)性氣體也具有一定腐蝕性和滲透性,因此一般會選擇一體化法蘭墊片的選項來防止揮發(fā)性氣體對法蘭的腐蝕和通過法蘭連接處進(jìn)行滲透。   另外,很多酸堿儲罐會產(chǎn)生很多水蒸氣和泡沫。這需要根據(jù)實際情況來進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇:水蒸氣產(chǎn)生冷凝水嚴(yán)重的應(yīng)用,可以考慮采用桿式天線;泡沫的厚薄和成分不同,對微波是否能穿透泡沫進(jìn)行準(zhǔn)確地液位測量起至關(guān)重要的作用,需要具體的分析和更多的經(jīng)驗的積累。 五、結(jié)束語   通過近幾年對雷達(dá)液位計在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用研究,以及西門子不斷進(jìn)行新產(chǎn)品新技術(shù)的研發(fā),西門子雷達(dá)液位計在各種儲罐的應(yīng)用也越來越成熟,成功的案例也越來越多。筆者相信隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和成熟,雷達(dá)液位計會逐步成為儲罐液位測量的主流。 參考文獻(xiàn): 1、西門子(中國)有限公司,物位測量技術(shù),2005,1 2、王新生.基于微波法的儲油罐液位測量.自動化儀表.2001,6,27-30 3、黃波. Siemens雷達(dá)液位計在復(fù)雜工況中的測量試驗.化工自動化及儀表.2005.8月.第4期,P80-81,文章編號:100-3932(2005)(04)-0080-02 4、姬曉波,涂亞慶,任開春,張海濤. 雷達(dá)液位儀測量原理的分析及應(yīng)用探討,石油化工自動化,2005.1,第一期,P68-70 5、董軍, 高精度脈沖雷達(dá)在原油罐中的應(yīng)用.石油化工自動化,2002,(2):76~ 77,79 6、吳彥紅,艾宏圖, 雷達(dá)液位計在液化烴球罐上的應(yīng)用,石油化工自動化,2003.5:65~67,70 7、羅東曉,朱志英,李偉宜,張秀忠,湛順, LPG儲罐庫存量的準(zhǔn)確計算,化工技術(shù)市場,2003,9:10~11 8、王鵬飛,李著信,方雪, 幾種常見油罐液位計的性能特點及選用,重慶工業(yè)高等??茖W(xué)校學(xué)報,2004,2:31-32,45

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