尚 峰

（神華工程技術(shù)有限公司安徽分公司，安徽合肥 230000）

自動(dòng)化程度和計(jì)量精度較低的傳統(tǒng)液位計(jì)無(wú)法滿足高精確性計(jì)量要求，這使得具備可重復(fù)利用、易于安裝維護(hù)、自動(dòng)化程度高、計(jì)量精確性高等優(yōu)勢(shì)的雷達(dá)液位計(jì)廣泛用于石油儲(chǔ)罐液位計(jì)量。為更好應(yīng)用雷達(dá)液位計(jì)，本文圍繞石油儲(chǔ)罐液位計(jì)量開(kāi)展了具體研究。

1 雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量原理和測(cè)量特點(diǎn)

1.1 測(cè)量原理

雷達(dá)液位計(jì)的工作流程可細(xì)分為三個(gè)環(huán)節(jié)，即發(fā)射、反射、接收。發(fā)射指的是發(fā)射電磁波信號(hào)，反射指的是被測(cè)油表面將發(fā)射的電磁波信號(hào)反射回來(lái)，接收則是指接收到反射回來(lái)的電磁波信號(hào)，雷達(dá)液位計(jì)會(huì)根據(jù)接收信號(hào)自動(dòng)計(jì)算并得出石油儲(chǔ)罐液位測(cè)量結(jié)果。基于物理原理進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，電磁波到液面的距離與其發(fā)射到接收的時(shí)間成正比，具體關(guān)系式為：

式中，C、D、T 分別為光速、雷達(dá)液位計(jì)到液面的距離、電磁波運(yùn)行時(shí)間，由此即可完成石油儲(chǔ)罐液位計(jì)量。

1.2 測(cè)量特點(diǎn)

石油儲(chǔ)罐液位計(jì)量中的雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用主要具備五方面特點(diǎn)。

（1）測(cè)量方式可靠。由于采用不接觸方式進(jìn)行石油儲(chǔ)罐液位計(jì)量，雷達(dá)液位計(jì)可基于自身穩(wěn)定的零部件和設(shè)備得出可靠測(cè)量結(jié)果。

（2）測(cè)量結(jié)果精度較高。外界因素對(duì)雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用帶來(lái)的影響較小，由此開(kāi)展的石油儲(chǔ)罐液位計(jì)量可得到較高的測(cè)量數(shù)據(jù)精度，測(cè)量結(jié)果可信度較高。

（3）使用簡(jiǎn)單。雷達(dá)液位計(jì)的成本較低、維修便利、操作簡(jiǎn)單，設(shè)備占用空間較小，安裝、保養(yǎng)、維修也較為方便，其本身具備的防錯(cuò)功能可更好地服務(wù)于石油儲(chǔ)罐液位計(jì)量。

（4）適用性能較強(qiáng)。對(duì)于應(yīng)用較為廣泛的雷達(dá)液位計(jì)來(lái)說(shuō)，其能夠用于儲(chǔ)存油種類(lèi)較多的石油儲(chǔ)罐，在高溫高壓等介質(zhì)下的應(yīng)用可直觀證明雷達(dá)液位計(jì)的優(yōu)勢(shì)。

（5）節(jié)省能源且效率較高。石油儲(chǔ)罐液位計(jì)量中的雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用在效率、節(jié)能方面表現(xiàn)出色，人工成本也相對(duì)較低。

2 石油儲(chǔ)罐液位計(jì)量中雷達(dá)液位計(jì)的應(yīng)用要點(diǎn)

2.1 雷達(dá)液位計(jì)的選型要點(diǎn)

對(duì)于種類(lèi)繁多的雷達(dá)液位計(jì)來(lái)說(shuō)，為更好地服務(wù)于石油儲(chǔ)罐液位計(jì)量，雷達(dá)液位計(jì)的選型必須得到重視，具體選型需考慮被測(cè)介質(zhì)的黏度、密度、溫度、壓力、腐蝕性等特性。雷達(dá)液位計(jì)使用性能受到的影響也需要深入分析，需結(jié)合特定工況下介質(zhì)的特性合理選擇雷達(dá)液位計(jì)的天線和表頭。如罐體形狀復(fù)雜、體積較小，或需要對(duì)多種液體分界面進(jìn)行測(cè)量，導(dǎo)波纜天線雷達(dá)液位計(jì)的實(shí)用性更高。對(duì)于介質(zhì)易揮發(fā)、高溫、高壓、腐蝕的測(cè)量環(huán)境復(fù)雜罐體，需設(shè)法保證介質(zhì)與雷達(dá)液位計(jì)不接觸，以保證介質(zhì)的化學(xué)和物理性質(zhì)不會(huì)對(duì)液位計(jì)本身造成損傷或影響其精度，具體常采用非接觸天線雷達(dá)液位計(jì)。雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量精度選擇需結(jié)合介質(zhì)測(cè)量目的，可使用精度相對(duì)較低的雷達(dá)液位計(jì)用于內(nèi)部成本核算，選用高精度的雷達(dá)液位計(jì)用于貿(mào)易交接。為節(jié)約投資，可選用性價(jià)比高的雷達(dá)液位計(jì)，但這需要以計(jì)量精度滿足需求為前提?？紤]到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)效率直接受雷達(dá)液位計(jì)的精度、使用壽命、日常維護(hù)影響，因此還需要關(guān)注雷達(dá)液位計(jì)廠家提供的售后服務(wù)及設(shè)備本身質(zhì)量。此外，雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量頻率與范圍、測(cè)量罐體與雷達(dá)的連接方式、信號(hào)傳輸方式、信號(hào)輸出協(xié)議、防爆/防護(hù)等級(jí)等因素也需要得到 重視。

2.2 雷達(dá)液位計(jì)的安裝要點(diǎn)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)石油儲(chǔ)罐介質(zhì)液位高精度無(wú)故障測(cè)量，雷達(dá)液位計(jì)在石油儲(chǔ)罐上的正確安裝極為關(guān)鍵，具體安裝需從機(jī)械和電氣兩部分入手。以拋物面型天線雷達(dá)液位計(jì)（ROSEMENT）的機(jī)械安裝和電氣部分安裝為例，機(jī)械安裝需重點(diǎn)關(guān)注傾斜度、自由空間、噴嘴，本體的機(jī)械安裝也需要得到重視。基于傾斜度，需關(guān)注儲(chǔ)罐中心線與液位計(jì)中軸線傾斜度不同帶來(lái)的影響，這會(huì)導(dǎo)致反射波和發(fā)射波影響雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量精度，因此需要在儲(chǔ)罐噴嘴上使用法蘭球安裝雷達(dá)液位計(jì)，變送器的傾斜度需基于水準(zhǔn)儀調(diào)整，具體需控制在1.5°內(nèi)；基于自由空間，需關(guān)注雷達(dá)波束寬度，如拋物面型天線液位計(jì)為10°，自由空間指的是從罐頂?shù)綔y(cè)量零點(diǎn)之間且處于波束范圍內(nèi)的空間。如任何障礙存在于自由空間范圍內(nèi)，如2″以上直徑的管道及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋，雷達(dá)波信號(hào)會(huì)受到干擾，雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量效果也會(huì)受到影響，因此具體安裝需做好自由空間內(nèi)的障礙物規(guī)避；基于噴嘴，如采用φ0″的噴嘴，需存在最高0.5m 的噴嘴高度，同時(shí)高度隨直徑增大而升高。具體安裝還需要保證噴嘴底端與拋物面反射器邊緣間存在5°以內(nèi)的夾角，雷達(dá)波束的自由通道可由此形成，雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量精度可得到更好控制；基于本體，需關(guān)注表頭、噴嘴、天線的連接，具體安裝需采用水準(zhǔn)儀，以此控制儲(chǔ)罐中心線與天線和表頭的傾角。

雷達(dá)液位計(jì)電氣部分安裝需首先需要確定配備的模擬輸出，電源線與信號(hào)線在有源模擬輸出下可共用一對(duì)線，無(wú)源模擬輸出需保證雷達(dá)液位計(jì)單獨(dú)供電，否則將出現(xiàn)儀表?yè)p壞和信號(hào)丟失的問(wèn)題。雷達(dá)液位計(jì)電氣部分接線模式可細(xì)分為本安和非本安，非本安電源、繼電器、TRL/2總線連接采用非本安接線盒，溫度傳感器、模擬輸入、顯示板RDU40、數(shù)據(jù)采集單元DAU 采用本安接線盒。接線方式受到通信協(xié)議差異的影響也需要重視，對(duì)于雷達(dá)液位計(jì)存在的較為復(fù)雜的電氣部分安裝內(nèi)容，具體可細(xì)分為電源接線和信號(hào)接線?；陔娫唇泳€，考慮到雷達(dá)液位計(jì)需要用于測(cè)量石油儲(chǔ)罐油液位置，因此使用電氣接線必須符合石油儲(chǔ)罐所在區(qū)域安全等級(jí)，同時(shí)使用符合相關(guān)供電電壓準(zhǔn)則的電纜，需要以通過(guò)危險(xiǎn)區(qū)域的認(rèn)證為依據(jù)。為適應(yīng)連接48～99VDC、34～70VAC、100～240VAC的電源電壓，整流器卡件TRC 需內(nèi)置于液位變送器中，其自動(dòng)調(diào)整功能可實(shí)現(xiàn)靈活的供電，具體需要在接線盒電源端L1+和L2-上連接供電電源線；基于信號(hào)線的連接，上位機(jī)與雷達(dá)液位計(jì)的連接需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線調(diào)制解調(diào)器FBM、現(xiàn)場(chǎng)通信單元FCU、TRL/2現(xiàn)場(chǎng)總線。TRL/2Modbus 信號(hào)可通過(guò)FBM 轉(zhuǎn)換為通用協(xié)議RS232信號(hào)，TRL/2總線可用于8個(gè)單元連接。在上位機(jī)連接TRL/2總線與變送器后，需采用專用軟件進(jìn)行變送器的初始化和組態(tài)，同時(shí)對(duì)石油儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)的體積、溫度、液位等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。此外，還需要關(guān)注Hart 協(xié)議手操器、遠(yuǎn)傳顯示單元RDU40、數(shù)據(jù)采集單元DAU、單點(diǎn)和多點(diǎn)溫度傳感器、模擬輸入/輸出、繼電器等擴(kuò)展外圍設(shè)備的接線，具體設(shè)置和安裝應(yīng)遵循說(shuō)明書(shū)要求。

2.3 雷達(dá)液位計(jì)的自動(dòng)控制要點(diǎn)

為實(shí)現(xiàn)石油儲(chǔ)罐液位計(jì)量中雷達(dá)液位計(jì)的自動(dòng)控制，需要將雷達(dá)液位計(jì)接線盒引出的數(shù)據(jù)線與電源線進(jìn)行匯總，匯總到現(xiàn)場(chǎng)總線接口單元和電源梳理器，為連接至工控機(jī)需使用RS485/232串行通信接口，罐區(qū)參數(shù)和軟件組態(tài)的初始化設(shè)置也需要同時(shí)完成。如需要本安隔離現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)線，DCS 的I/O端子前需設(shè)置安全柵。罐區(qū)介質(zhì)液位的變化情況可基于DCS系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀察，自動(dòng)控制可結(jié)合罐區(qū)進(jìn)/出口閥門(mén)實(shí)現(xiàn)，并做到所需位置介質(zhì)液位的自動(dòng)維持，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自/手動(dòng)控制罐區(qū)液位、實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)的即時(shí)掌握、液位曲線圖分析、歷史/實(shí)時(shí)的設(shè)備和生產(chǎn)運(yùn)行情況查看，雷達(dá)液位計(jì)低精度計(jì)量現(xiàn)象因人為干預(yù)而出現(xiàn)的問(wèn)題可由此規(guī)避。

2.4 雷達(dá)液位計(jì)的維護(hù)和故障處理要點(diǎn)

為延長(zhǎng)雷達(dá)液位計(jì)使用壽命，必須做好維護(hù)工作，保證雷達(dá)液位計(jì)的高精度測(cè)量能夠長(zhǎng)時(shí)間保持，日常維護(hù)應(yīng)在專業(yè)人員指導(dǎo)下或由專業(yè)人員負(fù)責(zé)，具體維護(hù)需關(guān)注接地保護(hù)、瞬間過(guò)激電壓保護(hù)、干擾信號(hào)、接線端口等方面內(nèi)容?；诮拥乇Ｗo(hù)，需關(guān)注漏電帶來(lái)的正常信號(hào)傳輸干擾和電器元件破壞，接地需選擇控制室機(jī)柜信號(hào)接口處和雷達(dá)表頭處任一端；基于瞬間過(guò)激電壓保護(hù)，雖然雷達(dá)液位計(jì)本身具備瞬間過(guò)激電壓保護(hù)功能，仍需要盡可能規(guī)避雷電經(jīng)?；顒?dòng)區(qū)域，外部雷擊保護(hù)措施的合理選用也需要得到重視；基于干擾信號(hào)，需重點(diǎn)關(guān)注液位在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的強(qiáng)烈波動(dòng)并針對(duì)性開(kāi)展原因分析和故障排查，信號(hào)變?nèi)蹩赡芤蛱炀€下方出現(xiàn)障礙物并引發(fā)測(cè)量偏差，因此，揮發(fā)性較強(qiáng)介質(zhì)的測(cè)量需定期清洗天線；基于接線端口，需密封隔離現(xiàn)場(chǎng)接線端子，可規(guī)避液體侵入引發(fā)的電路板和接線端子腐蝕、電源短路問(wèn)題。此外，還需要關(guān)注雷達(dá)液位計(jì)的故障處理，以雷達(dá)波信號(hào)無(wú)法到達(dá)罐底為例，多方面因素均可能引發(fā)這類(lèi)故障，如有電流漂移產(chǎn)生、電磁干擾存在于液位計(jì)附近、干擾信號(hào)的物質(zhì)附著于導(dǎo)波纜天線上、導(dǎo)波天線彎曲、障礙物存在于安裝導(dǎo)管內(nèi)?；谏鲜隹赡芤l(fā)故障的原因，圍繞天線外觀污垢、天線周?chē)缮嫖?、?dǎo)波纜長(zhǎng)度、重錘與定心環(huán)開(kāi)展針對(duì)性的故障排查，以確定故障源頭并針對(duì)性處理，可使雷達(dá)液位計(jì)更好地服務(wù)于石油儲(chǔ)罐液位計(jì)量。

3 實(shí)例分析

3.1 項(xiàng)目概況

為提升研究的實(shí)踐價(jià)值，以體積為20 000m3的常溫汽油內(nèi)浮頂罐作為研究對(duì)象，該石油儲(chǔ)罐的外形尺寸為38000mm× 17820mm，采用雷達(dá)液位計(jì)型號(hào)為ROSE-MENT5900，選用10GHz 左右信號(hào)發(fā)射頻率的帶導(dǎo)波管陣列天線，天線存在小于1mW 的微波功率，同時(shí)存在1.9左右的汽油介電常數(shù)，為適應(yīng)具體工況，采用8寸法蘭連接雷達(dá)液位計(jì)。雷達(dá)液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有儲(chǔ)罐Hub 終端與液位變送器組成，Hub 回路負(fù)責(zé)液位變送器供電，采用FFTankbus 現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐內(nèi)液體密度測(cè)量，將壓力變送器設(shè)置于罐底，儲(chǔ)罐Hub 通過(guò)FF 總線與壓力變送器通信。

通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)罐Hub 基于非本安和本安分為2個(gè)腔體，本安側(cè)通過(guò)FFTankbus 現(xiàn)場(chǎng)總線與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接，非本安側(cè)與機(jī)柜室TCU 的通信采用TRL/2總線。在雷達(dá)液位的過(guò)程控制中，SIL1情況下（用于安全儀表系統(tǒng)）僅存在一個(gè)終端電阻于儀表內(nèi)部，終端電阻在SIL2/3情況下不設(shè)置?；谙嚓P(guān)規(guī)范要求，需保證FISCO 應(yīng)滿足相應(yīng)條件。項(xiàng)目采用1.5mm2屏蔽雙絞電纜作為FFTankbus 電纜，采用TRL/2總線用于機(jī)柜室內(nèi)儲(chǔ)罐通信單元與儲(chǔ)罐Hub 間的物理層協(xié)議，同時(shí)采用具備通信距離遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)優(yōu)勢(shì)的頻移數(shù)字通信技術(shù)。項(xiàng)目電纜可實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)2.5km 的通信，連接成整體的TCU充分考慮現(xiàn)場(chǎng)眾多設(shè)備的重要性，并設(shè)計(jì)為冗余。

3.2 安裝要求

在具體的雷達(dá)液位計(jì)安裝中，考慮到測(cè)量精度直接受到安裝位置影響，因此具體安裝重點(diǎn)關(guān)注了六方面內(nèi)容。第一，需保證15%的儲(chǔ)罐底板與雷達(dá)液位計(jì)安裝法蘭面間高度小于雷達(dá)液位計(jì)儲(chǔ)罐開(kāi)口位置離開(kāi)儲(chǔ)罐內(nèi)壁距離，該限制在使用導(dǎo)波管時(shí)可以忽略；第二，為保證進(jìn)入儲(chǔ)罐內(nèi)部的信號(hào)波不受到阻礙，雷達(dá)液位計(jì)接口的連接管及法蘭需存在250mm 內(nèi)的總長(zhǎng)度；第三，在應(yīng)用導(dǎo)波管時(shí)，需保證導(dǎo)波管垂直向下并存在≤0.5°的偏差及±1°的水平度；第四，為規(guī)避波動(dòng)位移，需充分考慮安裝時(shí)的儲(chǔ)罐頂板強(qiáng)度；第五，應(yīng)避過(guò)內(nèi)部障礙物設(shè)置雷達(dá)波路徑，攪拌器、加熱管、支撐架帶來(lái)的影響均需要得到重視；第六，需關(guān)注液位條件帶來(lái)的影響，如避開(kāi)進(jìn)料口產(chǎn)生的泡沫及紊流。

3.3 導(dǎo)波管制作要點(diǎn)

導(dǎo)波管制作質(zhì)量同樣直接影響雷達(dá)液位計(jì)在石油儲(chǔ)罐液位計(jì)量中的應(yīng)用，對(duì)于項(xiàng)目采用的常溫汽油內(nèi)浮頂罐，必須使用導(dǎo)波管，介質(zhì)液面產(chǎn)生泡沫或存在波動(dòng)的情況也需要加設(shè)導(dǎo)波管。導(dǎo)波管不應(yīng)隨設(shè)備成套購(gòu)入，而是需要結(jié)合具體工況由施工單位針對(duì)性制作。在本文研究的項(xiàng)目中，導(dǎo)波管制作嚴(yán)格遵循了四方面要求。

（1）采用碳鋼或不銹鋼作為導(dǎo)波管材質(zhì)；

（2）采用整根的導(dǎo)波管，如特殊情況下需要加長(zhǎng)導(dǎo)波管，需采用外夾套焊接方法，同時(shí)保證焊接內(nèi)壁不存在毛刺及焊縫，且同時(shí)存在1.0mm 內(nèi)的間隙，否則雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量精度將受到影響；

（3）基于100～150mm 控制罐底板與導(dǎo)波管底距離，同時(shí)設(shè)置雷達(dá)反射板（傾斜45°）；

（4）為實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波管內(nèi)外等液位，導(dǎo)波管交叉開(kāi)孔需間隔距離，同時(shí)還需要存在內(nèi)平面平滑的導(dǎo)波管，否則虛假液位的現(xiàn)象很容易出現(xiàn)。應(yīng)控制具體的開(kāi)孔尺寸，過(guò)小或過(guò)大情況均不得出現(xiàn)，否則將導(dǎo)致導(dǎo)波管內(nèi)外液位無(wú)法一致，或管內(nèi)液位出現(xiàn)波動(dòng)?；诰唧w經(jīng)驗(yàn)，需基于導(dǎo)波管直徑控制開(kāi)孔尺寸，DN125、DN200、DN250、DN300直徑的導(dǎo)波管開(kāi)孔尺寸應(yīng)分別為0.1m2、0.4m2、0.8m2、1.2m2。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，雷達(dá)液位計(jì)在石油儲(chǔ)罐液位計(jì)量中的應(yīng)用需關(guān)注多方面影響因素。本文涉及的雷達(dá)液位計(jì)的自動(dòng)控制要點(diǎn)、雷達(dá)液位計(jì)的維護(hù)和故障處理要點(diǎn)、導(dǎo)波管制作要點(diǎn)等內(nèi)容，則提供了可行性較高的雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用路徑。為更好地服務(wù)于石油儲(chǔ)罐液位計(jì)量，必須重視圓形偏振光技術(shù)等新技術(shù)的應(yīng)用。