大型石油化工罐區(qū)儲(chǔ)罐液位儀表的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

  國內(nèi)外儲(chǔ)油罐常用的液位測(cè)量儀表有；浮體式液位計(jì) 差壓式液位計(jì) 磁致伸縮液位計(jì) 伺服式液位計(jì) 超聲波液位計(jì) 雷達(dá)液位計(jì)等等[1]。根據(jù)不同的測(cè)量原理和方法，每種測(cè)量儀表都有其自身的優(yōu)點(diǎn)及適合應(yīng)用工況罐區(qū)液位儀表的發(fā)展趨勢(shì)是高精度 多功能 高度自動(dòng)化的方向發(fā)展，并且一些罐區(qū)包含給生產(chǎn)裝置供料的任務(wù)，因此必須要有較高測(cè)量精度及自動(dòng)化程度 下面介紹兩種主要儲(chǔ)罐液位儀表的應(yīng)用。

  1 雷達(dá)液位計(jì)

1.1 雷達(dá)液位計(jì)原理

  發(fā)射 反射 接收是雷達(dá)液位計(jì)的基本工作原理。

  雷達(dá)傳感器的天線以波束的形式發(fā)射電磁波信號(hào)，發(fā)射波在被測(cè)物料表面產(chǎn)生反射，反射回來的回波信號(hào)仍由天線接收 發(fā)射及反射波束中的每一點(diǎn)都采用超聲采樣的方法進(jìn)行采集 信號(hào)經(jīng)智能處理器處理后得出介質(zhì)與探頭之間的距離，送終端顯示器進(jìn)行顯示 報(bào)警 操作等。

  雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射能量很低的極短的微波脈沖通過天線系統(tǒng)發(fā)射并接收 雷達(dá)波以光速運(yùn)行 運(yùn)行時(shí)間可以通過電子部件被轉(zhuǎn)換成物位信號(hào)。一種特殊的時(shí)間延伸方法可以確保極短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定和精確的測(cè)量。

  即使工況比較復(fù)雜的情況下，存在虛假回波，用最新的微處理技術(shù)和調(diào)試軟件也可以準(zhǔn)確的分析出物位的回波。

  現(xiàn)有雷達(dá)液位計(jì)有兩種測(cè)量方法，一種是調(diào)頻連續(xù)波式，一種是脈沖式 調(diào)頻連續(xù)波是在頻域中進(jìn)行信號(hào)分析，脈沖式是在時(shí)域中進(jìn)行信號(hào)分析調(diào)頻連續(xù)波式精度高，脈沖式精度低。

   近幾年石化行業(yè)中雷達(dá)液位計(jì)的廣泛應(yīng)用跟雷達(dá)測(cè)量檢測(cè)方法的快速發(fā)展是分不開得，采用了罐底跟蹤技術(shù)的雷達(dá)液位計(jì)能準(zhǔn)確的檢測(cè)到更低介電常數(shù)的介質(zhì)的液位眾所周知，選擇雷達(dá)液位計(jì)的最重要的測(cè)量參數(shù)是介電常數(shù)。

1.2 雷達(dá)液位計(jì)的特點(diǎn)

  雷達(dá)液位計(jì)最大的特點(diǎn)是在惡劣條件下功效顯著 無論是有毒介質(zhì)，還是腐蝕性介質(zhì)，也無論是固體 液體還是粉塵性 漿狀介質(zhì)，它都可以進(jìn)行測(cè)量 在測(cè)量方面，具有以下特點(diǎn)

1.2.1 準(zhǔn)確度高

由于電磁波的特點(diǎn)，不受環(huán)境的影響 雷達(dá)液位計(jì)無任何零件與油罐內(nèi)的介質(zhì)接觸，不受溫度壓力 氣體的影響，可快速準(zhǔn)確地測(cè)量不同介質(zhì)的液位。

1.2.2 幾乎可以測(cè)量所有介質(zhì)

  微波信號(hào)與可見光相似，可以穿透空間，其反射功率取決于被測(cè)介質(zhì)的導(dǎo)電性和介電常數(shù) 介電常數(shù)越大，回波信號(hào)的反射效果越好

1.2.3 準(zhǔn)確且可靠性強(qiáng)

  微波幾乎不受干擾，與測(cè)量介質(zhì)不直接接觸，幾乎可以被應(yīng)用于各種場(chǎng)合，如真空測(cè)量 液位測(cè)量或料位測(cè)量等 由于高級(jí)材料的使用，對(duì)情況極其復(fù)雜的化學(xué) 物理?xiàng)l件都很耐用，它可以提供準(zhǔn)確可靠 長期穩(wěn)定的模擬量或數(shù)字量的物位信號(hào)。

1.2.4 安全節(jié)能

微波的發(fā)射功率很小，最大為 0.03 mW/cm2，可被金屬容器外壁靜電屏蔽，因此可不受任何限制地應(yīng)用于各種場(chǎng)合，而且對(duì)人體無害。

1.2.5 適用范圍廣

  從罐體的形狀來說，雷達(dá)液位計(jì)可以對(duì)球罐臥罐、柱形罐、圓柱椎體罐等的液位進(jìn)行測(cè)量；從罐體功能來說，可以對(duì)儲(chǔ)罐、緩沖罐、微波管、旁通管中的液位進(jìn)行測(cè)量；從被測(cè)介質(zhì)來說，可以對(duì)液體顆粒 料漿等進(jìn)行測(cè)量。

1.3 雷達(dá)液位計(jì)的應(yīng)用

  雷達(dá)液位根據(jù)天線形式來分可以分為；錐體天線、拋物面天線、桿狀天線。

  錐體天線適用于安裝在罐頂或安裝導(dǎo)波管上，適用大測(cè)量范圍的應(yīng)用場(chǎng)合

  拋物面天線適用于液體與固料兩者的測(cè)量應(yīng)用 因它有最大的直徑，所以它有最窄的雷達(dá)波束，并可用于極長距離的測(cè)量拋物面天線也是對(duì)污染最不敏感的天線類型。它可用于具有嚴(yán)酷天線粘結(jié)液像瀝青與液態(tài)硫磺這樣的應(yīng)用工況。

  桿狀天線天線的尺寸小，只有聚四氟乙烯材質(zhì)暴露在儲(chǔ)罐大氣中 桿狀天線適用于具有衛(wèi)生要求或腐蝕性化工物料的測(cè)量應(yīng)用。

  在國內(nèi)比較知名的國外品牌有SAAB KROHNE E+H ENRAF等等 這些品牌的產(chǎn)品的技術(shù)性能和特點(diǎn)有細(xì)微的不同，（例如使用的頻率不同）但原理基本相同。

  SAAB的雷達(dá)采用調(diào)頻連續(xù)波式（FMCW）頻率為10 GHz 其分為輕型（Lite）標(biāo)準(zhǔn)型（Standard）和高精度型（Golg） 輕型精度是 10 mm，標(biāo)準(zhǔn)型精度是 10 mm，高精度型精度為 5 mm 兩線制或四線制[2]。

  KROHNE 高端 OPTIWAVE7300 型雷達(dá)頻率為26 GHz，測(cè)量范圍小于10 m，精度為 3 mm 測(cè)量范圍大于 10 m，精度為 0.03% 兩線制。

  E+H的調(diào)頻連續(xù)波式（FMCW ）雷達(dá)， Micropilost S FMR5XX系列，頻率為 10千兆赫（GHz）精度為3 mm 四線制。

  ENRAF 的調(diào)頻連續(xù)波式（FMCW） SmartRadar雷達(dá)液位計(jì)是一個(gè)采用了數(shù)字平面技術(shù)（DPT）的智能雷達(dá)液位計(jì)，精度為 1 mm，四線制。

  對(duì)于計(jì)量級(jí)高精度雷達(dá)液位計(jì)，測(cè)量原理采用調(diào)頻連續(xù)波式（FMCW） 除燃料油 瀝青等粘度大且易冷凝的儲(chǔ)罐采用拋物面天線外其它儲(chǔ)罐采用錐體天線 在內(nèi)浮頂罐設(shè)計(jì)有導(dǎo)波管，以達(dá)到儲(chǔ)罐液位的精確測(cè)量 并在地面設(shè)就地指示表，顯示液位值 方便現(xiàn)場(chǎng)操作人員巡檢。

1.4 雷達(dá)液位計(jì)的安裝

  雷達(dá)液位計(jì)安裝時(shí)要距離罐壁一定的距離，應(yīng)避開加熱盤管及其罐的出入口，這樣測(cè)量的雷達(dá)波能夠準(zhǔn)確的反映出真實(shí)的液位 錐體天線設(shè)有保護(hù)罩防止介質(zhì)冷凝影響測(cè)量 在內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐上導(dǎo)波管要求內(nèi)表面平滑無毛刺，并開對(duì)稱的小孔 保證雷達(dá)回波準(zhǔn)確不產(chǎn)生干擾 燃料油的拋物面雷達(dá)開設(shè)在儲(chǔ)罐的透光孔上[3]。

2 伺服液位計(jì)

2.1 伺服位計(jì)原理

  伺服式液位計(jì)一直被廣泛地用于儲(chǔ)罐液位的高精確度測(cè)量，因?yàn)樗且环N多功能儀表，既可以測(cè)量液位也可以測(cè)量界面 密度和罐底等參數(shù)。

  伺服式液位計(jì)基于浮力平衡的原理[4]，由微伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)體積較小的浮子，能精確地測(cè)出液位等參數(shù) 浮子用測(cè)量鋼絲懸掛在儀表外殼內(nèi)，而測(cè)量鋼絲纏繞在精密加工過的外輪鼓上；外磁鐵被固定在外輪鼓內(nèi)，并與固定在內(nèi)輪鼓的內(nèi)磁鐵耦合在一起。

  當(dāng)液位計(jì)工作時(shí)，浮子作用于細(xì)鋼絲上的重力在外輪鼓的磁鐵上產(chǎn)生力矩，從而引起磁通量的變化 輪鼓組件間的磁通量變化導(dǎo)致內(nèi)磁鐵上的電磁傳感器（霍爾元件）的輸出電壓信號(hào)發(fā)生變化。其電壓值與儲(chǔ)存于CPU中的參考電壓相比較。當(dāng)浮子的位置平衡時(shí)，其差值為零。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)液位變化時(shí)，使得浮子浮力發(fā)生改變。其結(jié)果是磁耦力矩被改變，使得帶有溫度補(bǔ)償?shù)幕魻栐妮敵鲭妷喊l(fā)生變化。該電壓值與 CPU中的參考電壓的差值驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整浮子上下移動(dòng)重新達(dá)到平衡點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)反饋回路，其精確度可達(dá) 0.7 mm，而且，其自身帶有的掛料補(bǔ)償功能，能夠補(bǔ)償由于鋼絲或浮子上附著被測(cè)介質(zhì)導(dǎo)致的鋼絲張力的改變。

  液位測(cè)量時(shí)液位的變化引起浮子浸沒深度的變化，浮子所受的浮力同時(shí)也變化，浮力的變化被力傳感器檢測(cè)到。測(cè)量值和設(shè)定值之間的的偏差引起步進(jìn)馬達(dá)位置的變化，升高和降低浮子的位置，直到測(cè)量值和設(shè)定值相等為止。為了避免振動(dòng)，軟件還可以調(diào)整滯后作用和積分時(shí)間。這樣可以得到比較穩(wěn)定和精確的平均液位 步進(jìn)馬達(dá)每旋轉(zhuǎn)一周大約使浮子上下移動(dòng) 10 mm 每旋轉(zhuǎn) 1 周被分成200 步，因此每步相當(dāng)于0.05 mm 這直接決定了馬達(dá)的分辨率 同時(shí)不停地檢測(cè)步進(jìn)馬達(dá)的位置。這是通過安裝在馬達(dá)軸上的獨(dú)特的碼盤來實(shí)現(xiàn)的。

2.2 伺服液位計(jì)的特點(diǎn)[5]

1. 由于不存在滑輪 齒輪的摩擦力，測(cè)量精度很高（+0.7 mm）

（2）由于幾乎沒有傳動(dòng)部件，可靠性很高，故障率比較低

（3）可測(cè)量液位 界位 介質(zhì)比重等參數(shù)，可與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，經(jīng)運(yùn)算處理可以給出油罐計(jì)量所需的各種參數(shù)，如液位、界位、體積、密度、水尺、質(zhì)量等。

（4）帶 4 個(gè)干接點(diǎn)輸出，可作為高低液位報(bào)警開關(guān)，參與聯(lián)鎖。

（5）可以與帶有 HART 功能的溫度變送器和壓力變送器通訊，把溫度 壓力信號(hào)一起通過總線傳到控制室集中顯示 也可以在地面的表頭上顯示液位值。

（6）在溫度較高，易產(chǎn)生揮發(fā)后冷凝物是粘性介質(zhì)的場(chǎng)合下，震動(dòng)大的場(chǎng)合，不適合使用。

2.3 伺服液位計(jì)的應(yīng)用

  在國內(nèi)比較知名的國外品牌有 E+H ENRAF這兩個(gè)品牌的產(chǎn)品的技術(shù)性能和特點(diǎn)有細(xì)微的不同，但原理基本相同。

  罐區(qū)的大型儲(chǔ)罐常用伺服液位計(jì)（帶干接點(diǎn)輸出用于聯(lián)鎖） 但一些粘度大和宜冷凝的介質(zhì)采用了其它液位測(cè)量和聯(lián)鎖報(bào)警。例如高芳烴 、烷烴和燃料油高低液位的報(bào)警采用了音叉式液位開關(guān)，并參與聯(lián)鎖。由于伺服液位計(jì)價(jià)格比較昂貴，污油罐沒有采用伺服液位計(jì)，而采用的音叉液位開關(guān)。

  伺服液位計(jì)在拱頂罐上安裝時(shí)無特殊要求，但在內(nèi)浮頂罐上安裝時(shí)需設(shè)導(dǎo)波管或?qū)蜾摻z 導(dǎo)波管要求內(nèi)表面平滑無毛刺，并開對(duì)稱的小孔。保證浮子不會(huì)卡在某一位置，保證導(dǎo)波管內(nèi)液位與儲(chǔ)罐的液位一致。導(dǎo)波管必須垂直安裝。安裝液位計(jì)的法蘭應(yīng)保持水平 正確的安裝是良好使用的關(guān)鍵。

  如果伺服液位計(jì)被安裝在密封罐上時(shí)，可以在罐和液位計(jì)之間安裝一個(gè)合適的球閥 保證罐的密閉性 考慮有毒介質(zhì)苯和低溫苯乙烯的儲(chǔ)罐使用球閥密閉[6]。

  伺服液位計(jì)的干接點(diǎn)信號(hào)參與聯(lián)鎖，自動(dòng)開啟或關(guān)閉儲(chǔ)罐出入口的切斷閥。作用等同于音叉液位開關(guān)的報(bào)警信號(hào) 能夠滿足規(guī)范要求的大型儲(chǔ)罐需設(shè)干接點(diǎn)式報(bào)警開關(guān)的要求。

3 結(jié)束語

大型石油化工儲(chǔ)罐的液位測(cè)量選用了雷達(dá)液位計(jì)和伺服液位計(jì)雙液位計(jì)測(cè)量。滿足了高測(cè)量精度及自動(dòng)化程度的要求。保證了精度、重復(fù)性、穩(wěn)定性、為石油石化生產(chǎn)裝置平穩(wěn)運(yùn)行的奠定了良好的基礎(chǔ)。