雷達液位計在油品罐區計量中的應用

陳麗君

（中海油石化工程有限公司 青島分公司 自控室，山東 青島 266100）

油品罐區是石油化工企業中重要的儲運設施，準確地計量油品罐區的庫存對于石化企業的生產、銷售有著非常重要的指導作用，作為油品罐區計量中的關鍵儀表，罐區液位計的精確度、安全性及穩定性直接影響著石化企業的安全生產和經濟效益。早在20世紀80年代中期，源自軍事工業的雷達測量技術被應用于工業自動化測量領域，使得現代罐區計量技術有了一個根本性的飛躍，解決了油品罐區測量系統在部分工況長期以來無法精確計量的難題，雷達液位計以其優越的性能成為罐區液位測量儀表的首要選擇。結合工程設計項目實例，從原理、特點、選型等多個方面對雷達液位計在油品罐區計量方面的應用進行了細致的研究與總結，為今后更加合理地使用雷達液位計進行液位測量提供參考。

1 雷達液位計的工作原理

雷達液位計采用高頻振蕩器作為雷達波發生器，發生器產生的雷達波通過導波管引到雷達天線，然后向外傳播。當雷達波到達檢測液面時，有一部分被吸收，另一部分被反射回雷達天線接收，通過建立發射波與反射波的函數關系來實現液位測量[1]。基于兩種不同的測量原理，雷達液位計主要分為時域脈沖雷達液位計和調頻連續波（FMCW）雷達液位計兩類。

時域脈沖雷達液位計基于雷達波的時域反射性（TDR）原理，通過測量單脈沖電磁波的傳輸時間進行液位測量[2]，其精度主要依賴于對時間的精確測量。由于雷達波信號以光速傳播，而測量儲罐液位時雷達波在儲罐內的傳播距離較短，所以較難保證準確地測量。

圖1 3種天線型式的雷達液位計外觀圖Fig.1 Outline drawing of radar level gauge with three kinds of antenna

表1 各種油品介電常數列表Table 1 List of dielectric constants of various oils

調頻連續波雷達液位計利用同步調頻脈沖技術，微波發射和接收器安裝在罐頂，向液體表面發射頻率經過線性調制了的微波信號。當微波信號向下傳播到液體表面后被反射回接收器時，由于時間延遲，發射信號的頻率已發生了改變，通過得到反射波與發射波的頻率差，推算出雷達波通過的距離[3]。

同樣是利用雷達波的傳播特性進行液位測量，時域脈沖雷達液位計基于時間測量，而時間是一種連續的模擬量，在物理學上定義它只能被無限近似切割，所以時域脈沖法是一種模擬技術，它只能提供較低的測量精度，其優勢在于制造成本相對較低；調頻連續波雷達液位計基于頻率測量，而頻率是一種完全的數字量，能夠被準確切割和度量，所以調頻連續波法是一種數字化技術，能提供良好的測量精度和穩定的輸出信號。

2 雷達液位計的選型

2.1 雷達液位計天線型式

天線是雷達液位計測量液位的重要部件，雷達液位計選型主要在于選擇合適的天線型式。常用的非接觸式雷達液位計天線型式主要有以下3種：喇叭口天線、拋物面天線和平面天線，外形結構如圖1所示。

喇叭口天線采用點源發射方式，雷達波為發散的球面波，主要用于不需要設置導波管的拱頂罐的液位測量。由于整個喇叭口天線處于儲罐中，并且有幾乎與罐環境相同的溫度，所以可以防止在天線內發生冷凝。

拋物面天線同樣采用點源發射方式，雷達波為發散的球面波，允許近罐壁安裝。通常用于拱頂罐，介質主要為蠟油、渣油、瀝青等粘稠及易冷凝的高溫油品，儲罐底部都設有加熱蒸汽盤管。由于罐內高溫（200℃左右）產生蒸汽使得在雷達天線部位極易形成凝結水和出現掛料現象，影響雷達液位計的準確測量，而拋物面天線雷達液位計的滴水型設計有效地防止了冷凝和掛料現象的出現。而且，拋物面天線波束窄，使雷達波能量更集中，聚焦性好，能夠保證較高的測量精度[4]。

平面天線技術（又叫陣列天線技術）采用多源發射方式，與單點發射源相比，由于其測量基于一個平面，而不是一個確定的點，因而發射出的雷達波為平面螺旋波。主要用于安裝有導波管的內（外）浮頂罐的液位測量。平面天線發射的雷達波具有波束窄、能量集中的特點，所以與導波管管壁接觸部分能量很小，受導波管內壁粗糙程度的影響也很小，對于油品掛壁對測量的影響小。

2.2 介電常數對雷達液位計選型的影響

雷達波到達液位表面被反射時，雷達波會被吸收而發生衰減，當衰減過多時，雷達液位計接收不到足夠的信號，導致測量不準確，這就是被測介質的介電常數對雷達液位計的測量所產生的影響[5]。

各種油品介質的介電常數如表1所示。為了克服介電常數的影響，提高反射波能量，對于使用內（外）浮頂罐的介質，對于汽油、煤油等相對介電常數較小的介質必須使用導波管。而對于液化氣球罐的液位測量，一方面液化氣的介電常數較低，對雷達波的反射能力很弱；另一方面液化氣氣相組分會吸收部分雷達波造成信號衰減嚴重，影響雷達液位計的準確測量。因此，通常選用另一種測量精度較高的接觸式儀表——伺服液位計，此處不作詳述。

3 雷達液位計的現場總線傳輸方式

3.1 現場總線傳輸方式

雷達液位計提供疊加了HART的4mA～20mA輸出信號，同時也提供數字式現場總線傳輸方式。在油品罐區計量系統中，罐區計量信號通過雷達液位計的現場總線傳輸到控制系統。現場總線能夠同時傳輸多個過程參數，大大地簡化了連接線路，降低了成本。而且在傳輸過程的同時，儀表的標識符和簡單的診斷信息也可一并傳送。現場總線是雙向的，因此能夠在控制室對現場智能儀表進行標定、調整及運行診斷，甚至能夠在故障發生前進行預測。

3.2 單個油品儲罐計量系統的構成

圖2 單個油品儲罐計量系統結構圖Fig.2 The structure diagram of single oil tank gauging system

圖3 某雷達液位計通訊系統圖Fig.3 Communication system diagram of radar level gauge

表2 罐區液位計選型列表Table 2 Tank level gauge selection list

基于雷達液位計的數字信號處理功能及數字式現場總線傳輸的特點，雷達液位計在油品罐區計量中主要發揮了兩個作用：一是測量儲罐內介質的液位，二是接收被測介質的溫度、密度、壓力等遠傳信號，利用現場總線與控制系統進行通訊，將所有信號一起傳輸到控制室，實現對油品儲罐的計量。單個油品儲罐計量系統構成如圖2所示。

3.3 油品罐區雷達液位計的通訊系統

某品牌雷達液位計的通訊系統結構如圖3所示。現場通訊單元（FCU）作為一個網關或數據收集器，在上位機和現場儀表之間起連接作用，罐區中各儲罐的雷達液位計依靠TRL/2現場總線與FCU進行數據傳輸，FCU和上位機之間通過RS-485總線進行通訊，完成將罐區儀表信號傳輸到上位機的任務[5]。

4 工程應用實例

4.1 液位儀表選型

某項目共有4個油品罐區，分別為原油罐區、汽油罐區、油漿及堿渣罐區以及液態烴罐區。根據各罐區介質的特性及儲罐類型，配備合適的液位測量儀表，如表2所示。其中，T——溫度；L——液位；ρ——密度；P——壓力。

根據雷達液位計的選型原則，對于易產生揮發性氣體，使用浮頂罐儲存的汽油和原油（汽油為內浮頂罐、原油為外浮頂罐），選用平面天線雷達液位計，安裝導波管。可以有效地克服介質由于介電常數小而對雷達波反射能力相對弱的缺點，確保測量準確。

油漿、堿渣等介質由于比較粘稠且易冷凝，通常儲存在帶有加熱蒸汽盤管的拱頂罐中。因此，選用不受加熱蒸汽影響又聚焦性好的拋物面天線雷達液位計。

液態烴罐區選用伺服液位計。

4.2 雷達液位計通訊系統

利用雷達液位計基于現場總線進行數據傳輸的特點，為油品罐區構建起一個液位測量系統。雷達液位計通訊系統構成如圖4所示。采用雷達液位計進行液位測量的3個罐區通過3條現場總線與安裝在控制室內的雷達通訊單元通訊，再由雷達通訊單元通過RS-485總線與控制系統進行通訊，傳輸各儲罐液位的同時，還將溫度、壓力、密度等檢測信號通過雷達液位計準確無誤地傳輸到控制系統中進行集中監測，實現了整個油品罐區的計量。

雷達液位計現場總線傳輸方式在工程實施中主要具有以下優點：

1）采用現場總線網絡，解決了分布式油品儲罐的集中檢測問題，便于進行網絡化管理，使系統更加實用、穩定和可靠。

2）數字傳輸方式，可以同時傳輸多個過程變量，極大地簡化了信號連接線路，節省了大量的電纜、保護套管、槽盒、橋架以及穿線盒等相應輔材，極大地降低了成本。

圖4 油品罐區雷達液位計通訊系統圖Fig.4 Communication system diagram of radar level gauge in oil tank area

3）接線簡單，如果需要增加現場儀表，只需就近并行掛接到原有的網絡上，無需鋪設至機柜室，既節省了電纜，降低了投資，也縮減了設計和安裝的工作量。

4）工程實施更加方便，工程周期短，大大減少了工作量，降低了維護和安裝費用。

5 結束語

作為一種智能化的液位測量儀表，雷達液位計在罐區油品計量的應用中已經發揮出了自身獨特的優勢，非接觸式測量、測量范圍大、精度高、安裝簡單等優點完全滿足罐區油品計量對精確度、可靠性和穩定性的要求，數字式現場總線傳輸方式不但能節省成本，而且符合現代測量技術向著集成化、數字化、網絡化方向發展的要求，雷達液位計將繼續在罐區油品計量中發揮重要作用。