雷達液位計在罐區測量系統中的應用

高 斌 張 繼

（中國石油玉門油田分公司a.煉化總廠；b.水電廠）

恩賈梅納煉油廠（NRC）是中油國際（乍得）煉油公司和乍得共和國合資建設的煉油化工企業，煉廠設有7 個罐區，共計61 個儲罐。 每個儲罐的容量較大， 很小的液位測量誤差就會帶來很大的容量誤差。 儲罐液位的精確測量與計量精度、安全密切相關，傳統方法已經滿足不了測量精度要求， 為此欲選用雷達液位計實現NRC儲罐液位的測量。 隨著油品罐區的不斷擴大，罐區監測點越來越多， 每個儲罐上設有一個或多個傳感器，如雷達液位計、溫度計、平均溫度計及壓力變送器等， 為了確保液位測量系統的高可靠性和實效性， 決定利用標準化的現場通信總線連接各個儲罐的罐旁指示儀， 組成高精度罐區液位監控系統， 為提高NRC 的經濟效益提供保障。

1 罐區儀表選型

隨著儀表技術的發展，油品儲罐罐區液面測量逐漸由傳統機械式測量方式向智能化儀表測量方式轉變。E+H 雷達液位計是一種“下探式”測量系統， 探頭發出高頻脈沖在空間以光速傳播，當脈沖遇到物料表面時反射回來被儀表內的接收器接收， 并將距離信號轉換為物位信號。 E+H雷達液位計數字信號處理能力強大，具有抑制干擾回波的功能，保證邊緣、焊縫及虛假回波等因素產生的干擾回波不被當作物位回波處理，可以區分微弱的測量信號和很強的反射信號，避免干擾造成的測量誤差， 完全可以滿足NRC 工廠計量交接的測量精度要求。

考慮到安全性、測量精度和使用維護的方便性，NRC 選用的雷達液位計包括FMR532 型平面天線雷達液位計、FMP240 型喇叭式雷達液位計、FMP40 型纜式導波雷達液位計和NMS5 系列智能型伺服液位計等。 罐區雷達都采用本安防爆形式，具體安裝類型匯總于表1。

表1 罐區雷達液位計安裝類型匯總

1.1 平面天線雷達液位計選型

外浮頂原油儲罐底部帶有加熱盤管，對原油進行加熱保溫，導致油品上下溫度不均，液位和溫度的測量精度對罐容計算結果影響較大。 為此， 選用精度±1mm 的FMR532 型平面天線雷達液位計和NMT539 型平均溫度計，均安裝于儲罐的導波管上， 導波管為DN300mm 固定內徑的金屬管，并且在側壁對開出小于1/10 管徑的圓孔用于排氣，要求孔間距離不小于30cm。 FMR532 型平面天線雷達液位計的平面天線實際上是由若干個小天線組成的天線陣列，由于其發射的雷達高頻波能量集中在導波管中間，與管壁接觸部分能量很小， 因此受導波管粗糙內壁的影響很小，能夠很好地消除原油掛壁和焊縫拼接對液位測量的影響，具有更強抗干擾能力，提高了測量精度和可靠性。

NMT539 型平均溫度計可以在比較大的范圍內進行溫度測量， 包含十點的高精度Pt100 測量元件， 每點相距200cm。 由于油罐中液體與空氣的溫差較大，將儀表讀取鉑電阻的測量值和溫度探頭的位置信息進行比較，可以準確判斷油罐中液體的位置，通過智能HART 信號傳輸溫度探頭平均值，反映原油溫度的真實值，提高了原油罐區罐容的測量精度。

1.2 喇叭式雷達液位計選型

重油罐區為常溫儲罐，而且儲罐尺寸相對較小，因此宜選用精度為±3mm 的FMR240 型喇叭式雷達液位計，該儀表具有小尺寸（40mm）喇叭天線，非常適合小型容器中物位的測量。 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。24V（DC）電源由罐旁指示儀NRF590 的本安接線腔供電， 采用4～20mA HART 兩線制技術，有效降低了布線成本。

1.3 纜式導波雷達液位計選型

NRC 較多罐區選用了FMP40 型纜式導波雷達液位計，對輕油罐區、成品油（汽油、煤油、柴油等）罐區等介電常數較小的介質進行接觸式連續測量，能夠充分適應不同油品的介電常數。 當液位計發出的電磁脈沖沿著鋼纜傳播，在遇到被測介質表面時，部分脈沖的反射波沿相同路徑返回到脈沖發射裝置，得到儲罐液位真實高度。 由于傳播損耗小，發射能量可較小，價格也比其他型式的雷達液位計便宜。

由于纜式導波雷達液位計的天線伸入容器中容易受罐區介質物理性質影響，失去了非接觸的特點，需要正確選擇安裝位置，遠離中心點和進出管線，增加導波管保護等方式，安裝的導波管保持垂直和減少焊縫，避免造成電磁脈沖斜射到導波管的內壁，產生反射致使測量失真。 同時設定罐底固定，保持纜繩垂直，避免擺動，防止與導波管末端接觸。 正是因為有了這樣的導波纜，使得纜式導波雷達的測量不受介質種類變化的影響，不受溫度壓力的影響，不受氣相和液體表面泡沫的影響。

1.4 伺服液位計選型

對于液化氣和丙烯球罐，液化氣球罐區一般是2 000m3左右2.5MPa 以下的高壓常溫球罐。因為液化氣和丙烯的介電常數很低（約1.3～1.4），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，采用雷達液位計測量效果較差。

NMS5 智能型伺服液位計的測量是基于浮力平衡原理，因此低介電常數不受影響，安裝于球罐的DN100mm 導波管上， 在雷達與球罐導波管之間加裝一臺同徑手動球閥，日常維護和校正操作時利用視窗觀察輪轂和浮子移動。

2 監測系統構成

2.1 罐旁指示儀

每個儲罐通過本安防爆HART 通信協議將雷達液位計、溫度計、平均溫度計及壓力變送器等連接到罐旁指示儀NRF590 的本安接線腔內，接線端子如圖1 所示。 通過HART 協議采集所有與之相連的罐區儀表的測量值，并實時顯示測量值與自診斷信息等，方便巡檢人員在罐下檢查和操作。 本安HART 數字通信方式提高了安全性、可靠性和數據的有效性，降低了接線成本，簡化了全部儲罐傳感器的集成。 罐旁指示儀通過通信總線接入機柜間， 實現罐區液位數據的準確傳輸。 NRF590 不但作為現場儲罐的測量子系統的數據采集與維護中心，而且為現場多個儲罐提供集成通信。

圖1 NRF590 端子示意圖

2.2 通信接口

罐區現場為總線結構，一個罐區內所有儲罐的NRF590 采用Modbus RS485 數字通信總線串聯連接，NRF590 通過數字現場通信總線接入通信接口NXA820 Tank Scanner， 根據輸入的儲罐液位利用罐表把液位轉換為標準體積計量數據，上傳到控制室罐區管理系統，如圖2 所示。 現場總線網絡電纜規格為兩芯屏蔽雙絞線，節省了電纜，消除了數據傳輸誤差，提高了穩定性。 如汽油罐區的12 具儲罐，01A 儲罐使用modscan 直接讀取罐旁指示儀數據，設定從站地址為1、波特率為9 600、數據位8、檢驗位N、停止位1，Modbus 寄存器地址40515 對應液位、40521 對應溫度，通過總線采集到NXA820 通信接口。 NXA820 可接入15 個節點Modbus RS485 總線形式的罐區信號，即最多15 臺NRF590。 由于其模塊化的結構，可以應用在小型或大型罐區，便于擴容和升級。

每個罐區配置一個通信接口NXA820 實現各儲罐容量的計算，然后將這些罐區信息轉載到以太網工業交換機匯總到通信網關NXA822 Host Link。 搜集網絡上所有帶罐量計算功能的通信接口NXA820 的罐表數據，通過NXA822 將Ethernet TCP/IP 轉換成Modbus RS485 數據傳輸至上位控制系統。 通信網關NXA822 作為Modbus 從站設備時地址表可以通過XML 描述， 通過單獨的上位機主站請求可以很容易修改。 用通信總線進行數據傳輸和罐區管理，保證了傳輸的穩定性和數據精度。

圖2 通信總線傳輸到通信接口結構圖

3 日常故障分析處理經驗

雷達液位計是一種高精度智能型檢測儀表，具有在惡劣條件下能夠穩定可靠工作、無可動部件且使用壽命長等優點，但實際使用中會遇到不同的問題，針對日常出現故障總結如下經驗。

如果正常運行中雷達液位計出現死值、最大值等，雷達液位計自身出現故障保護，斷電重啟，重新上電后檢查。

利用雷達的抑制干擾回波功能處理測量過程中的假回波，過濾掉虛假的反射波，把液面反射波檢測出來，保證準確測量。

液位較低或無液位時容易產生液位波動、逐漸變大甚至最大，可能由于某些工藝原因對雷達波產生了漫反射， 使電磁脈沖出現很大衰減，拆卸查看天線的臟污和腐蝕情況并清洗污垢、處理結晶體或等工藝液位提高后觀察處理，建議將零點定在一定高度，要遠離低液位測量盲區。

導波纜不要彎曲過大，使用中要保證不產生毛刺、彎折和破損情況。 如果使用過程中出現不變化的中間值，檢查纜繩，若發現這些問題可以進行更換。 使用中，要盡量減少液位變化對導波纜的沖擊， 適當情況下可以增加纜繩的配重，保持纜繩垂直。

由于氣候原因，日常使用中要增加必要的遮陽罩，防水防曬，以延長顯示屏和電路板的使用壽命。

日常維護時注意檢查雷達液位計接地完好和供電防雷柵，防止電壓短路的情況。 通信總線要注意檢查主從設備完好，保持線路通暢，通信設備的協議設置等問題，避免影響罐區的測量。

4 結束語

NRC 罐區采用雷達液位計代替傳統儀表，利用罐旁連接了多個儲罐傳感器和機柜上位機的數據傳輸，形成了罐區液位監控系統。 采用數字通信總線的形式， 提高了傳輸的效率和穩定性，保障了罐區油品液位的準確測量和安全性，為煉廠的長周期平穩運行奠定了基礎。