摘要:針對石化油品罐區(qū)液位測控系統(tǒng)，就國內(nèi)某大型煉廠設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)了不同工況下雷達液位計的選型及應(yīng)用，詳細分析了基于雷達液位計測量的系統(tǒng)設(shè)計及 FISCO(Fieldbus intrinsicallysafe concept)本安結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。對汽油內(nèi)浮頂儲罐導波管的制作和安裝注意事項進行了闡述，從現(xiàn)實工程實施角度上，提出了可行的方案。

0 引言

工業(yè)自動化的發(fā)展極大促進了石化領(lǐng)域自動化的發(fā)展，石化企業(yè)的生產(chǎn)過程中，油品儲運是其中很重要的組成部分，而儲運自動化則是發(fā)展的必然方向［1］ 。

儲罐的液位測量是儲運自動化的關(guān)鍵，目前已經(jīng)擺脫了以“人工檢尺”為主的測量方法，此法只作為校驗工具而存在。從 90 年代以來，隨著智能儀表的發(fā)展，罐區(qū)計量逐步走入自動化領(lǐng)域，歷經(jīng)浮子鋼帶液位計、靜壓式測量、伺服式液位計等測量儀表［2］ 。雷達液位計的出現(xiàn)是罐區(qū)計量的又一突破，其具有在線檢定和非接觸式測量的特點，極大減少了儀表的維護工作。

1 雷達液位計原理

雷達液位計是一種利用高頻微波信號技術(shù)的非接觸式測量儀表。天線發(fā)射的高頻電磁波經(jīng)過物面的反射，雷達儀表接收裝置檢測到返回的電磁波，計算出發(fā)射波和反射波的時間差或者頻率差，從而計算出物面的高度［3］ 。

電磁波遇到被測物質(zhì)容易被反射，被測介質(zhì)的介電常數(shù)越大，反射回波越強。雷達液位計的主要組成部分是信號發(fā)生器、發(fā)射裝置、天線、接收裝置、信號處理單元等，其測量原理如下:假設(shè) d 是介質(zhì)物面與罐頂距離，F(xiàn) 是儲罐高度，則可以得出物位 L 的計算式為:

1)如若雷達液位計測量原理為時域脈沖法(Time Domain Ｒeflectometry，TDＲ)，雷達液位計測量脈沖往返被測介質(zhì)物面的時間為 Δt，則相應(yīng)計算d 得

其中:c 為電磁波在儲罐中傳播的速度，即為光速。

2)如若雷達液位計測量原理為調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW)，原理如圖 1 所示。

調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)是經(jīng)過線性調(diào)制的，其特點為隨著時間的推移，天線發(fā)射的電磁波頻率會呈現(xiàn)某范圍內(nèi)的線性增長趨勢，線性增益為 k。當接收裝置接收到電磁波時，頻率接收和發(fā)射時必然存在頻率差 Δf，有關(guān)系式

由式(4)可以看出，根據(jù)物位回波信號與發(fā)射信號的頻率差即可測出距離。距離 d 與 Δf 成正比，即 Δf 越大，則 d 越大，相應(yīng)物位 L 越小。由上述兩種方法對比，F(xiàn)MCW 方法將直接測量時間差轉(zhuǎn)換為測量內(nèi)部產(chǎn)生的頻率差，F(xiàn)MCW 法相較 TDＲ 法具有更高的測量精度［4］ ?？稍O(shè)置內(nèi)部參考頻率，使用數(shù)字晶體振蕩器控制輸出頻率，以保證雷達頻率變化的絕對線性。

2 雷達液位計設(shè)計及應(yīng)用

2． 1 雷達液位計分類及選型

雷達液位計依據(jù)不同的分類原則有不同的分類結(jié)果，但目前主要的分類為兩種，一是依據(jù)計量精度分類，二是依據(jù)天線類型分類。

按照計量精度分類，雷達液位計分為計量級和過程級，計量級精度高于過程級精度，計量級精度可達0．5 ～1 mm，而過程級精度為3 ～10 mm 或者更大。上述提到的兩種雷達液位計測量原理，其中時域脈沖法測量較為簡單，其計量誤差會較大;而針對調(diào)頻連續(xù)波方法，時間差是由頻率差計算得來，頻率差是線性增益，故求取誤差較小。因而，在采用雷達液位計進行過程控制時，若要求精度不需要太高，則測量原理一般為時域脈沖法;如果用于貿(mào)易結(jié)算時，需要采用精度高的計量級，其測量原理一般為調(diào)頻連續(xù)波法。

1)雷達液位計的聚焦和靈敏度由天線外形決定，依據(jù)雷達液位計的天線分類，主要有以下幾種［5］ :

(1)喇叭口天線

喇叭口天線適用于大多數(shù)情況，常見于設(shè)計安裝在拱頂儲罐上，其聚焦特性好(瀝青或者類似產(chǎn)品不建議使用)。此類天線的發(fā)射角與喇叭口直徑和頻率相關(guān)，相同頻率下，直徑越大，其發(fā)射角越小，聚焦能力越強。

(2)拋物面天線

拋物面天線尺寸較大，電磁波能量集中，量程大，測量精度高，但硫磺、瀝青等在較高溫度下容易在天線上附著結(jié)焦。

(3)陣列天線

陣列天線采用平面陣列技術(shù)，即多點發(fā)射源，與單點發(fā)射源相比，由于其測量基于一個平面而不是一個確定的點，故方向性好，可以與導波管配套使用。

2)天線是雷達液位計的關(guān)鍵部件，對于天線形式的選擇在液位測量系統(tǒng)中格外重要，雷達液位計選型一般考慮如下幾方面:

(1)雷達的選型首先決定于罐區(qū)儲罐的容量，對于大容量的儲罐，要選擇可靠性較高的液位測量儀表。

(2)對于在罐區(qū)用于長輸管道輸送、裝船等進行貿(mào)易結(jié)算的計量，其雷達液位計應(yīng)選用計量級型。

(3)根據(jù)儲罐的形式選擇合適的天線，如儲罐為內(nèi)浮頂罐，則雷達液位計須配用導波式，相配的天線類型為陣列天線。

(4)依據(jù)存儲介質(zhì)的性質(zhì)選用合適的天線類型，如介電常數(shù)較低時選用拋物面天線，可以達到較好的測量目的。

(5)選型時根據(jù)被測介質(zhì)介電常數(shù)、液面狀況和操作條件等選擇合適的過程接口。

2． 2 雷達液位計項目應(yīng)用

項目中為常溫汽油內(nèi)浮頂罐(20 000 m 3 )，外形尺寸(38 000 × 17 820) mm，液位測量采用 ＲOSE-MENT 5900 系列雷達液位計，選用帶導波管陣列天線，信號發(fā)射頻率在 10 GHz 左右，微波功率小于1 mW。汽油介電常數(shù)在 1． 9 左右，根據(jù)具體工況，雷達液位計選用 8 寸法蘭連接。

5900 系列雷達液位計現(xiàn)場設(shè)備由兩部分組成:液位變送器和儲罐 Hub 終端。液位變送器由 Hub回路供電，數(shù)據(jù)通信采用 FF Tankbus 現(xiàn)場總線協(xié)議，本質(zhì)安全的FF Tankbus 符合FISCO Foundation 現(xiàn)場總線標準，為測得儲罐內(nèi)液體的密度，在罐底設(shè)置壓力變送器，壓力變送器采用相應(yīng) FF 總線通信至儲罐 Hub。本質(zhì)安全 FISCO 菊花鏈結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

如圖2 所示，儲罐 Hub 有 2 個腔體，分為本安和非本安部分，本安側(cè)為連接現(xiàn)場設(shè)備的 FF Tankbus現(xiàn)場總線，非本安側(cè) TＲL/2 總線通信至機柜室 TCU。該項目雷達液位計應(yīng)用于過程控制中，若應(yīng)用于安全儀表系統(tǒng)時，在 SIL1 情況下，儀表內(nèi)部有且只有一個終端電阻，而在 SIL2 和 SIL3 情況下，不設(shè)置終端電阻。依據(jù)《IEC 60079 － 27:Fieldbus intrinsically safeconcept ( FISCO)》，F(xiàn)ISCO 應(yīng) 滿 足 相 應(yīng) 條 件［6］ ，ＲOSEMENT 5900 系列各參數(shù)與 IEC 60079 － 27 對比見表 1。

為符合現(xiàn)場應(yīng)用要求，項目中 FF Tankbus 電纜采用 1． 5 mm 2 屏蔽雙絞電纜。儲罐 Hub 與機柜室內(nèi) TCU2460(儲罐通信單元)之間的物理層協(xié)議采用專用 TＲL/2 總線，其采用的頻移數(shù)字通信技術(shù)抗干擾性強，通信距離遠。實際項目中電纜zui遠通信距離 2． 5 km。作為將現(xiàn)場眾多設(shè)備連接成整體的 TCU，考慮其重要性，設(shè)計為冗余。

3 安裝要求及導波管制作

3． 1 雷達液位計安裝要求

雷達液位計的安裝位置影響測量精度，應(yīng)充分注意以下問題:

1)雷達液位計儲罐開口位置離開儲罐內(nèi)壁距離大于雷達液位計安裝法蘭面距儲罐底板高度的15%，使用導波管無此限制。

2)為保證信號波無阻礙進入儲罐內(nèi)部，雷達液位計接口的法蘭及連接管的總長度小于 250 mm。

3)若有導波管，導波管應(yīng)垂直向下，允許偏差≤0．5°;水平度應(yīng)為 ±1°。

4)安裝時考慮儲罐頂板強度，以免造成波動位移。

5)雷達波路徑應(yīng)避過內(nèi)部障礙物，如支撐架、加熱管及攪拌器等。

6)考慮液位條件，如避開進料口產(chǎn)生的紊流及泡沫。

3． 2 導波管制作要求

當儲罐為浮頂罐或球罐時，應(yīng)使用導波管;在介質(zhì)液面波動或產(chǎn)生泡沫時也應(yīng)考慮加導波管。導波管不隨設(shè)備成套購買，宜在現(xiàn)場由施工單位根據(jù)具體工況制作，導波管制作具體要求如下:

1)導波管材質(zhì)應(yīng)為不銹鋼或碳鋼，球罐時必須為不銹鋼。

2)導波管應(yīng)為整根，若需加長，須用外夾套焊接方法，間隙小于 1． 0 mm，焊接內(nèi)壁不能有焊縫及毛刺，否則影響測量精度。

3)導波管底距罐底板為 100 ～ 150 mm，并加傾斜 45°雷達反射板。

4)為保證導波管內(nèi)外等液位，導波管須間隔距離交叉開孔，導波管內(nèi)平面需平滑，否則容易產(chǎn)生虛假液位的現(xiàn)象。開孔尺寸應(yīng)適宜，不宜過大，以免造成管內(nèi)液位波動;也不宜過小，不能有效保證導波管內(nèi)外液位一致。依據(jù)工程經(jīng)驗，開孔總尺寸與導波管直徑尺寸對應(yīng)如表 2 所示。

4 總結(jié)

雷達液位計的無可動部件和無機械磨損特性，使得雷達液位計在使用過程中維護量少，標定簡單。近來年，新技術(shù)的發(fā)展，如圓形偏振光技術(shù)等，使得雷達液位計所適應(yīng)的工況更廣泛。工程設(shè)計中，可根據(jù)現(xiàn)場工況特點、系統(tǒng)要求等進行綜合判斷，做到選型合理性、經(jīng)濟性。