雷達(dá)液位計(jì)在儲(chǔ)罐的應(yīng)用的探討
互聯(lián)網(wǎng) 2013-12-20 09:26:02
[導(dǎo)讀] 儲(chǔ)罐是油田煉油廠、油庫、石油碼頭及各大石化企業(yè)普遍需要使用的存儲(chǔ)設(shè)備，通過對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)的液體介質(zhì)(各種石油化工產(chǎn)品)的溫度、壓力、液位、密度等參數(shù)的測(cè)量，可以計(jì)算出儲(chǔ)罐中液體的體積量及質(zhì)量儲(chǔ)量，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化生產(chǎn)中對(duì)資產(chǎn)管理的需求。
一、前言
儲(chǔ)罐是油田煉油廠、油庫、石油碼頭及各大石化企業(yè)普遍需要使用的存儲(chǔ)設(shè)備，通過對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)的液體介質(zhì)(各種石油化工產(chǎn)品)的溫度、壓力、液位、密度等參數(shù)的測(cè)量，可以計(jì)算出儲(chǔ)罐中液體的體積量及質(zhì)量儲(chǔ)量，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化生產(chǎn)中對(duì)資產(chǎn)管理的需求。
儲(chǔ)罐對(duì)液位測(cè)量的要求不同，一般可分為過程級(jí)及貿(mào)易級(jí)兩種。貿(mào)易級(jí)液位計(jì)的精度要求非常高，需要對(duì)罐內(nèi)的進(jìn)行精確測(cè)量，一般要求測(cè)量精度達(dá)到±1mm;而過程級(jí)液位計(jì)的精度要求一般是在±5~15mm之間，相對(duì)而言對(duì)液位計(jì)測(cè)量可靠性和穩(wěn)定性要求更為嚴(yán)格，測(cè)量目的一般是為了防止油罐冒頂、抽真空等事故的發(fā)生。
各種儲(chǔ)罐的大小和種類各不相同，所測(cè)量介質(zhì)的特性和工藝條件也各不相同，因此只有從客戶的實(shí)際情況出發(fā)，合理的選擇液位計(jì)及設(shè)計(jì)液位測(cè)量解決方案，才能使客戶的投資最優(yōu)化。
二、儲(chǔ)罐液位測(cè)量技術(shù)
目前用于儲(chǔ)罐的液位測(cè)量技術(shù)非常多。根據(jù)測(cè)量方式，可以分為接觸式和非接觸式。
接觸式測(cè)量方法主要有人工檢測(cè)尺、浮子式鋼帶液位計(jì)、伺服式液位計(jì)、靜壓式液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)、射頻導(dǎo)納液位計(jì)等。
非接觸式測(cè)量方法主要有超聲波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)等。
其中目前市場(chǎng)上常用的可以滿足貿(mào)易級(jí)液位計(jì)要求的測(cè)量方式有：磁致伸縮液位計(jì)、伺服式液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、靜壓式液位計(jì)等，靜壓式液位測(cè)量系統(tǒng) (HTG)因?yàn)檫^于過于復(fù)雜，維護(hù)量大等缺點(diǎn)，使用量越來越少。而雷達(dá)液位計(jì)作為一種高精度的液位測(cè)量方式，因其量程大、安裝方便、維護(hù)量低等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的得到客戶的認(rèn)可和接受;而且近幾年，雷達(dá)液位計(jì)的價(jià)格也逐年降低，也使很多普通的用戶也開始采用起雷達(dá)液位計(jì)作為儲(chǔ)罐的液位測(cè)量方案。
表1、各種儲(chǔ)罐液位測(cè)量方式比較
鋼帶 伺服式 雷達(dá) 靜壓(HTG) 磁致伸縮 超聲波 射頻導(dǎo)納
工作原理 浮力 浮力 電磁波 壓力 浮力 聲波 儲(chǔ)勢(shì)電荷
介質(zhì)特性 密度 密度 介電常數(shù) 密度 密度 密度 介電常數(shù)
精度 一般，誤差小 極高，最高可達(dá)±0.4mm 高，可達(dá)±1mm 高，誤差大 高，可達(dá)±1mm 一般，最高可達(dá)±15mm 一般，根據(jù)安裝及調(diào)試
溫度影響 較小，取決密度變化 較小，取決密度變化 可忽略 有，需考慮 較小，取決密度變化 有影響，需補(bǔ)償 可忽略
壓力影響 很小 很小 可忽略 很大 很小 有影響 可忽略
揮發(fā)性氣體(蒸汽)影響 可忽略 可忽略 可忽略 可忽略 可忽略 有影響 可忽略
安裝 復(fù)雜，費(fèi)用高 簡單 簡單 極復(fù)雜 復(fù)雜 簡單 簡單
維護(hù)量 大 大，昂貴 低，可忽略 極大 大 低 低
價(jià)格費(fèi)用 低 極高 貴，逐年降低 極高 一般 一般 低
三、雷達(dá)液位測(cè)量原理及特點(diǎn)
雷達(dá)液位計(jì)又稱微波液位計(jì)(Radar)，是取英文詞組的詞頭字母而來的縮寫詞。微波物位計(jì)朝一個(gè)目標(biāo)發(fā)射電磁波，電磁波井發(fā)射后返回發(fā)射源。安裝在發(fā)射源處的接收器捕獲到反射波，并把它與發(fā)射波作比較，確定目標(biāo)的存在和它到發(fā)射源的距離。
目前市場(chǎng)常見的微波物位計(jì)采用的工作原理主要有FMCW(連續(xù)調(diào)頻)和脈沖兩種。
FMCW雷達(dá)液位計(jì)采用線性的調(diào)制的高頻信號(hào)，一般都是采用10GHz或24GHz微波信號(hào)。它是一種基于復(fù)雜數(shù)學(xué)公式的間接測(cè)量方法，由頻譜計(jì)算出物位距離。天線發(fā)射出被線性調(diào)制的連續(xù)高頻微波信號(hào)并進(jìn)行掃描，同時(shí)接收返回信號(hào)。發(fā)射微波信號(hào)和返回的微波信號(hào)之間的頻率差與到介質(zhì)表面的距離成一定比例關(guān)系。
脈沖雷達(dá)液位計(jì)，與超聲波技術(shù)相似，使用時(shí)差原理計(jì)算到介質(zhì)表面的距離。 設(shè)備傳輸固定頻率的脈沖，然后接收并建立回波圖形。信號(hào)的傳播時(shí)間 直接與到介質(zhì)的距離成一定比例。但是與超聲波使用聲波不同，雷達(dá)使 用的是電磁波。它利用好幾萬個(gè)脈沖來 “掃描”容器并得到完整的回波圖。
雷達(dá)液位計(jì)的典型波段為 5.8 GHz、10GHz 、24 GHz。通常我們稱5.8GHz(或6.3GHz)的頻率為C波段微波;10GHz的頻率為X波段微波; 24GHz(或26GHz)的頻率為K波段微波。
由于雷達(dá)液位計(jì)的增益系數(shù)和波束角的大小和微波的波長以及雷達(dá)液位計(jì)的喇叭口尺寸大小有關(guān)系。因此，越來越多的雷達(dá)液位計(jì)制造商開始研發(fā)采用高頻率微波技術(shù)來改善雷達(dá)液位計(jì)的性能。同時(shí)，采用高頻技術(shù)后，可以在提高雷達(dá)性能的同時(shí)，大大縮小天線的尺寸，使安裝更加方便。
由于雷達(dá)液位計(jì)采用的微波是一種電磁波，在傳播的過程不需要傳輸媒介的傳遞，因此基本上不需要考慮揮發(fā)性氣體和蒸汽、溫度、壓力(真空)、甚至粉塵的影響。而且，由于是基于回波反射測(cè)距的原理(TOF)，對(duì)雷達(dá)液位計(jì)來說，不存在磨損等問題，因此基本不需要維護(hù);頂部安裝的方式也使安裝更加方便;而且由于微波的特性，相對(duì)其它液位測(cè)量方式，它的精度一般都能達(dá)到0.1%(全量程)的精度。由于雷達(dá)液位計(jì)具有這不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，越來越多的儲(chǔ)罐用戶開始采用雷達(dá)液位計(jì)來替代其他技術(shù)。
四、解決方案
西門子公司從1998年推出第一臺(tái)智能化的雷達(dá)液位計(jì)IQ160開始，陸續(xù)推出了基于各種工作原理和采用不同頻率的雷達(dá)液位計(jì)，形成較齊全的產(chǎn)品線，能夠滿足各種不同過程工藝、介質(zhì)的測(cè)量需求。
Sitrans LR系列雷達(dá)目前包括Probe LR, LR200,LR300和LR400四個(gè)系列產(chǎn)品。
Probe LR是一款性價(jià)比極高的一款雷達(dá)液位計(jì)。它是一個(gè)兩線制回路供電的， 5.8GHz頻率雷達(dá)液位計(jì)，用于測(cè)量儲(chǔ)罐和過程罐中液體和漿料的物位和體積。Probe LR 是揮發(fā)性化學(xué)品、溫度梯度、真空或者常壓等工況的理想選擇，比如油庫、化學(xué)儲(chǔ)罐、化學(xué)反應(yīng)罐和長量程應(yīng)用。它的量程為20 m，精度為全量稱的0.1%(如圖1) 。
LR200在兼具了Probe LR的所有優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，還提供了各種不同規(guī)格的安裝方式(包括各種規(guī)格法蘭和螺紋)和不同的天線的選擇(包括喇叭口天線、桿式天線、導(dǎo)波管天線等)，極大程度地滿足不同過程工藝的需求。
圖1：Probe LR
Probe LR和LR200都采用了一體化全封裝的儀表外殼，使儀表具有較好的密封性、抗打擊能力、抗腐蝕能力。
SITRANS LR 400 是長量程的連續(xù)調(diào)頻(FMCW) 雷達(dá)物位儀表，可以用于最高達(dá)50米的儲(chǔ)罐的測(cè)量，及時(shí)用于測(cè)量介電常數(shù)較低的介質(zhì)(輕油、液化氣等)也能得到極好的測(cè)量效果。24GHz 和高信噪比的特性能得到非凡的信號(hào)反射，而與介質(zhì)的介電常數(shù)無關(guān)。它還具有先進(jìn)的回波處理算法，能為惡劣的固體應(yīng)用提供可靠的測(cè)量。它的測(cè)量精度為±5mm(如圖2)。
