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雷达液位计在石油储罐液位计量中的应用
点击次数:996 发布时间:2015-05-13

  在石油贸易交接和企业成本核算过程中,都对石油液相产品计量的性提出了严格要求。而传统液位计的计量精度和自动化程度较低,已不能满足计量需要。而雷达液位计因其自动化程度高、易于安装、维护及可重复利用(分体式结构)等优势,被广泛应用于储罐中固体物位和液体液位(如原油和沥青)的测量。笔者将详细介绍雷达液位计在石油储罐液位计量中的应用和常见问题的解决。
1 雷达液位计的应用
1.1 选型
雷达液位计的种类繁多,选型时首先要考虑被测介质的温度、压力、密度、粘度及腐蚀性等特性对其使用性能的影响。因此,在选型时要针对介质在特定工况下的特性来选取适宜的天线和表头。对于体积较小、形状复杂的罐体或需测量多种液体分界面的应用场合,推荐采用导波缆天线雷达液位计;对测量环境较复杂的罐体,如介质易挥发、腐蚀及高压和高温等,推荐使用非接触天线雷达液位计,由于液位计与介质不接触,就能避免由于介质的物理和化学性质影响其计量精度或对液位计本身的损伤。
依据介质测量的目的选择不同测量精度的雷达液位计。如果仅用于内部成本核算,精度要求不需要太高;如果用于贸易交接,就必须选择高精度的雷达液位计。为节约投资,在计量精度满足需求的前提下可选用性价比高的产品。由于雷达液位计的精度、日常维护和使用寿命直接影响企业的生产效率和经济效益,所以过硬的质量和满意的售后服务对用户来说至关重要。选型时还需综合考虑其测量范围、频率(10GHz,20GHz,)、雷达与测量罐体的连接方式(法兰、G1/ 螺纹、1 /,NPT)、防爆/防护等级、信号输出协议(Modbus/Hart)和传输方式(4—20mA电流还是0—5V电压)这些因素。
1.2 安装
为达到高精度无故障地测量介质的液位,在储罐上正确安装雷达液位计也十分关键,液位计的安装分为机械和电气两部分。
1.2.1 机械安装笔者以ROSEMENT抛物面型天线雷达液位计为例,说明其机械安装时的注意事项:
a.倾斜度。液位计中轴线对储罐中心线的倾斜度不同,其发射波和反射波的行程也不同,测量精度也会受到影响。因此,安装时必须使用法兰球将液位计安装在储罐喷嘴上,再利用水准仪调整变送器的倾斜度,使其不超过1.5。。
b. 自由空间。抛物面型天线液位计的雷达波束宽度为10。,在波束范围内从罐顶到测量零点之间的空间即为自由空间。如果自由空间范围内有任何障碍,如结构加强筋及直径大于2 的管道等,定会对雷达波产生干扰,影响测量效果。在安装时,要注意规避自由空间内的障碍物。
c.喷嘴。如果采用4,2o"的喷嘴,喷嘴高度不得超过0.5m,喷嘴的直径越大其高度也会更高。此时,必须将抛物面反射器的边缘与喷嘴底端的夹角控制在5。以内,从而形成雷达波束的自由通道(图1),满足所要求的测量精度。
d.本体。雷达液位计本体的安装较简单,主要是天线、表头与喷嘴的连接(图2),图示位置天线已安装在喷嘴里。安装时要特别注意用水准仪确保天线和表头与储罐中心线的倾角达到要求。

1.2.2 电气部分的安装方法
首先确定雷达液位计配备的模拟输出,如果有源,电源线与信号线共用一对线即可;如果无源,则必须单独给雷达供电,否则将导致信号丢失和仪表损坏。其接线模式有非本安和本安两种,非本安接线盒用于连接非本安电源、TRL/2总线和继电器;本安接线盒用于数据采集单元DAU、显示板RDU40、模拟输入和温度传感器的本安连接。还需注意,通信协议不同接线方式也不同,所以雷达液位计的电气安装较为复杂。总体上可分为电源接线和信号接线两部分:
a. 电源接线。在石油工业中,雷达液位计主要用于测量油罐中油液的位置,因此它的使用和电气接线必须符合该区域的安全等级,电缆也必符合相关供电电压准则,并且要通过适合于该危险区域的认证才可以使用。液位变送器内置有可自动调整的整流器卡件TRC,以适应连接100~ 240VAC、34~70VAC和48~99VDC电源电压,在供电方式上比较灵活。因此,只要将供电电源线连接至接线盒电源端的L1+和L2一即可。
b.信号线的连接。雷达液位计通过TRL/2现场总线、现场通信单元FCU和现场总线调制解调器FBM连接至上位机。FBM将TRL/2 Modbus信号转换成通用协议RS232信号,每条TRL/2总线可以连接8个单元。当变送器与TRL/2总线连接至上位机后,用Saab TankMaster WinSetup/WinOpi软件对变送器进行组态和初始化,并实时监控储罐内介质的液位和体积及温度等数据。另外,还有继电器、模拟输入/输出、单点和多点温度传感器、数据采集单元DAU、远传显示单元RDU 40及Hart协议手操器等扩展外围设备的接线,可参照说明书进行设置和安装。
2 雷达液位计的自动控制
从安装在罐顶的雷达液位计接线盒里把引出的电源线与数据线汇总到现场总线电源梳理器和接口单元,再使用串行通信接口RS485/232连接至工控机,并完成软件组态和罐区参数的初始化设置 ,如果需要对现场信号线进行本安隔离,必须先通过安全栅再连到DCS的I/0端子。这样,就可以通过DCS系统实时观察罐区介质液位的变化情况了,再辅以罐区进/出口阀门的自动控制,使介质液位自动维持在所需的位置,实现罐区液位的远程自/手动控制、即时掌握实时/历史数据,并能从雷达液位计自带的组态软件中分析液位的曲线图,查看生产和设备的历史/实时运行情况,消除人为干预造成低精度计量的现象 。雷达液位计自控系统如图3所示。

3 维护
为延长雷达液位计的使用寿命,保持长时间的高精度测量,日常维护至关重要,而且必须由专业人员或在专业人员的指导下进行。维护过程中一般应注意以下几个方面:
a.接地保护。为防止漏电对电器元件造成破坏和对正常信号传输的干扰,需将雷达表头和控制室机柜信号接口处任一一端接地。
b.瞬间过激电压保护。雷达液位计本身支持这项功能,但安装时要尽量避开雷电经常活动的区域,或者做好外部雷击保护措施。
c.干扰信号。在短时间内液位出现强烈波动时应及时查找原因,排查故障。天线下方有任何障碍物都有可能使信号变弱而造成测量偏差。
因此,当被测介质是沥青或挥发性较强的介质时,要定期对天线进行清洗。
d.接线端口。现场接线端子一定要进行密封隔离,以免液体侵入造成电源短路、接线端子和电路板腐蚀。
4 故障现象及解决方法
雷达液位计的故障点有很多,在处理时通过逐步细化功能段,借助测量仪表工具用排除法解决。首先要初步判定故障是在雷达设备还是在DCS控制部分,具体方法是对雷达进行单独通信,如果正常,说明是DCS出现问题。如果确定雷达设备故障,需判断是硬件还是软件故障,如果是软件故障则要利用调试软件进行查看;硬件则需判断是机械部分还是电气部分,并分析判断zui有可能出现故障的模块,然后用正常模块进行替代,逐步排除,找到故障点。有时也可能是几个故障点共同引起的,就要用完全替换法找出故障所在。
笔者列举两个典型的实例来阐述故障处理的一般方法。
4.1 电流漂移
2008年独山子乙烯厂销售部罐区的一台雷达液位计(现场总线收入)出现故障,其表现形式是DCS显示的液位与实际液位存在一定的偏差。
在真实液位未知的情况下,对I/O口信号端进行电量检测,显示为电压19V、电流22.2mA,又到罐上用笔记本进行Hart通信,调试软件Radar Mas.ter上显示电流为18.64mA、液位为5.489m,经查验属正常液位。分析出现此情况的原因,猜测可能是信号受到外电场干扰产生电流漂移造成的。
用调试软件对4~20mA信号进行环路测试和修正,具体做法是在线路中串联电流表,在测量的零点液位输入4mA电流,在测量液位的zui高值处输入24mA电流,测试结果是雷达正常,可事实证明确实存在零点漂移,笔者对雷达液位计做了屏蔽干扰信号处理后一切正常。因此,在对液位计信号线进行布线时不要与强电或干扰源混合走线,以避免电流干扰影响测量精度。建议每半年进行一次零点漂移校正。
4.2 信号干扰
雷达液位计隐形的不正确安装也可能造成干扰信号,而且不易被察觉。2008年克拉玛依油田的一个导波缆天线雷达初装时(空罐)参数设置如下:
型号3301HA1S1EM1450JBI1MIC1
位号LT.408
罐参考高度17.07m
上盲区0.15m
天线长度14.5m
量程0.15—14.82m
介电常数空气为1 介质为3
4.2.1 故障现象
对雷达液位计进行初始化后(图4),发现空罐有显示液位(图5)。

查对参数设置无误,说明有干扰信号。进一步分析发现图5所示的曲线呈明显锯齿振荡,信号强度也不稳定,说明在P2点约7.6m(即液位9.38m)处受到了干扰,排查天线部分的干扰后,分析出现假液位的原因是雷达波信号根本就没到达罐底。出现此类故障现象的原因很多,大致有以下几种:
a.导波天线产生弯曲,导致雷达波发射遇阻,或在安装导管内有障碍物产生干扰;
b. 导波缆天线上附着有干扰信号的物质;
c.液位计附近有电磁干扰;
d.有电流漂移产生。
4.2.2 故障排除
首先检查天线外观是否有污垢附着,未发现有异物;接下来小幅、轻微地晃动天线,未发现周围有干涉物。又怀疑是导波缆过长(14.5m,thl6Omm),重锤质量小,又未加装定心环,造成导波管与管壁接触引起干扰造成假液位。用钢板做几个直径略小于导波管内径的定心环,安装到天线末端后天线突显效果,但没过几分钟液位又停留在某个高度,这时基本可以判定故障部位在天线上。zui后,通过多加几个定位环间接增加重锤质量,促使天线在竖直方向上呈直线后,故障排除。
雷达液位计的良好应用对石油液位的准确计量甚为关键,特别是雷达液位计、执行装置与DCS/FCS相结合的工业自动化控制系统的投运,大大提高了企业的生产效率。

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