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三畅雷达液位计在罐区的应用现状、优势与安装要求

作者: 来源: 发布时间:2018-03-01 10:26:53

 摘 要:随着仪表技术的发展,罐区液面测量逐渐由机械式测量向智能化仪表发展,在罐区使用最普遍的智能化仪表是雷达液位计,利用回波测距原理进行测量液位。其中,三畅雷达液位计是国内技术比较领先的液位计,其工作方式是经变送器天线发射出脉冲微波信号,迅速在空间里传播,传播过程中遇到被测介质表面,其部分脉冲微波信号被反射回来,被雷达变送器天线所接收。利用发射的脉冲微波与接收脉冲微波的时间间隔与变送器天线到被测介质表面的距离成正比来进行液面测量,是国内最早使用26GHZ脉冲微波测量的物位计。

 
0 引言
某炼油老厂区罐区,目前有各类油品储罐150多个,主要用来存储成品油,有汽油、采油、航煤、三苯等。自同行业相继报道有罐区爆炸事故以来,国家、行业对石油化工监管越来越严,对罐区安全保障要求不断提高,相关的安全管理制度、管理措施陆续出台。为了满足新形势下的新标准和罐区新的规范,满足罐区仪表的准确测量,某炼油厂在2011年开始设计在北罐区新增雷达液位计50套,提高了罐区液面测量的可靠性,并与2016年10月全部安装完毕并投用。
 
1 储油罐液位计介绍
炼油老厂区罐区150多个储罐,在未更换雷达液位计之前,使用光导液位计来进行储罐液位的测量。光导液位计自1988年开始安装,到1991年全部安装完成,140多套液位计陆续投入使用,至今已使用20多年。由于设备使用年限久,部分液位变送器已超过使用寿命,大部分附件老化孔带、码带及小钢带断裂扭曲;大、小传动滑轮滚轴裸露易沾灰尘;小钢带油封槽腐蚀、隔离片破裂;浮盘连接卡子腐蚀,造成浮盘脱落等。
 
光导液位计仪表信号传输是通过1根总线,将各罐的液位计信号连接到总线上。信号传输过程中总线与分支信号接点多,连接方式采用总线与分支线三花五扣绞接,然后用绝缘胶带进行绝缘处理。时间久,绝缘胶带老化自然脱落,接线处与空气中的酸性气体长期接触引起氧化或是接地,导致整个总线仪表信号不能正常传输;一次表箱密封不严,破损严重,起不到防护作用等原因。灰尘或是脏物进入到采样孔内,导致液位监控系统误报警频繁,严重干扰工艺人员的判断和操作,影响罐区的安全生产。经公司评估后,决定将老厂区北罐区液位监控仪表更换为雷达液位计,于2012年开始施工,逐一对50个储罐进行隔离安装。南罐区目前正在逐步更换中。
 
3 三畅雷达液位计工作原理
该液位计经变送器天线发射出脉冲微波信号,脉冲微波信号迅速在空间里传播。当在传播过程中遇到被测介质表面,其部分脉冲微波信号被反射回来,被雷达变送器天线所接收。发射的脉冲微波与接收脉冲微波的时间间隔与变送器天线到被测介质表面的距离成正比。由于脉冲微波的传播速度极高,发射到介质表面的脉冲微波与从介质表面返回的脉冲微波的时间间隔很小(纳秒量级),很难识别。雷达液位计采用一种特殊先进的解调技术,可以准确识别从天线发射脉冲微波与介质表面返回脉冲微波的时间间隔,将脉冲微波信号进行放大后,精确地分析处理这些信号,计算出变送器天线到被测介质表面的实际距离从而进行液位测量。
 
三畅雷达液位计在变送器中采用先进的“微处理器和独特的EchoDiscovery回波处理技术”,及脉冲微波传送技术进行测量。该液位计工作适用范围广,测量时不受温度、压力的影响。对固体、液体、粉尘性及浆状介质,都可以进行测量。使用在油罐区可以测量所有油品介质包括:有毒、酸碱性腐蚀性介质,测量连续准确、拆装方便、维护量小、操作简单。
 
3.1 独特的EchoDiscovery回波处理技术
EchoDiscovery回波是三畅雷达液位计采用的新技术,为该液位计的正常工作、准确测量提供了可靠保证,提高了大型油罐复杂工况液面的测量精度。
 
有些特殊场合由于安装位置原因,产生的干扰微波,三畅雷达液位计具有独特识别虚假微波的功能,根据发出的微波信号和返回的微波信号识别出真实的信号,经变送器处理,可以标识出出现的干扰反射波,并剔除干扰微波信号。该功能主要是通过存于雷达液位计的内部数据库,使雷达液位计在数据处理时能识别实际微波和干扰微波,排除干扰反射微波对测量的影响。该功能在变送器里设置简单,进入变送器的设置菜单,输入液面的罐体的实际液位,通过变送器系统软件能自动地标识出液面到天线的虚假回波,就能排除这些杂波的干扰,保证测量的准确性。
 
3.2 脉冲微波技术
雷达液位计进行测量时,变送器天线发出的微波有两种方式,即调频连续波式和脉冲微波式。调频连续波技术雷达液位计,变送器本身功耗大,需单独供电,供电和信号分开设置,一般采用四线制连接方式。采用脉冲微波技术的雷达液位计,变送器功耗低,供电和信号未单独设置,采用二线制连接方式,实现本质安全,适用范围更广。三畅雷达液位计采用脉冲微波技术,变送器天线发射出脉冲微波频率为26GHz,持续时间极短,微波脉冲波长短,只有12mm,发送的脉冲波束角度小(根据发送天线喇叭尺寸决定:如4寸喇叭口时只有8度),脉冲微波在空气中传播时微波损失小,一般变送器发射测量范围可以达到70m以上。在脉冲发射微波短暂停留期间,变送器天线系统将作为微波接收器,接收反射回来的微波信号,并对回波信号波形数据处理,判断后显示反射波形和电信号,再通过信号处理单元,显示罐的实际液位。
 
4 三畅雷达液位计的优势
1)消除多重回波和虚假回波干扰。
2)应对各种复杂的现场工况。雷达液位计主要由机械部分(包括:变送器外壳、喇叭口天线、连接法兰、波导);电子部分(由集成电路板构成);应用软件3部分构成。
 
变送器天线、法兰的材料,均采用不锈钢特殊材质,抗腐蚀能力强,能适应腐蚀性强的场所。不受酸碱、液体泡沫以及微波传送过程中水蒸气、温度和压力变化的影响。变送器内部参数设定方便简洁,可用变送器上的操作键进行设定,也可用HART协议的手操器375或475,也可用装有VEGA Visual Operating软件的PC机,在远程或直接连接在变送器的通信端口进行参数设置,应用十分方便,如图4所示。
 
3)波长更短。对在倾斜的固体表面有更好地反射,测量盲区更小、波束角小、能量集中,增强了回波能力的同时,又有利于避开干扰物,高信噪比,即使在波动的情况下也能获得更优的性能。
 
5 三畅雷达液位计在罐区的实际应用
雷达液位计在实际应用过程中能否正确测量,完全依赖于变送器天线反射回来的脉冲微波信号。变送器天线发射出脉冲微波时,根据天线喇叭口的大小不同发射角也不一样。如果变送器所选择罐体安装的位置不合适,测量时无法将雷达微波信号反射回雷达天线;或雷达微波发射的范围内有干扰物,反射回来的雷达微波有干扰波,雷达液位计都不能正确测量实际液位。安装在罐区的仪表外壳必须接大地。前期,在罐区三畅雷达液位计安装完后,表壳未进行接地,经过整改已经完成。
雷达液位计安装图
5.1 雷达液位计的现场安装要求
合理选择安装位置对雷达液位计十分重要,安装未按要求或是安装不规范,均能导致雷达液位计不能正常使用,应避免安装状况对前段回波曲线形状影响,如图5所示的几种情况。
1)被测罐体中,保持与罐壁有适当的距离。此种状况会影响前段回波曲线形状,影响测量,造成测量不准确。
2)被测量罐体中,微波反射角内有突出物,会产生干扰微波影响测量。此种状况会造成测量信号不稳定,测量信号波动大。
3)被测罐体中,发射角范围内有物料进口,出现物料流动。
 
此种状况会导致变送器反射的微波信号比实际微波信号大;或在真实液位反射信号和料流反射信号之间跳变,测量信号不稳定。
4)被测罐体中,变送器安装连接短接过长,变送器天线未出安装短接。安装连接短接过长,当罐体中实际液位在高液位时,连接短接出口的天线反射波与真实回波相互干扰,导致变送器信号不稳定或跳变。
 
5)被测罐体中,变送器要避免安装在弧顶罐的正中心。此种情况可导致天线反射回波曲线紊乱,变送器输出值不稳定,显示偏差大。
 
5.2 雷达液位计在罐区安装状况
罐区在未更换雷达液位计前,现场液位计采用的均为光导液位计,用来测量油罐液位。项目实施时,现场光导液位计是否拆除的问题,经讨论探究决定暂时不停用,待光导液位计出现故障后逐步停用,采取两台液位计对比来进行测量。在罐区选的是26G高频三畅雷达液位计,不锈钢喇叭口天线,本安型,仪表信号采用24VDC供电,4-40MA及HART信号传输,信号经现场接线箱转接为多芯电缆传输到机柜间,如图6所示。机柜间内经安全栅隔离后,进入到DCS模拟输入卡件,通过横河DCS系统来显示测量。如图7所示。现场从罐顶采用法兰连接,未安装导波管如图11所示。
现场安装网络图液位计信号示意图
5.3 现场安装问题处理
在2016年6月份已安装到位的液位计,发现5台投用后多次标定,显示偏差均在30%~60%之间,罐号为934#、966#、965#、903#、935#罐,介质均为汽油罐。现场外观检查发现5台液位计防爆外壳玻璃表盖上有水珠,防爆外壳缺葛兰头、缺密封堵头、密封堵头与葛兰头安装接口调换位置,两个接口的螺纹不一样,堵头丝扣未拧到位;将液位计拆回进行检查标定。当拆卸下编程器表头和传感器后,发现这5台表体底部均有不同程度腐蚀现象,如图8所示,初步判断为进水所致。工作人员对这几台液位计进行原因查找,检查是什么原因造成变送器壳体进水,分别做以下试验:
1)对表盖进行盛水试漏实验,表盖玻璃无漏水现象,密封良好;
2)对966#罐上雷达整个表体进行水流冲刷试验,水流持续冲刷10min,打开表盖未发现明显进水现象 。
表体内部腐蚀痕迹和表盖及椎管进水试验
5.4 锥形管天线密封试验
对966#罐雷达液位计倒扣,锥形管里盛水,进行进水试验。静止4h后检查发现表盖上有很多水珠。怀疑是从锥管内渗水,其余4台雷达液位计进行倒扣进水试验,试验后均未发现有明显的水迹倒流进入表壳内,如图9所示。拆开966#罐液位计后发现同轴接头处有水珠,表内底部也湿润,明显进水。此表未从上方冲水,只从底部锥形管罐装过水,由此可以推断从天线处也可以慢渗进水汽。分析是由于此处的密封松动,紧固后正常,如图10所示。排除是由于介质通过喇叭口天线进入到变送器壳体内,造成测量误差。
同轴连接处水滴现场雷达液位计安装图
5.5 实验及处理结果
由此,可断定由于施工阶段,相关人员在施工时责任心不强,未按规范保护仪表设备,造成变送器雨天由仪表信号接口处进水,引起变送电子元件快速老化,造成仪表测量误差。联系厂家技术人员,更换部分器件后,重新进行参数设置,如图12所示。经信号测试,调试投运后指示正常。通过这系列的现场检查验证,进一步确定雷达液位计在罐区应用的优越性和可靠性。
故障液位计参数
6 三畅雷达液位计在罐区的应用效果
自2012年以来,三畅雷达液位计在炼油厂北罐区储罐上开始安装,截止2016年10月共安装了38台,目前运行状况良好,替代之前所用的光导液位计后,故障率和日常维护工作量明显降低,液位测量准确度上都比之前提高许多。
 
6.1 三畅雷达液位计在罐区中的应用
                为验证雷达液位计的技术性能及测量的准确性,于2016年6月10日至7月30日,在罐区做了多次人工量油与液位计自动量油对比测试。提取3次对比情况,使用效果良好。最大误差为2mm,运行稳定。仪表能准确地反映各罐生产动态、罐储油情况,满足了油品动态计量、数据传输的要求,方便管理和操作运行。液位计将标准仪表信号远传到DCS系统,通过OPC服务器,上传到生产网络 [4,5] ,相关人员随时可以观察到罐区油品管输状况。
 
6.2 存在的问题及改进措施
                1)罐区只安装38台三畅雷达液位计,每个罐区双表运行。多年以来,操作人员惯于用光导液位计来衡量仪表指示是否准确,依然对光导液位计存在依赖性。联系工艺技术人员要求对液位测量以雷达液位计指示为主,光导液位计测量只是辅作用。
                2)罐区还有很多罐未安装雷达液位计,改造难度比较大、周期比较长,在一定时期内,部分罐依然要使用光导液位计。公司已制定方案加大整改力度,预计在未来几年全部整改完毕。
                3)罐区区域很大,从现场到机柜间距离较长,由于远距离传输,对仪表直流24VDC供电电压衰减不易克服。现场测试,准备增加机柜间输出电压值,以克服电压衰减问题。
 
7 结束语
                罐区液位测量在石油化工行业中起着至关重要的作用,雷达液位计已经被广泛应用在大型油罐的测量中。三畅雷达液位计现场使用证明,其可靠性强、测量精度高、价格便宜、操作维护方便、维护工作量小、安装方便、抗干扰能力强、安全性高、便于拆装、智能集成结构简单,为罐区安全生产提供了有力的保障。

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