摘要：本文分析介紹了西門(mén)子公司雷達液位測量技術(shù)應用于各種常見(jiàn)的油品和液化氣的液位測量的可能的測量方案的選擇。

　　關(guān)鍵詞：雷達 液位測量 油罐 介電常數 液化氣

　　Abstract: This paper introduces and analyses the possible solutions of Siemens different radar level technology to measure familiar kinds of oil and liquid-gas .
Keywords: Radar, Level, oil tank, DK, LPG

　　一、前言

　　儲罐是油田煉油廠(chǎng)、油庫、石油碼頭及各大石化企業(yè)普遍需要使用的存儲設備，通過(guò)對儲罐內的液體介質(zhì)（各種石油化工產(chǎn)品）的溫度、壓力、液位、密度等參數的測量，可以計算出儲罐中液體的體積量及質(zhì)量?jì)α?，以?shí)現現代化生產(chǎn)中對資產(chǎn)管理的需求。

　　儲罐對液位測量的要求不同，一般可分為過(guò)程級及貿易級兩種。貿易級液位計的精度要求非常高，需要對罐內的進(jìn)行精確測量，一般要求測量精度達到±1mm；而過(guò)程級液位計的精度要求一般是在±5～15mm之間，相對而言對液位計測量可靠性和穩定性要求更為嚴格，測量目的一般是為了防止油罐冒頂、抽真空等事故的發(fā)生。

　　各種儲罐的大小和種類(lèi)各不相同，所測量介質(zhì)的特性和工藝條件也各不相同，因此只有從客戶(hù)的實(shí)際情況出發(fā)，合理的選擇液位計及設計液位測量解決方案，才能使客戶(hù)的投資最優(yōu)化。 
 
　　二、儲罐液位測量技術(shù)

　　目前用于儲罐的液位測量技術(shù)非常多。根據測量方式，可以分為接觸式和非接觸式。

　　接觸式測量方法主要有人工檢測尺、浮子式鋼帶液位計、伺服式液位計、靜壓式液位計、磁致伸縮液位計、射頻導納液位計等。

　　非接觸式測量方法主要有超聲波液位計、雷達液位計等。

　　其中目前市場(chǎng)上常用的可以滿(mǎn)足貿易級液位計要求的測量方式有：磁致伸縮液位計、伺服式液位計、雷達液位計、靜壓式液位計等，靜壓式液位測量系統（HTG）因為過(guò)于過(guò)于復雜，維護量大等缺點(diǎn)，使用量越來(lái)越少。而雷達液位計作為一種高精度的液位測量方式，因其量程大、安裝方便、維護量低等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多的得到客戶(hù)的認可和接受；而且近幾年，雷達液位計的價(jià)格也逐年降低，也使很多普通的用戶(hù)也開(kāi)始采用起雷達液位計作為儲罐的液位測量方案。

　　三、雷達液位測量原理及特點(diǎn)

　　雷達液位計又稱(chēng)微波液位計（Radar），是取英文詞組“RAdio Detection And Ranging”的詞頭字母而來(lái)的縮寫(xiě)詞。微波物位計朝一個(gè)目標發(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， 確定目標的存在和它到發(fā)射源的距離。

　　目前市場(chǎng)常見(jiàn)的微波物位計采用的工作原理主要有FMCW（連續調頻）和脈沖兩種。

　　FMCW雷達液位計采用線(xiàn)性的調制的高頻信號，一般都是采用10GHz或24GHz微波信號。它是一種基于復雜數學(xué)公式的間接測量方法，由頻譜計算出物位距離。天線(xiàn)發(fā)射出被線(xiàn)性調制的連續高頻微波信號并進(jìn)行掃描，同時(shí)接收返回信號。發(fā)射微波信號和返回的微波信號之間的頻率差與到介質(zhì)表面的距離成一定比例關(guān)系。

　　脈沖雷達液位計，與超聲波技術(shù)相似，使用時(shí)差原理計算到介質(zhì)表面的距離。 設備傳輸固定頻率的脈沖，然后接收并建立回波圖形。信號的傳播時(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，雷達使 用的是電磁波。它利用好幾萬(wàn)個(gè)脈沖來(lái) “掃描”容器并得到完整的回波圖。

　　雷達液位計的典型波段為 5.8 GHz、10GHz 、24 GHz。通常我們稱(chēng)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。

　　由于雷達液位計的增益系數和波束角的大小和微波的波長(cháng)以及雷達液位計的喇叭口尺寸大小有關(guān)系。因此，越來(lái)越多的雷達液位計制造商開(kāi)始研發(fā)采用高頻率微波技術(shù)來(lái)改善雷達液位計的性能。同時(shí)，采用高頻技術(shù)后，可以在提高雷達性能的同時(shí)，大大縮小天線(xiàn)的尺寸，使安裝更加方便。

　　由于雷達液位計采用的微波是一種電磁波，在傳播的過(guò)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距的原理（TOF），對雷達液位計來(lái)說(shuō)，不存在磨損等問(wèn)題，因此基本不需要維護；頂部安裝的方式也使安裝更加方便；而且由于微波的特性，相對其它液位測量方式，它的精度一般都能達到0.1%（全量程）的精度。由于雷達液位計具有這不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多的儲罐用戶(hù)開(kāi)始采用雷達液位計來(lái)替代其他技術(shù)。

　　四、解決方案

　　西門(mén)子公司從1998年推出第一臺智能化的雷達液位計IQ160開(kāi)始，陸續推出了基于各種工作原理和采用不同頻率的雷達液位計，形成較齊全的產(chǎn)品線(xiàn)，能夠滿(mǎn)足各種不同過(guò)程工藝、介質(zhì)的測量需求。

　　Sitrans LR系列雷達目前包括Probe LR, LR200,LR300和LR400四個(gè)系列產(chǎn)品。

　　Probe LR是一款性?xún)r(jià)比極高的一款雷達液位計。它是一個(gè)兩線(xiàn)制回路供電的， 5.8GHz頻率雷達液位計，用于測量?jì)藓瓦^(guò)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)儲罐、化學(xué)反應罐和長(cháng)量程應用。它的量程為20 m，精度為全量稱(chēng)的0.1%（如圖1） 。

　　LR200在兼具了Probe LR的所有優(yōu)點(diǎn)的基礎上，還提供了各種不同規格的安裝方式（包括各種規格法蘭和螺紋）和不同的天線(xiàn)的選擇（包括喇叭口天線(xiàn)、桿式天線(xiàn)、導波管天線(xiàn)等），極大程度地滿(mǎn)足不同過(guò)程工藝的需求。

　　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(cháng)量程的連續調頻（FMCW） 雷達物位儀表，可以用于最高達50米的儲罐的測量，及時(shí)用于測量介電常數較低的介質(zhì)（輕油、液化氣等）也能得到極好的測量效果。24GHz 和高信噪比的特性能得到非凡的信號反射，而與介質(zhì)的介電常數無(wú)關(guān)。它還具有先進(jìn)的回波處理算法，能為惡劣的固體應用提供可靠的測量。它的測量精度為±5mm（如圖2）。

　　根據儲罐介質(zhì)的特性，這里將各種儲罐測量分為輕油及原油、重油、瀝青、液化氣、腐蝕性介質(zhì)五種。

    1、輕油的測量

　　典型的輕油介質(zhì)為汽油、石腦油、石油等。一般會(huì )產(chǎn)生一定的揮發(fā)性氣體，介電常數較低（<3）。

　　低頻雷達（Probe LR/LR200+導波管。如果采用低頻（6GHz）的雷達液位計直接測量，可能會(huì )因信號過(guò)于微弱而導致失波，一般會(huì )要求安裝導波管。比如：Sitrans LR200配導波管的配置可以滿(mǎn)足輕油的液位測量（如圖3）。導波管的制作要求為：金屬材質(zhì)（最好是304或316不銹鋼）；內壁光滑，無(wú)明顯焊縫（要求無(wú)縫焊或套焊）；在合適的位置開(kāi)排氣孔，一般在導波管的上部，開(kāi)空面積根據介質(zhì)特性（粘度）須適量；如有必要在管底部設置偏置板，以防止由于微波信號穿透液面產(chǎn)生來(lái)自底部的錯誤信號。這個(gè)解決方案一般用于儲罐高度小于5～10m的應用中。

　　高頻雷達（Sitrans LR400）。采用高頻率的雷達液位計，不需要任何輔助措施（高頻雷達由于其特性，一般不建議用于導波管），既可以實(shí)現測量輕油的液位。對于一些較高的儲罐，由于制作導波管的成本和安裝成本較高，而且很多較長(cháng)的導波管在環(huán)境的變化下，可能會(huì )導致一定的變形影響雷達液位計的測量效果和精度，因此，選擇高頻的Sitrans LR400用于測量大量程的輕油儲罐的總體投資成本將會(huì )比低頻雷達解決方案更經(jīng)濟適用。

    2、重油的測量

　　典型的重油介質(zhì)為柴油等，其介電常數一般>3，有一定揮發(fā)性氣體?？梢圆捎玫皖l的Probe LR或LR200直接測量（如圖4）。

    3、瀝青的測量

　　瀝青（液態(tài)）的介電常數也比較低，一般在3左右（根據溫度）；而且液態(tài)的瀝青一般需要用高溫來(lái)維持，伴隨著(zhù)高溫一般都會(huì )有一定的水蒸氣；瀝青的特性比較粘，很容易產(chǎn)生一定的掛料的現象。

　　高溫（>100?C）的工況，一般都需要選擇PTFE材質(zhì)的天線(xiàn)，而不能選擇PPS的天線(xiàn)（如：Probe LR）；為了防止掛料的影響，可以選擇喇叭口天線(xiàn)；但水蒸氣一般會(huì )導致冷凝水的產(chǎn)生，經(jīng)試驗表明，桿式天線(xiàn)對冷凝水的敏感程度要小于喇叭口天線(xiàn)，因為桿式天線(xiàn)的有效發(fā)射電磁波的面積要遠大于喇叭天線(xiàn)（發(fā)射電極只有筆尖大?。?；瀝青的介電常數較低，在天線(xiàn)所產(chǎn)生的少量掛料一般都可以被雷達液位計的電磁波穿透；由于瀝青介質(zhì)的掛料比較粘稠，采用清洗裝置的作用并不是很明顯，因此筆者并不建議采用清洗裝置用于測量瀝青。

　　因此，對于儲罐內攪拌、掛料非常嚴重的瀝青應用，可以采用帶喇叭口的LR200，喇叭口大小應不小于DN150（6”）;而對于溫度較高，冷凝水現象比較明顯的工藝中，可以采用全PTFE的桿式天線(xiàn)為佳：采用不銹鋼屏蔽段的PTFE天線(xiàn)對口徑較小的安裝立管的屏蔽效果較好，但是屏蔽長(cháng)度如果選得太短了，無(wú)法延長(cháng)；采用全PTFE的天線(xiàn)的屏蔽段長(cháng)度可以根據安裝立管的長(cháng)度自由方便地延長(cháng)，但是在小口徑（≤DN80）的安裝立管會(huì )對天線(xiàn)的工作產(chǎn)生影響。因此，最好在安裝雷達液位計安，應對安裝立管的口徑和長(cháng)度提出要求。

    4、液化氣的測量

　　液化氣包括液化天然氣（LNG）和液化石油氣（LPG）兩種。典型的液化氣介質(zhì)有：丙烷、丁烷等。

　　主要的特點(diǎn)是：介電常數一般都非常低（1.5～1.8）；高壓低溫儲存；防爆要求；通常用球罐存儲，球罐的高度一般在10～28m不等。

　　目前的雷達液位計測量液化氣主要有兩種方式。

　　一種是利用旁通管，使用低頻雷達（Sitrans LR200）測量。由于這種方式對旁通管制作的要求非常高，很容易因為旁通管質(zhì)量不理想，而導致使用效果不佳；甚至在一些量程較大的球罐應用中，由于旁通管過(guò)長(cháng)，很容易發(fā)生扭曲的現象，使雷達液位計無(wú)法測量。使用LR200安裝在旁通管或導波管上測量液化氣的解決方案，由于種種原因，鮮有成功的案例。

　　另一種采用高頻雷達對低介電常數介質(zhì)的良好發(fā)射特性，直接測量液化氣液面。Sitrans LR400能夠直接測量介電常數低至1.5的介質(zhì)，可以滿(mǎn)足液化氣的測量。安裝位置可以選在球罐的頂上，在球罐頂部直接開(kāi)孔，為了保證維護的方便，一般需要在LR400安裝在帶球閥的安裝立管（建議DN>150為佳）上，方便隨時(shí)拆下來(lái)維護；或者安裝在較粗的旁通管（直徑6～10”以上）上。

　　Sitrans LR400在國內的獨山子石化煉油廠(chǎng)應用，并取得了良好的使用效果。根據現場(chǎng)的使用測試，發(fā)現LR400的測量精度和重復性均能達到非常好的效果。

    5、腐蝕性介質(zhì)的測量

　　典型的腐蝕性介質(zhì)包括：硫酸、硝酸、燒堿、鹽酸等。

　　大部分腐蝕性介質(zhì)的介電常數都較高；伴有不同程度的揮發(fā)性氣體（煙霧）；不同濃度的腐蝕性介質(zhì)對不同的雷達天線(xiàn)材料有不同的腐蝕性要求；很多腐蝕性介質(zhì)的揮發(fā)性氣體具有一定的滲透能力，再一段時(shí)間的使用后，可能會(huì )滲透到儀表電子部分或天線(xiàn)的電機發(fā)射部分而損壞雷達液位計。

　　采用何種雷達天線(xiàn)來(lái)測量腐蝕性介質(zhì)，一般需要事先查化學(xué)兼容表來(lái)確認。

　　1）:不適用于溫度較高的硫酸；2）：能承受鹽酸干氣體；3）：超聲波不適合用于測量硝酸，硝酸的揮發(fā)性氣體對超聲波有強烈的吸收作用；4）：液氨氣體具有極強的滲透作用，需要選擇一體化墊片的氣密型設計。

　?。嚎梢允褂?；?：使用效果一般；?：不可使用；NA：未知

　　考慮到很多腐蝕性介質(zhì)的揮發(fā)性氣體也具有一定腐蝕性和滲透性，因此一般會(huì )選擇一體化法蘭墊片的選項來(lái)防止揮發(fā)性氣體對法蘭的腐蝕和通過(guò)法蘭連接處進(jìn)行滲透。
　
　　另外，很多酸堿儲罐會(huì )產(chǎn)生很多水蒸氣和泡沫。這需要根據實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行適當的選擇：水蒸氣產(chǎn)生冷凝水嚴重的應用，可以考慮采用桿式天線(xiàn)；泡沫的厚薄和成分不同，對微波是否能穿透泡沫進(jìn)行準確地液位測量起至關(guān)重要的作用，需要具體的分析和更多的經(jīng)驗的積累。

　　五、結束語(yǔ)

　　通過(guò)近幾年對雷達液位計在石油化工領(lǐng)域的應用研究，以及西門(mén)子不斷進(jìn)行新產(chǎn)品新技術(shù)的研發(fā)，西門(mén)子雷達液位計在各種儲罐的應用也越來(lái)越成熟，成功的案例也越來(lái)越多。筆者相信隨著(zhù)雷達技術(shù)的發(fā)展和成熟，雷達液位計會(huì )逐步成為儲罐液位測量的主流。

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