雷达液位计在油品储罐上的应用

孙文英

摘要：油品储罐是炼油厂存储原油和成品油的重要设备，储罐液位是油品集输工艺的重要参数之一。而雷达液位计是炼油厂油品储运罐区近年来应用最多的物位测量仪表，它采用与介质无接触的测量方式，具有安装方便、出现的故障率低、维护简便、精确度高、受介质影响小等优点，目前已在炼油厂储运罐区得到广泛应用。本文重点介绍了雷达液位计的测量原理、特点及分类；雷达液位计的安装、调试；应用情况及效果；使用过程中存在的问题及改进措施；经济效益等。

关键词：油品储罐；雷达液位计；电磁波；安装；调试

1、前言

油品储罐是炼油厂存储原油和成品油的重要设备，对储罐内的液体介质的液位、温度、压力、密度等参数的测量，可以计算出储罐中液体的体积量及质量储量，以实现现代化生产中对资产管理的需求。

储罐液位是油品集输工艺的重要参数之一。储罐对液位测量的要求不同，一般可分为过程级及贸易级两种。贸易级液位计的精度要求非常高，需要对罐内的进行精确测量，一般要求测量精度达到±1mm；而过程级液位计的精度要求一般是在±5~15mm之间，为了防止油罐冒顶、抽真空等事故的发生，对液位计测量的可靠性和稳定性要求更为严格。由于各种储罐的大小和种类各不相同，所测量介质的特性和工艺条件也各不相同，因此只有从现场工艺的实际情况出发，合理的选择液位计及设计液位测量，才能更好的满足工艺的计量需求，更好的确保工艺的安全生产。而雷达液位计是我厂罐区近年来应用最广泛的物位测量仪表，它采用与介质无接触的测量方式，具有安装方便、故障率低、维护容易、精确度高、受介质影响小等优点。

2、雷达液位计工作原理、特点和分类

2.1 雷达液位计工作原理

微波是以光速c传播的高速电磁波，当发射的电磁波碰到介质液面时就会反射回来，雷达通过测量发射波与反射波之间的延时t来确定天线与反射面之间的距离(空高h)。T=2h/c。(c=300000km/s)光速c不受介质环境的影响，传播速度是稳定的，当测得延迟时间t就可获得空高h。

雷达系统不断地发射线性调频信号^[1](即频率与时间成线性关系的信号)，可以得到发射信号频率与反射信号频率之间的差频，差频正比于延迟时间t，也即正比于空高h。差频信号经过数据处理，就可获得空高值h，罐高值与空高值之差就是液位值。

2.2雷达液位计的特点

（1） 可靠性高。非接触测量，无活动部件，出现故障率低，因而可靠性高。

（2）计量精度高。测量精度不受介质温度、压力及介电常数等变化的影响。

（3）应用范围广。可运用于各种油品储罐，尤其运用于高精度、易结晶及高温高压的介质。

（4）数字输出技术。具有RS-232、RS-485标准接口，现场与控制室之间采用数字传输，可 以克服模拟信号传输带来的误差。

（5）体积小、重量轻，安装便捷、维护简单。

（6）有故障自诊断和提示功能。

2.3雷达液位计的分类

雷达液位计按工作频率来分，通常分为：C波段^[2]（6GHz,低频），X波段^[2]（10GHz）,K波段^[2]（26GHz,高频）三种。不同频率的雷达液位计可适应不同的使用场合：a.低频率对天线的挂料具有较好的抵御能力；b.低频率对波动的液体表面有更好的性能；c.低频率具有更好的泡沫穿透力；d.高频率具有较窄的波束宽度，可以避免障碍物；e.高频率因为波长较短，在倾斜的固体表面有更好的反射；f.高频率可以使用更小的天线。

雷达液位计按天线的类型来分，主要有杆式、喇叭、短棒、抛物面、平面天线等几种。

杆式天线常见于C波段（6GHz,低频）雷达，具有天线直径小的特点，适用于安装立管内径小、强腐蚀性、冷凝水的应用工况。

喇叭天线是最常见的雷达天线，适用于各种频率的雷达液位计。不同尺寸的喇叭口性能差异较大，喇叭口越大，性能越好。

短棒天线雷达常用于K波段（26GHz,高频）雷达液位计，具有天线尺寸小，信号强、抗腐蚀性强的特点，被广泛应用于强腐蚀性工况。

抛物面天线是利用回波发射聚焦的原理，产生极小的波束角，使微波能量大大增强，常用于高精度（贸易结算级）雷达或固体雷达。

平面天线是利用微波透射聚焦的原理，能产生较小的波束角。目前主要用于固体料位的测量，在石油化工的液体液位测量上应用并不广泛。

3、安装及调试

3.1安装：安装简单方便。但雷达液位计安装的正确与否，直接会影响到雷达液位计的测量问题。

3.1.1 喇叭口天线的下端必须低于罐顶20mm以上，法兰对水平面的误差应小于±0.5°,喇叭天线的中轴线应保证与液面垂直，且距罐壁的最小安装距离不能小于0.15H（H为罐高）。3.1.2 导波管安装法兰对水平面的误差应小于±1°，导波管的中轴线必须与液面保持垂直；罐内导波管必须开孔，有二相介质时液、气平衡孔直径最小为10mm,两孔距之间的最小距离为100mm；导波管必须做防腐，且管内壁光滑无毛刺；为避免冲击，导波管的安装位置应远离进出料口。

3.2调试：调试方法简单，可有两种方法进行调试

3.2.1 通过雷达表面板来设定参数，通过查看面板的数据及读取曲线来完成雷达的调试工作。

3.2.2 通过PC机的调试软件来设定参数、读取曲线来完成雷达的调试工作。

4、应用情况及效果

4.1应用情况：自2000年以来，我们先后在储运罐区共安装了144台雷达液位计，再投用过程中，模拟信号传输的雷达液位计存在着传输误差的问题，现已基本解决，数字信号传输的雷达液位计运行状况良好。

4.2应用效果分析：为了考核雷达液位计的技术性能，我们在原油罐区做了人工量油与液位仪自动量油对比测试，效果良好。

4.2.1最大误差为2mm，运行稳定。

4.2.2仪表能准确地反映各罐原油生产动态、站内储油情况，满足了原油动态计量、数据传输的要求。

4.2.3方便管理和操作运行。

4.2.4仪表有自诊断功能，可准确的诊断出仪表故障。

5、存在问题及改进措施

5.1雷达液位计与上位机的液位显示存在着较大的误差问题。现场输出4 ～ 20mADC模拟信号的雷达液位计，把模拟信号传输到DCS的12位AI模拟量模块后，再传至上位机，由上位机显示液位值，在整个过程中经常出现上位机与雷达液位计的液位显示值不一致，存在着较大的误差。对于这一问题，我们在上位机画面做一个液位修正值来修正二者之间的误差。但这种解决方法还不是最佳解决方案，要想真正解决二者之间的误差问题，方法有两种：一是把所有的传输模拟信号的雷达液位计更换为传输数字型号的雷达液位计，改为用RS485信号传输方式进入DCS的通讯模块，再传至上位机，就可以消除二者之间的误差；二是将12位AI模拟量模块升级为16位的模拟量模块，降低了二者之间的传输误差。在实际应用中，我们将模拟量模块升级为16位后，测量精度大大提高，解决了二者之间传输误差大的问题。

5.2导波管内壁不光滑对测量的影响。由于我厂使用的导波管材质大多为碳钢管，而有些罐内介质腐蚀性强，使导波管易生锈，一旦导波管内壁有锈斑，就会引起测量误差。针对这一问题，我们用雷达软件对干扰波做抑制（如图6），可消除测量误差，但导波管内壁锈斑过大时，只有清理导波管才能解决这一问题。在此我们建议导波管最好用材质为不锈钢的钢管。

图6抑制前 图6 抑制后

5.3导波雷达液位计在使用过程中遇到的各种对液位测量的影响。

5.3.1 导波雷达液位计在未清罐的情况下安装时，又没有导波管，由于导波缆绳底部未固定，在收付油时导波缆绳会随着液位的波动而晃动，造成液位测量误差大，工艺无法读取准确的液位值。针对这一问题，我们在清罐过程中，在垂直于导波雷达的罐底部焊接一个DN200，高40mm的钢管(如图7)，把导波雷达缆绳底部的重锤放入其内，从而解决了因缆绳晃动而造成的测量误差的问题。

图 7

5.3.2导波雷达在测量混合液体时产生测量误差大，经常发生跳变现象。如：某一罐区LT-4214雷达液位计在使用过程中发现因测量介质为混合液体，使不同介质互相分层（轻质油、蜡油、水等），导致液位值在不同的反射波之间跳变，测量液位数值与实际液位相比有偏差，且偏差值不是定值。通过在导波缆安装一个外径为DN80，内径为DN6的不锈钢浮球（如图8），浮球总体密度小于介质最上层轻质油的密度，使浮球始终漂浮在液面上，而金属的介电常数大，雷达反射波信号最强，根据雷达的测量原理，雷达获取信号最强的反射波为测量值，这样就解决了雷达的偏差及跳变的现象。

5.4罐内液体反射面以上组分构成及特性对测量误差的影响。

5.4.1利用雷达系统进行液位测量，必须保证一部分反射波从物位表面反射回去。若液体物位表面存在一层气泡，反射信号的能量很小，将引起测量误差，如图9所示。消除的方法是加传输导波管。

5.4.2液化气罐的测量由于其饱和蒸汽压低，气相浓度大，对测量精度产生较大影响。消除的方法是进行智能补偿^[3]。

5.5 雷达液位计调试软件有缺陷，自诊断功能不够强大。某个厂家生产的数字信号传输的雷达液位计，因现场为总线制接线方式，最后引进一根RS485信号电缆进入DCS的通讯模块后传送至上位机显示，当用PC机进行软件调试时，在操作盘后只能查看雷达液位计的通讯是否正常，无法对单台雷达液位计进行参数的设定及调试，要想调试只能把PC机拿到现场对其进行调试，特别是在现在工况条件恶劣的情况下，给仪表维护人员带来不安全隐患。雷达液位计调试软件缺少保留雷达曲线的历史趋势功能。自诊断功能不够强大，自诊断功能无法诊断出雷达液位计自身的故障，如当雷达天线发射波很弱影响液位测量时，他无法诊断出是因雷达高频模块出现故障还是因雷达天线出现故障所致，只能人为的用更换部件的方式来判断。

6、经济效益

6.1雷达液位计结构合理，性能良好，计量准确，稳定性好，实现了对油品储罐的全天候计量和监督。

6.2雷达液位计的推广应用，较好地解决了我厂原油进厂的盈亏计量及成品油出厂的损耗管理。

6.3雷达液位计的推广使用，充实了我厂局域网数据，为生产管理自动化打下基础。目前我公司计量数据100%已实现了网上采集和传输。

6.4雷达液位计的应用，减少了对人工操作的依赖，取消了操作工每两小时上罐量油一次的作业，极大地减轻了工艺人员的劳动强度，同时也降低了维护人员的维护量，提高了劳动效率。

6.5雷达液位计的使用，杜绝了在炎热、雷雨、冬雪等恶劣环境条件下，人工检尺的不安全因素。

7、结束语

由于雷达式液位计无可动部件，没有机械磨损、非接触式测量、维护量少、标定简单、精度高，并具有其它一些物位仪表所没有的优点，所以得到越来越广泛的应用。近年来，新的技术层出不穷。有的雷达液位计加大发射功率，取样次数高达每秒几十次，已经可以用于带多层搅拌桨叶的容器液位测量。有的利用平面天线技术，它在平面天线上分布多点发射源，同时发射并接收电磁波，信号同时离开平面天线，抵达液面后，一个干净的平面波被返回，凭借极佳的序列回波，可以达到极高的物位测量精度。还有如宽矩阵^[4]线性平面天线技术，避免了由于罐壁反射对测量精度的影响。随着技术进步，雷达式液位计必将以其独到的优点在各行业中得到更广泛的应用。

参考文献：

1. 黄波，西门子雷达液位计在复杂工况中的测量实验J. 化工自动化及仪表，200504

2. 吴彦红.雷达液位计在液化烃球罐上的应用J. 石油化工自动化，200305

3. 王鹏飞.几种常见油罐液位计的性能特点及选用J. 重庆工业高等专家学校学报，200402

4. 张艳.雷达液位计在罐区的应用J. 甘肃科技，200507