雷达液位计在化工罐区储罐液位测量中的选型与安装应用

 

         储罐是石油化工企业重要的组成部分，是企业生产、储存和运输过程中基本且重要的环节。一般具有占地面积广、储存量大和布置密集的特点。储罐储存的物质通常有易燃易爆、易挥发和有毒等特性，一旦发生泄漏，挥发出的易燃易爆介质遇明火或高温物体，就有可能引发火灾或爆炸事故，故石油化工的罐区大多被划为高危险区域［1，7］。

 

         作为石油化工储罐实时变化的动态参数，液位连续精确测量是罐区zui重要的监控仪表，也是成品计量管理的重要参数。本文通过对罐区中常用的液位仪表测量方案进行对比分析，从工程设计的角度叙述雷达液位计在罐区储罐液位测量中的设计选型和安装方案。

 

1罐区液位测量现状

         罐区的液位测量具有测量范围宽，测量精度要求高等特点。目前，在罐区液位测量中，主要采用伺服液位计、磁致伸缩液位计、雷达液位计等方案。

 

1.1伺服液位计

         主要是基于浮力平衡的原理进行液位测量，由伺服电动机驱动体积较小的浮子，浮子随着被测介质液位的变化而发生改变。当被测介质液位变化时，浮子浮力也会发生变化。浮子作用于测量线上的重力在外轮鼓的磁铁上产生力矩，从而引起磁通量的变化。轮鼓组件间的磁通量变化导致内磁铁上的电磁传感器的输出电压信号发生变化。其电压值与CPU中的参考电压的差值驱动伺服电动机转动，调整浮子上下移动达到新平衡点。伺服液位计是一种多参数测量仪表，既可以测量液位也可以测量界面、温度、压力和密度等参数。伺服液位计采用磁耦合传动，机械部分与介质相隔离，适用于洁净介质、轻质油品和非腐蚀性轻质烃类液体等储罐的液位精确测量，不适用于粘度高的液体［2］。

 

1.2磁致伸缩液位计

         主要是利用磁致伸缩的物理特性进行测量，采用沿着导杆滑动的浮子随介质液位的变化而变化进行液位测量。它适用于干净的非结晶介

质，不适用粘稠液体的液位测量［3］。

 

1.3雷达液位计

         主要是利用雷达波的测量原理，工作方式是向目标介质发射一个电磁波，电磁波接触到目标介质后反射，由安装在发射源的接收器接收反射波。雷达波从发射到接收的时间与其到液面的距离成正比，其关系式如下:

         式中，H为雷达波到液面的距离，m;c为光速，m/s;t为雷达波运行时间，s。

 

         雷达液位测量包括非接触式和接触式液位测量。非接触式雷达液位计(以下简称雷达液位计)的结构简单，安装方便，在使用过程中一般不会受到外界的影响。接触式雷达液位计(导波雷达)一般采用金属导体来传导微波，它的发射波会沿着导体向下传播。信号能量损失小。测量不受安装空间、粉尘和泡沫的影响。尤其适用于安装测量空间小、罐内带搅拌、介质波动大的场合。非接触式和接触式雷达液位计选型时均需考虑介质的腐蚀性和粘附性，腐蚀性和粘附性对液位计的影响相比之下非接触式雷达液位计较小，导波雷达导液位计的波杆(缆)过长时会增加安装和维护的难度，雷达液位计的安装和维护较方便。导波雷达导波杆(缆)根据工况固定不变，故一般不能互换使用，而雷达液位计不受此影响，可互换性强。考虑到导波杆(缆)的受力情况以及导波雷达运输、安装和维护，导波雷达的测量范围一般不会很大，而雷达液位计不受此影响，测量范围较大。

 

         随着技术的进步和不断改进，雷达液位计日渐经济合理。因其不受温度、压力、密度等因素的影响，可互换性强，测量范围大等特点，近年来雷达液位计被应用在越来越多的石油化工项目中。罐区常用仪表选型和适用条件见表1。

2雷达液位计的选型与安装

2.1雷达液位计的选型

         雷达液位计适用于重质油品、轻质油品、烃类液体以及恶劣工况的储罐液位连续测量。雷达液位计的选用和工艺工况有很大关系，选型时需综合考虑介质腐蚀性，粘稠性，结晶特性，冷凝特性，挥发特性，量程要求以及精度要求等。按照频率的不同，雷达液位计可分为低频雷达和高频雷达。低频雷达波束宽，穿透能力强，较适用于存在障碍物、湍流、冷凝、蒸汽、灰尘、污染物和泡沫的场合;高频雷达频率高，波长短，发射的信号强，测量精度高，较适合污浊、有涂层、结晶和腐蚀性场合。

 

         雷达液位计的选型关键是天线的选择。天线的形式和材质决定了雷达液位计的安装、聚焦、灵敏度以及使用寿命等。根据工艺工况的要求，综合考虑测量精度、测量范围、储罐类型和介质特性等，选择合适的雷达天线［4］。通常雷达天线形式有以下几种:

 

         (1)杆状天线:杆状天线主要适用于腐蚀性介质、冷凝、挂料的工况，固定顶罐、卧罐雷达液位计波束角范围内无障碍的液位测量，适用于小测量范围的应用场合。安装管口尺寸较小，不受挂料和冷凝的影响，常见材质为316L、PTFE。

         (2)喇叭天线:喇叭天线适用于大部分场合，安装在罐顶或安装导波管上，聚焦特性好，适用除沥青、液态硫磺等恶劣工况外的大部分工况的应用场合，测量范围大。常见材质为316L、PTFE、哈氏合金、钽。

         (3)抛物面天线:抛物面天线既适用于液体，也适用于固料、粉尘以及浆液形介质的测量。因它聚焦特性zui好，有较小的雷达波束，天线尺寸大，稳定性好。可用于精度高、较长范围的测量。抛物面天线是对污染zui不敏感的天线类型，可用于沥青与液态硫磺等恶劣的工况［5，6］。常见材质为316L、PTFE。若罐区液位仪表用于贸易计量或工艺有特殊要求选用计量级雷达时，需考虑高精度、高稳定性的计量级雷达液位计，计量级雷达液位计天线一般有以下四种:

(1)抛物面天线:非常适合安装于固定顶储罐，适用于粘稠和严重凝结的产品。通常无需使储罐停止运行即可进行安装。

(2)喇叭天线:易于安装在固定顶储罐上。可测量除沥青或类似产品除外的各种石油产品和化工品。通常无需使储罐停止运行即可进行安装。

(3)导波管阵列天线:安装在导波管内，适用于外浮顶的原油储罐和内浮顶的汽油/成品油储罐。通常无需使储罐停止运行即可进行安装。

(4)LPG/LNG天线:用于测量加压或低温液化气的液位。安装时需使储罐停止运行。

 

2.2雷达液位计的安装

         雷达液位计的正确安装是保证液位高精度无故障测量的关键因素，雷达液位计安装时需注意:

         (1)波束角范围内不能有障碍物:雷达液位计主要是采用发射－反射－接收的工作方式，为了精确的测量液位，应避免在发射角范围内有造成反射的装置，即在发射角范围内不能有障碍物。

         (2)远离进出物料口和罐中心:安装于进料口上方的雷达液位计会接收到较多的虚假反射回波，且进出物料口处的液位有波动不稳定，影响雷达液位计的准确测量。为避免虚假回波的影响，传感器不能安装在罐中心也不能离罐壁很近，一般传感器管口至罐壁的距离约为罐直径的1/6。

         (3)应避开强涡流的场合:当工艺工况有较强的搅拌或较大的化学反应时，通常采用旁通管或导波管的安装方式，这样测量的雷达波能够准确的反映出真实的液位。采用旁通管或导波管的安装方式时，导波管或旁通管要求内表面平滑无毛刺，并开对称的小孔，保证雷达回波准确不产生干扰。

 

2.3雷达液位计配套仪表

         罐区的雷达液位计安装于储罐顶部，为方便现场操作人员巡检，一般在地面配就地罐旁指示仪，作为液位测量的现场监视仪表。罐旁指示仪作为罐区液位测量系统的组成部分，采集与之相连的罐区仪表的测量值，并对罐区的各种测量数据进行计算和补偿后，通过现场总线的方式与罐区管理系统连接。

 

3实际应用

         某甲醇项目中有甲醇中间罐区和甲醇成品罐区两个工段。涉及到的储罐液位仪表的选型见表2(在常温、常压下，液位仪表形式均为雷达液位计(5400))。

         现场甲醇成品罐区上甲醇储罐的计量级雷达液位计(5900S)见图1(尚未接线)。该雷达液位仪表自使用已超过一年，仪表运行良好，安全环保，几乎零维护，收到了很好的效果。

4结语

         罐区作为石油化工装置中重要的危险源，为提高罐区安全保障要求，各级监管部门对储罐的液位测量和高低位超限安全联锁保护提出了严格要求。罐区液位仪表的高精度精确测量直接影响着罐区的安全保护系统。选择合适的罐区液位计是提高系统的安全性和稳定性的重要因素。雷达液位计具有适用范围广，测量精度高，不接触工艺介质，安装维护方便等优点，尤其适用于石油化工罐区的液位连续精确测量。随着技术的进步，雷达液位计必将在石油化工领域得到越来越多的应用。

 

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