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在石油貿(mào)易交接和企業(yè)成本核算過程中，都對(duì)石油液相產(chǎn)品計(jì)量的性提出了嚴(yán)格要求。而傳統(tǒng)液位計(jì)的計(jì)量精度和自動(dòng)化程度較低，已不能滿足計(jì)量需要。而雷達(dá)液位計(jì)因其自動(dòng)化程度高、易于安裝、維護(hù)及可重復(fù)利用(分體式結(jié)構(gòu))等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)罐中固體物位和液體液位(如原油和瀝青)的測(cè)量。筆者將詳細(xì)介紹雷達(dá)液位計(jì)在石油儲(chǔ)罐液位計(jì)量中的應(yīng)用和常見問題的解決。
1 雷達(dá)液位計(jì)的應(yīng)用
1．1 選型
雷達(dá)液位計(jì)的種類繁多，選型時(shí)首先要考慮被測(cè)介質(zhì)的溫度、壓力、密度、粘度及腐蝕性等特性對(duì)其使用性能的影響。因此，在選型時(shí)要針對(duì)介質(zhì)在特定工況下的特性來選取適宜的天線和表頭。對(duì)于體積較小、形狀復(fù)雜的罐體或需測(cè)量多種液體分界面的應(yīng)用場(chǎng)合，推薦采用導(dǎo)波纜天線雷達(dá)液位計(jì)；對(duì)測(cè)量環(huán)境較復(fù)雜的罐體，如介質(zhì)易揮發(fā)、腐蝕及高壓和高溫等，推薦使用非接觸天線雷達(dá)液位計(jì)，由于液位計(jì)與介質(zhì)不接觸，就能避免由于介質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)影響其計(jì)量精度或?qū)σ何挥?jì)本身的損傷。
依據(jù)介質(zhì)測(cè)量的目的選擇不同測(cè)量精度的雷達(dá)液位計(jì)。如果僅用于內(nèi)部成本核算，精度要求不需要太高；如果用于貿(mào)易交接，就必須選擇高精度的雷達(dá)液位計(jì)。為節(jié)約投資，在計(jì)量精度滿足需求的前提下可選用性價(jià)比高的產(chǎn)品。由于雷達(dá)液位計(jì)的精度、日常維護(hù)和使用壽命直接影響企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，所以過硬的質(zhì)量和滿意的售后服務(wù)對(duì)用戶來說至關(guān)重要。選型時(shí)還需綜合考慮其測(cè)量范圍、頻率(10GHz，20GHz，)、雷達(dá)與測(cè)量罐體的連接方式(法蘭、G1／ 螺紋、1 ／，NPT)、防爆／防護(hù)等級(jí)、信號(hào)輸出協(xié)議(Modbus／Hart)和傳輸方式(4—20mA電流還是0—5V電壓)這些因素。
1．2 安裝
為達(dá)到高精度*地測(cè)量介質(zhì)的液位，在儲(chǔ)罐上正確安裝雷達(dá)液位計(jì)也十分關(guān)鍵，液位計(jì)的安裝分為機(jī)械和電氣兩部分。
1．2．1 機(jī)械安裝筆者以ROSEMENT拋物面型天線雷達(dá)液位計(jì)為例，說明其機(jī)械安裝時(shí)的注意事項(xiàng)：
a．傾斜度。液位計(jì)中軸線對(duì)儲(chǔ)罐中心線的傾斜度不同，其發(fā)射波和反射波的行程也不同，測(cè)量精度也會(huì)受到影響。因此，安裝時(shí)必須使用法蘭球?qū)⒁何挥?jì)安裝在儲(chǔ)罐噴嘴上，再利用水準(zhǔn)儀調(diào)整變送器的傾斜度，使其不超過1．5。。
b． 自由空間。拋物面型天線液位計(jì)的雷達(dá)波束寬度為10。，在波束范圍內(nèi)從罐頂?shù)綔y(cè)量零點(diǎn)之間的空間即為自由空間。如果自由空間范圍內(nèi)有任何障礙，如結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋及直徑大于2 的管道等，定會(huì)對(duì)雷達(dá)波產(chǎn)生干擾，影響測(cè)量效果。在安裝時(shí)，要注意規(guī)避自由空間內(nèi)的障礙物。
c．噴嘴。如果采用4,2o"的噴嘴，噴嘴高度不得超過0．5m，噴嘴的直徑越大其高度也會(huì)更高。此時(shí)，必須將拋物面反射器的邊緣與噴嘴底端的夾角控制在5。以內(nèi)，從而形成雷達(dá)波束的自由通道(圖1)，滿足所要求的測(cè)量精度。
d．本體。雷達(dá)液位計(jì)本體的安裝較簡單，主要是天線、表頭與噴嘴的連接(圖2)，圖示位置天線已安裝在噴嘴里。安裝時(shí)要特別注意用水準(zhǔn)儀確保天線和表頭與儲(chǔ)罐中心線的傾角達(dá)到要求。
1.2.2 電氣部分的安裝方法
首先確定雷達(dá)液位計(jì)配備的模擬輸出，如果有源，電源線與信號(hào)線共用一對(duì)線即可；如果無源，則必須單獨(dú)給雷達(dá)供電，否則將導(dǎo)致信號(hào)丟失和儀表損壞。其接線模式有非本安和本安兩種，非本安接線盒用于連接非本安電源、TRL／2總線和繼電器；本安接線盒用于數(shù)據(jù)采集單元DAU、顯示板RDU40、模擬輸入和溫度傳感器的本安連接。還需注意，通信協(xié)議不同接線方式也不同，所以雷達(dá)液位計(jì)的電氣安裝較為復(fù)雜?？傮w上可分為電源接線和信號(hào)接線兩部分：
a． 電源接線。在石油工業(yè)中，雷達(dá)液位計(jì)主要用于測(cè)量油罐中油液的位置，因此它的使用和電氣接線必須符合該區(qū)域的安全等級(jí)，電纜也必符合相關(guān)供電電壓準(zhǔn)則，并且要通過適合于該危險(xiǎn)區(qū)域的認(rèn)證才可以使用。液位變送器內(nèi)置有可自動(dòng)調(diào)整的整流器卡件TRC，以適應(yīng)連接100～ 240VAC、34～70VAC和48～99VDC電源電壓，在供電方式上比較靈活。因此，只要將供電電源線連接至接線盒電源端的L1+和L2一即可。
b．信號(hào)線的連接。雷達(dá)液位計(jì)通過TRL／2現(xiàn)場(chǎng)總線、現(xiàn)場(chǎng)通信單元FCU和現(xiàn)場(chǎng)總線調(diào)制解調(diào)器FBM連接至上位機(jī)。FBM將TRL／2 Modbus信號(hào)轉(zhuǎn)換成通用協(xié)議RS232信號(hào)，每條TRL／2總線可以連接8個(gè)單元。當(dāng)變送器與TRL／2總線連接至上位機(jī)后，用Saab TankMaster WinSetup／WinOpi軟件對(duì)變送器進(jìn)行組態(tài)和初始化，并實(shí)時(shí)監(jiān)控儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)的液位和體積及溫度等數(shù)據(jù)。另外，還有繼電器、模擬輸入／輸出、單點(diǎn)和多點(diǎn)溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集單元DAU、遠(yuǎn)傳顯示單元RDU 40及Hart協(xié)議手操器等擴(kuò)展外圍設(shè)備的接線，可參照說明書進(jìn)行設(shè)置和安裝。
2 雷達(dá)液位計(jì)的自動(dòng)控制
從安裝在罐頂?shù)睦走_(dá)液位計(jì)接線盒里把引出的電源線與數(shù)據(jù)線匯總到現(xiàn)場(chǎng)總線電源梳理器和接口單元，再使用串行通信接口RS485／232連接至工控機(jī)，并完成軟件組態(tài)和罐區(qū)參數(shù)的初始化設(shè)置 ，如果需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)線進(jìn)行本安隔離，必須先通過安全柵再連到DCS的I／0端子。這樣，就可以通過DCS系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀察罐區(qū)介質(zhì)液位的變化情況了，再輔以罐區(qū)進(jìn)／出口閥門的自動(dòng)控制，使介質(zhì)液位自動(dòng)維持在所需的位置，實(shí)現(xiàn)罐區(qū)液位的遠(yuǎn)程自／手動(dòng)控制、即時(shí)掌握實(shí)時(shí)／歷史數(shù)據(jù)，并能從雷達(dá)液位計(jì)自帶的組態(tài)軟件中分析液位的曲線圖，查看生產(chǎn)和設(shè)備的歷史／實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，消除人為干預(yù)造成低精度計(jì)量的現(xiàn)象 。雷達(dá)液位計(jì)自控系統(tǒng)如圖3所示。
3 維護(hù)
為延長雷達(dá)液位計(jì)的使用壽命，保持長時(shí)間的高精度測(cè)量，日常維護(hù)至關(guān)重要，而且必須由專業(yè)人員或在專業(yè)人員的指導(dǎo)下進(jìn)行。維護(hù)過程中一般應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：
a．接地保護(hù)。為防止漏電對(duì)電器元件造成破壞和對(duì)正常信號(hào)傳輸?shù)母蓴_，需將雷達(dá)表頭和控制室機(jī)柜信號(hào)接口處任一一端接地。
b．瞬間過激電壓保護(hù)。雷達(dá)液位計(jì)本身支持這項(xiàng)功能，但安裝時(shí)要盡量避開雷電經(jīng)?；顒?dòng)的區(qū)域，或者做好外部雷擊保護(hù)措施。
c．干擾信號(hào)。在短時(shí)間內(nèi)液位出現(xiàn)強(qiáng)烈波動(dòng)時(shí)應(yīng)及時(shí)查找原因，排查故障。天線下方有任何障礙物都有可能使信號(hào)變?nèi)醵斐蓽y(cè)量偏差。
因此，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)是瀝青或揮發(fā)性較強(qiáng)的介質(zhì)時(shí)，要定期對(duì)天線進(jìn)行清洗。
d．接線端口。現(xiàn)場(chǎng)接線端子一定要進(jìn)行密封隔離，以免液體侵入造成電源短路、接線端子和電路板腐蝕。
4 故障現(xiàn)象及解決方法
雷達(dá)液位計(jì)的故障點(diǎn)有很多，在處理時(shí)通過逐步細(xì)化功能段，借助測(cè)量儀表工具用排除法解決。首先要初步判定故障是在雷達(dá)設(shè)備還是在DCS控制部分，具體方法是對(duì)雷達(dá)進(jìn)行單獨(dú)通信，如果正常，說明是DCS出現(xiàn)問題。如果確定雷達(dá)設(shè)備故障，需判斷是硬件還是軟件故障，如果是軟件故障則要利用調(diào)試軟件進(jìn)行查看；硬件則需判斷是機(jī)械部分還是電氣部分，并分析判斷zui有可能出現(xiàn)故障的模塊，然后用正常模塊進(jìn)行替代，逐步排除，找到故障點(diǎn)。有時(shí)也可能是幾個(gè)故障點(diǎn)共同引起的，就要用*替換法找出故障所在。
筆者列舉兩個(gè)典型的實(shí)例來闡述故障處理的一般方法。
4．1 電流漂移
2008年獨(dú)山子乙烯廠銷售部罐區(qū)的一臺(tái)雷達(dá)液位計(jì)(現(xiàn)場(chǎng)總線收入)出現(xiàn)故障，其表現(xiàn)形式是DCS顯示的液位與實(shí)際液位存在一定的偏差。
在真實(shí)液位未知的情況下，對(duì)I／O口信號(hào)端進(jìn)行電量檢測(cè)，顯示為電壓19V、電流22．2mA，又到罐上用筆記本進(jìn)行Hart通信，調(diào)試軟件Radar Mas．ter上顯示電流為18．64mA、液位為5．489m，經(jīng)查驗(yàn)屬正常液位。分析出現(xiàn)此情況的原因，猜測(cè)可能是信號(hào)受到外電場(chǎng)干擾產(chǎn)生電流漂移造成的。
用調(diào)試軟件對(duì)4～20mA信號(hào)進(jìn)行環(huán)路測(cè)試和修正，具體做法是在線路中串聯(lián)電流表，在測(cè)量的零點(diǎn)液位輸入4mA電流，在測(cè)量液位的zui高值處輸入24mA電流，測(cè)試結(jié)果是雷達(dá)正常，可事實(shí)證明確實(shí)存在零點(diǎn)漂移，筆者對(duì)雷達(dá)液位計(jì)做了屏蔽干擾信號(hào)處理后一切正常。因此，在對(duì)液位計(jì)信號(hào)線進(jìn)行布線時(shí)不要與強(qiáng)電或干擾源混合走線，以避免電流干擾影響測(cè)量精度。建議每半年進(jìn)行一次零點(diǎn)漂移校正。
4．2 信號(hào)干擾
雷達(dá)液位計(jì)隱形的不正確安裝也可能造成干擾信號(hào)，而且不易被察覺。2008年克拉瑪依油田的一個(gè)導(dǎo)波纜天線雷達(dá)初裝時(shí)(空罐)參數(shù)設(shè)置如下：
型號(hào)3301HA1S1EM1450JBI1MIC1
位號(hào)LT．408
罐參考高度17．07m
上盲區(qū)0．15m
天線長度14．5m
量程0．15—14．82m
介電常數(shù)空氣為1 介質(zhì)為3
4．2．1 故障現(xiàn)象
對(duì)雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行初始化后(圖4)，發(fā)現(xiàn)空罐有顯示液位(圖5)。
查對(duì)參數(shù)設(shè)置無誤，說明有干擾信號(hào)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)圖5所示的曲線呈明顯鋸齒振蕩，信號(hào)強(qiáng)度也不穩(wěn)定，說明在P2點(diǎn)約7．6m(即液位9．38m)處受到了干擾，排查天線部分的干擾后，分析出現(xiàn)假液位的原因是雷達(dá)波信號(hào)根本就沒到達(dá)罐底。出現(xiàn)此類故障現(xiàn)象的原因很多，大致有以下幾種：
a．導(dǎo)波天線產(chǎn)生彎曲，導(dǎo)致雷達(dá)波發(fā)射遇阻，或在安裝導(dǎo)管內(nèi)有障礙物產(chǎn)生干擾；
b． 導(dǎo)波纜天線上附著有干擾信號(hào)的物質(zhì)；
c．液位計(jì)附近有電磁干擾；
d．有電流漂移產(chǎn)生。
4．2．2 故障排除
首先檢查天線外觀是否有污垢附著，未發(fā)現(xiàn)有異物；接下來小幅、輕微地晃動(dòng)天線，未發(fā)現(xiàn)周圍有干涉物。又懷疑是導(dǎo)波纜過長(14．5m，thl6Omm)，重錘質(zhì)量小，又未加裝定心環(huán)，造成導(dǎo)波管與管壁接觸引起干擾造成假液位。用鋼板做幾個(gè)直徑略小于導(dǎo)波管內(nèi)徑的定心環(huán)，安裝到天線末端后天線突顯效果，但沒過幾分鐘液位又停留在某個(gè)高度，這時(shí)基本可以判定故障部位在天線上。zui后，通過多加幾個(gè)定位環(huán)間接增加重錘質(zhì)量，促使天線在豎直方向上呈直線后，故障排除。
雷達(dá)液位計(jì)的良好應(yīng)用對(duì)石油液位的準(zhǔn)確計(jì)量甚為關(guān)鍵，特別是雷達(dá)液位計(jì)、執(zhí)行裝置與DCS／FCS相結(jié)合的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的投運(yùn)，大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。
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