西門子雷達液位計在儲罐的應用的探討

摘要：本文分析介紹了西門子公司雷達液位測量技術應用于各種常見的油品和液化氣的液位測量的可能的測量方案的選擇。
關鍵詞：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、油庫、石油碼頭及各大石化企業普遍需要使用的存儲設備，通過對儲罐內的液體介質（各種石油化工產品）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量儲量，以實現現代化生產中對資產管理的需求。
儲罐對液位測量的要求不同，一般可分為過程級及貿易級兩種。貿易級液位計的精度要求非常高，需要對罐內的進行精確測量，一般要求測量精度達到±1mm；而過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、抽真空等事故的發生。
各種儲罐的大小和種類各不相同，所測量介質的特性和工藝條件也各不相同，因此只有從客戶的實際情況出發，合理的選擇液位計及設計液位測量解決方案，才能使客戶的投資最優化。
二、儲罐液位測量技術
目前用于儲罐的液位測量技術非常多。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。
其中目前市場上常用的可以滿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）因為過于過于復雜，維護量大等缺點，使用量越來越少。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、維護量低等優點，越來越多的得到客戶的認可和接受；而且近幾年，雷達液位計的價格也逐年降低，也使很多普通的用戶也開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
雷達液位計又稱微波液位計（Radar），是取英文詞組“RAdio Detection And Ranging”的詞頭字母而來的縮寫詞。微波物位計朝一個目標發射電磁波，電磁波井發射后返回發射源。安裝在發射源處的接收器捕獲到反射波，并把它與發射波作比較， 確定目標的存在和它到發射源的距離。
目前市場常見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公式的間接測量方法，由頻譜計算出物位距離。天線發射出被線性調制的連續高頻微波信號并進行掃描，同時接收返回信號。發射微波信號和返回的微波信號之間的頻率差與到介質表面的距離成一定比例關系。
脈沖雷達液位計，與超聲波技術相似，使用時差原理計算到介質表面的距離。 設備傳輸固定頻率的脈沖，然后接收并建立回波圖形。信號的傳播時間 直接與到介質的距離成一定比例。但是與超聲波使用聲波不同，雷達使 用的是電磁波。它利用好幾萬個脈沖來 “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以及雷達液位計的喇叭口尺寸大小有關系。因此，越來越多的雷達液位計制造商開始研發采用高頻率微波技術來改善雷達液位計的性能。同時，采用高頻技術后，可以在提高雷達性能的同時，大大縮小天線的尺寸，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，在傳播的過程不需要傳輸媒介的傳遞，因此基本上不需要考慮揮發性氣體和蒸汽、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），對雷達液位計來說，不存在磨損等問題，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點，越來越多的儲罐用戶開始采用雷達液位計來替代其他技術。

四、解決方案
西門子公司從1998年推出第一臺智能化的雷達液位計IQ160開始，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，形成較齊全的產品線，能夠滿足各種不同過程工藝、介質的測量需求。
Sitrans LR系列雷達目前包括Probe LR, LR200,LR300和LR400四個系列產品。
Probe LR是一款性價比極高的一款雷達液位計。它是一個兩線制回路供電的， 5.8GHz頻率雷達液位計，用于測量儲罐和過程罐中液體和漿料的物位和體積。Probe LR 是揮發性化學品、溫度梯度、真空或者常壓等工況的理想選擇，比如油庫、化學儲罐、化學反應罐和長量程應用。它的量程為20 m，精度為全量稱的0.1%（如圖1） 。

LR200在兼具了Probe LR的所有優點的基礎上，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）和不同的天線的選擇（包括喇叭口天線、桿式天線、導波管天線等），極大程度地滿足不同過程工藝的需求。
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，及時用于測量介電常數較低的介質（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，而與介質的介電常數無關。它還具有先進的回波處理算法，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、腐蝕性介質五種。
1、輕油的測量
典型的輕油介質為汽油、石腦油、石油等。一般會產生一定的揮發性氣體，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，可能會因信號過于微弱而導致失波，一般會要求安裝導波管。比如：Sitrans LR200配導波管的配置可以滿足輕油的液位測量（如圖3）。導波管的制作要求為：金屬材質（最好是304或316不銹鋼）；內壁光滑，無明顯焊縫（要求無縫焊或套焊）；在合適的位置開排氣孔，一般在導波管的上部，開空面積根據介質特性（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生來自底部的錯誤信號。這個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，而且很多較長的導波管在環境的變化下，可能會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比低頻雷達解決方案更經濟適用。
2、重油的測量
典型的重油介質為柴油等，其介電常數一般>3，有一定揮發性氣體。可以采用低頻的Probe LR或LR200直接測量（如圖4）。

3、瀝青的測量
瀝青（液態）的介電常數也比較低，一般在3左右（根據溫度）；而且液態的瀝青一般需要用高溫來維持，伴隨著高溫一般都會有一定的水蒸氣；瀝青的特性比較粘，很容易產生一定的掛料的現象。
高溫（>100&ordm;C）的工況，一般都需要選擇PTFE材質的天線，而不能選擇PPS的天線（如：Probe LR）；為了防止掛料的影響，可以選擇喇叭口天線；但水蒸氣一般會導致冷凝水的產生，經試驗表明，桿式天線對冷凝水的敏感程度要小于喇叭口天線，因為桿式天線的有效發射電磁波的面積要遠大于喇叭天線（發射電極只有筆尖大小）；瀝青的介電常數較低，在天線所產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的桿式天線為佳：采用不銹鋼屏蔽段的PTFE天線對口徑較小的安裝立管的屏蔽效果較好，但是屏蔽長度如果選得太短了，無法延長；采用全PTFE的天線的屏蔽段長度可以根據安裝立管的長度自由方便地延長，但是在小口徑（≤DN80）的安裝立管會對天線的工作產生影響。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。典型的液化氣介質有：丙烷、丁烷等。
主要的特點是：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，由于旁通管過長，很容易發生扭曲的現象，使雷達液位計無法測量。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的良好發射特性，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，可以滿足液化氣的測量。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，方便隨時拆下來維護；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應用，并取得了良好的使用效果。根據現場的使用測試，發現LR400的測量精度和重復性均能達到非常好的效果。

5、腐蝕性介質的測量
典型的腐蝕性介質包括：硫酸、硝酸、燒堿、鹽酸等。
大部分腐蝕性介質的介電常數都較高；伴有不同程度的揮發性氣體（煙霧）；不同濃度的腐蝕性介質對不同的雷達天線材料有不同的腐蝕性要求；很多腐蝕性介質的揮發性氣體具有一定的滲透能力，再一段時間的使用后，可能會滲透到儀表電子部分或天線的電機發射部分而損壞雷達液位計。
采用何種雷達天線來測量腐蝕性介質，一般需要事先查化學兼容表來確認。

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。
&#61520;：可以使用；&#61554;：使用效果一般；&#61519;：不可使用；NA：未知

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

五、結束語
通過近幾年對雷達液位計在石油化工領域的應用研究，以及西門子不斷進行新產品新技術的研發，西門子雷達液位計在各種儲罐的應用也越來越成熟，成功的案例也越來越多。筆者相信隨著雷達技術的發展和成熟，雷達液位計會逐步成為儲罐液位測量的主流。

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