雷达液位计在罐区测量系统中的应用

高 斌 张 继

（中国石油玉门油田分公司a.炼化总厂；b.水电厂）

恩贾梅纳炼油厂（NRC）是中油国际（乍得）炼油公司和乍得共和国合资建设的炼油化工企业，炼厂设有7 个罐区，共计61 个储罐。 每个储罐的容量较大， 很小的液位测量误差就会带来很大的容量误差。 储罐液位的精确测量与计量精度、安全密切相关，传统方法已经满足不了测量精度要求， 为此欲选用雷达液位计实现NRC储罐液位的测量。 随着油品罐区的不断扩大，罐区监测点越来越多， 每个储罐上设有一个或多个传感器，如雷达液位计、温度计、平均温度计及压力变送器等， 为了确保液位测量系统的高可靠性和实效性， 决定利用标准化的现场通信总线连接各个储罐的罐旁指示仪， 组成高精度罐区液位监控系统， 为提高NRC 的经济效益提供保障。

1 罐区仪表选型

随着仪表技术的发展，油品储罐罐区液面测量逐渐由传统机械式测量方式向智能化仪表测量方式转变。E+H 雷达液位计是一种“下探式”测量系统， 探头发出高频脉冲在空间以光速传播，当脉冲遇到物料表面时反射回来被仪表内的接收器接收， 并将距离信号转换为物位信号。 E+H雷达液位计数字信号处理能力强大，具有抑制干扰回波的功能，保证边缘、焊缝及虚假回波等因素产生的干扰回波不被当作物位回波处理，可以区分微弱的测量信号和很强的反射信号，避免干扰造成的测量误差， 完全可以满足NRC 工厂计量交接的测量精度要求。

考虑到安全性、测量精度和使用维护的方便性，NRC 选用的雷达液位计包括FMR532 型平面天线雷达液位计、FMP240 型喇叭式雷达液位计、FMP40 型缆式导波雷达液位计和NMS5 系列智能型伺服液位计等。 罐区雷达都采用本安防爆形式，具体安装类型汇总于表1。

表1 罐区雷达液位计安装类型汇总

1.1 平面天线雷达液位计选型

外浮顶原油储罐底部带有加热盘管，对原油进行加热保温，导致油品上下温度不均，液位和温度的测量精度对罐容计算结果影响较大。 为此， 选用精度±1mm 的FMR532 型平面天线雷达液位计和NMT539 型平均温度计，均安装于储罐的导波管上， 导波管为DN300mm 固定内径的金属管，并且在侧壁对开出小于1/10 管径的圆孔用于排气，要求孔间距离不小于30cm。 FMR532 型平面天线雷达液位计的平面天线实际上是由若干个小天线组成的天线阵列，由于其发射的雷达高频波能量集中在导波管中间，与管壁接触部分能量很小， 因此受导波管粗糙内壁的影响很小，能够很好地消除原油挂壁和焊缝拼接对液位测量的影响，具有更强抗干扰能力，提高了测量精度和可靠性。

NMT539 型平均温度计可以在比较大的范围内进行温度测量， 包含十点的高精度Pt100 测量元件， 每点相距200cm。 由于油罐中液体与空气的温差较大，将仪表读取铂电阻的测量值和温度探头的位置信息进行比较，可以准确判断油罐中液体的位置，通过智能HART 信号传输温度探头平均值，反映原油温度的真实值，提高了原油罐区罐容的测量精度。

1.2 喇叭式雷达液位计选型

重油罐区为常温储罐，而且储罐尺寸相对较小，因此宜选用精度为±3mm 的FMR240 型喇叭式雷达液位计，该仪表具有小尺寸（40mm）喇叭天线，非常适合小型容器中物位的测量。 采用点源发射方式，雷达波为发散的球面波，主要用于不需要设置导波管的拱顶罐的液位测量。24V（DC）电源由罐旁指示仪NRF590 的本安接线腔供电， 采用4～20mA HART 两线制技术，有效降低了布线成本。

1.3 缆式导波雷达液位计选型

NRC 较多罐区选用了FMP40 型缆式导波雷达液位计，对轻油罐区、成品油（汽油、煤油、柴油等）罐区等介电常数较小的介质进行接触式连续测量，能够充分适应不同油品的介电常数。 当液位计发出的电磁脉冲沿着钢缆传播，在遇到被测介质表面时，部分脉冲的反射波沿相同路径返回到脉冲发射装置，得到储罐液位真实高度。 由于传播损耗小，发射能量可较小，价格也比其他型式的雷达液位计便宜。

由于缆式导波雷达液位计的天线伸入容器中容易受罐区介质物理性质影响，失去了非接触的特点，需要正确选择安装位置，远离中心点和进出管线，增加导波管保护等方式，安装的导波管保持垂直和减少焊缝，避免造成电磁脉冲斜射到导波管的内壁，产生反射致使测量失真。 同时设定罐底固定，保持缆绳垂直，避免摆动，防止与导波管末端接触。 正是因为有了这样的导波缆，使得缆式导波雷达的测量不受介质种类变化的影响，不受温度压力的影响，不受气相和液体表面泡沫的影响。

1.4 伺服液位计选型

对于液化气和丙烯球罐，液化气球罐区一般是2 000m3左右2.5MPa 以下的高压常温球罐。因为液化气和丙烯的介电常数很低（约1.3～1.4），雷达波会被吸收而发生衰减，当衰减过多时，雷达液位计接收不到足够的信号， 导致测量不准确，采用雷达液位计测量效果较差。

NMS5 智能型伺服液位计的测量是基于浮力平衡原理，因此低介电常数不受影响，安装于球罐的DN100mm 导波管上， 在雷达与球罐导波管之间加装一台同径手动球阀，日常维护和校正操作时利用视窗观察轮毂和浮子移动。

2 监测系统构成

2.1 罐旁指示仪

每个储罐通过本安防爆HART 通信协议将雷达液位计、温度计、平均温度计及压力变送器等连接到罐旁指示仪NRF590 的本安接线腔内，接线端子如图1 所示。 通过HART 协议采集所有与之相连的罐区仪表的测量值，并实时显示测量值与自诊断信息等，方便巡检人员在罐下检查和操作。 本安HART 数字通信方式提高了安全性、可靠性和数据的有效性，降低了接线成本，简化了全部储罐传感器的集成。 罐旁指示仪通过通信总线接入机柜间， 实现罐区液位数据的准确传输。 NRF590 不但作为现场储罐的测量子系统的数据采集与维护中心，而且为现场多个储罐提供集成通信。

图1 NRF590 端子示意图

2.2 通信接口

罐区现场为总线结构，一个罐区内所有储罐的NRF590 采用Modbus RS485 数字通信总线串联连接，NRF590 通过数字现场通信总线接入通信接口NXA820 Tank Scanner， 根据输入的储罐液位利用罐表把液位转换为标准体积计量数据，上传到控制室罐区管理系统，如图2 所示。 现场总线网络电缆规格为两芯屏蔽双绞线，节省了电缆，消除了数据传输误差，提高了稳定性。 如汽油罐区的12 具储罐，01A 储罐使用modscan 直接读取罐旁指示仪数据，设定从站地址为1、波特率为9 600、数据位8、检验位N、停止位1，Modbus 寄存器地址40515 对应液位、40521 对应温度，通过总线采集到NXA820 通信接口。 NXA820 可接入15 个节点Modbus RS485 总线形式的罐区信号，即最多15 台NRF590。 由于其模块化的结构，可以应用在小型或大型罐区，便于扩容和升级。

每个罐区配置一个通信接口NXA820 实现各储罐容量的计算，然后将这些罐区信息转载到以太网工业交换机汇总到通信网关NXA822 Host Link。 搜集网络上所有带罐量计算功能的通信接口NXA820 的罐表数据，通过NXA822 将Ethernet TCP/IP 转换成Modbus RS485 数据传输至上位控制系统。 通信网关NXA822 作为Modbus 从站设备时地址表可以通过XML 描述， 通过单独的上位机主站请求可以很容易修改。 用通信总线进行数据传输和罐区管理，保证了传输的稳定性和数据精度。

图2 通信总线传输到通信接口结构图

3 日常故障分析处理经验

雷达液位计是一种高精度智能型检测仪表，具有在恶劣条件下能够稳定可靠工作、无可动部件且使用寿命长等优点，但实际使用中会遇到不同的问题，针对日常出现故障总结如下经验。

如果正常运行中雷达液位计出现死值、最大值等，雷达液位计自身出现故障保护，断电重启，重新上电后检查。

利用雷达的抑制干扰回波功能处理测量过程中的假回波，过滤掉虚假的反射波，把液面反射波检测出来，保证准确测量。

液位较低或无液位时容易产生液位波动、逐渐变大甚至最大，可能由于某些工艺原因对雷达波产生了漫反射， 使电磁脉冲出现很大衰减，拆卸查看天线的脏污和腐蚀情况并清洗污垢、处理结晶体或等工艺液位提高后观察处理，建议将零点定在一定高度，要远离低液位测量盲区。

导波缆不要弯曲过大，使用中要保证不产生毛刺、弯折和破损情况。 如果使用过程中出现不变化的中间值，检查缆绳，若发现这些问题可以进行更换。 使用中，要尽量减少液位变化对导波缆的冲击， 适当情况下可以增加缆绳的配重，保持缆绳垂直。

由于气候原因，日常使用中要增加必要的遮阳罩，防水防晒，以延长显示屏和电路板的使用寿命。

日常维护时注意检查雷达液位计接地完好和供电防雷栅，防止电压短路的情况。 通信总线要注意检查主从设备完好，保持线路通畅，通信设备的协议设置等问题，避免影响罐区的测量。

4 结束语

NRC 罐区采用雷达液位计代替传统仪表，利用罐旁连接了多个储罐传感器和机柜上位机的数据传输，形成了罐区液位监控系统。 采用数字通信总线的形式， 提高了传输的效率和稳定性，保障了罐区油品液位的准确测量和安全性，为炼厂的长周期平稳运行奠定了基础。