雷達液位計在儲罐的應用的探討
互聯網 2013-12-20 09:26:02
[導讀] 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。
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。
表1、各種儲罐液位測量方式比較
鋼帶 伺服式 雷達 靜壓(HTG) 磁致伸縮 超聲波 射頻導納
工作原理 浮力 浮力 電磁波 壓力 浮力 聲波 儲勢電荷
介質特性 密度 密度 介電常數 密度 密度 密度 介電常數
精度 一般，誤差小 極高，最高可達±0.4mm 高，可達±1mm 高，誤差大 高，可達±1mm 一般，最高可達±15mm 一般，根據安裝及調試
溫度影響 較小，取決密度變化 較小，取決密度變化 可忽略 有，需考慮 較小，取決密度變化 有影響，需補償 可忽略
壓力影響 很小 很小 可忽略 很大 很小 有影響 可忽略
揮發性氣體(蒸汽)影響 可忽略 可忽略 可忽略 可忽略 可忽略 有影響 可忽略
安裝 復雜，費用高 簡單 簡單 極復雜 復雜 簡單 簡單
維護量 大 大，昂貴 低，可忽略 極大 大 低 低
價格費用 低 極高 貴，逐年降低 極高 一般 一般 低
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。
圖1：Probe LR
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)。
