西门子雷达液位计在储罐的应用的探讨

                   作者：丁振杰，西门子(中国)有限公司
摘要：本文分析介绍了西门子公司雷达液位测量技术应用于各种常见的油品和液化气的液位测量的可能的测量方案的选择。
关键词：雷达 液位测量 油罐 介电常数 液化气  
Siemens Radar Level Solution in Oil&Gas Industry Application Study
                                  Author: Ding Zhenjie, Siemens Ltd., China 
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
　　储罐是油田炼油厂、油库、石油码头及各大石化企业普遍需要使用的存储设备，通过对储罐内的液体介质（各种石油化工产品）的温度、压力、液位、密度等参数的测量，可以计算出储罐中液体的体积量及质量储量，以实现现代化生产中对资产管理的需求。
　　储罐对液位测量的要求不同，一般可分为过程级及贸易级两种。贸易级液位计的精度要求非常高，需要对罐内的进行精确测量，一般要求测量精度达到±1mm；而过程级液位计的精度要求一般是在±5~15mm之间，相对而言对液位计测量可靠性和稳定性要求更为严格，测量目的一般是为了防止油罐冒顶、抽真空等事故的发生。
　　各种储罐的大小和种类各不相同，所测量介质的特性和工艺条件也各不相同，因此只有从客户的实际情况出发，合理的选择液位计及设计液位测量解决方案，才能使客户的投资最优化。
   
二、储罐液位测量技术
　　目前用于储罐的液位测量技术非常多。根据测量方式，可以分为接触式和非接触式。
接触式测量方法主要有人工检测尺、浮子式钢带液位计、伺服式液位计、静压式液位计、磁致伸缩液位计、射频导纳液位计等。
　　非接触式测量方法主要有超声波液位计、雷达液位计等。
　　其中目前市场上常用的可以满足贸易级液位计要求的测量方式有：磁致伸缩液位计、伺服式液位计、雷达液位计、静压式液位计等，静压式液位测量系统(HTG)因为过于过于复杂，维护量大等缺点，使用量越来越少。而雷达液位计作为一种高精度的液位测量方式，因其量程大、安装方便、维护量低等优点，越来越多的得到客户的认可和接受；而且近几年，雷达液位计的价格也逐年降低，也使很多普通的用户也开始采用起雷达液位计作为储罐的液位测量方案。
表1、各种储罐液位测量方式比较

三、雷达液位测量原理及特点
　　雷达液位计又称微波液位计(Radar)，是取英文词组“RAdio Detection And Ranging”的词头字母而来的缩写词。微波物位计朝一个目标发射电磁波，电磁波井发射后返回发射源。安装在发射源处的接收器捕获到反射波，并把它与发射波作比较，确定目标的存在和它到发射源的距离。
　　目前市场常见的微波物位计采用的工作原理主要有FMCW（连续调频）和脉冲两种。
　　FMCW雷达液位计采用线性的调制的高频信号，一般都是采用10GHz或24GHz微波信号。它是一种基于复杂数学公式的间接测量方法，由频谱计算出物位距离。天线发射出被线性调制的连续高频微波信号并进行扫描，同时接收返回信号。发射微波信号和返回的微波信号之间的频率差与到介质表面的距离成一定比例关系。
　　脉冲雷达液位计，与超声波技术相似，使用时差原理计算到介质表面的距离。 设备传输固定频率的脉冲，然后接收并建立回波图形。信号的传播时间 直接与到介质的距离成一定比例。但是与超声波使用声波不同，雷达使 用的是电磁波。它利用好几万个脉冲来 “扫描”容器并得到完整的回波图。
　　雷达液位计的典型波段为 5.8 GHz、10GHz 、24 GHz。通常我们称5.8GHz（或6.3GHz）的频率为C波段微波；10GHz的频率为X波段微波; 24GHz（或26GHz）的频率为K波段微波。
　　由于雷达液位计的增益系数和波束角的大小和微波的波长以及雷达液位计的喇叭口尺寸大小有关系。因此，越来越多的雷达液位计制造商开始研发采用高频率微波技术来改善雷达液位计的性能。同时，采用高频技术后，可以在提高雷达性能的同时，大大缩小天线的尺寸，使安装更加方便。
    
　　由于雷达液位计采用的微波是一种电磁波，在传播的过程不需要传输媒介的传递，因此基本上不需要考虑挥发性气体和蒸汽、温度、压力（真空）、甚至粉尘的影响。而且，由于是基于回波反射测距的原理(TOF)，对雷达液位计来说，不存在磨损等问题，因此基本不需要维护；顶部安装的方式也使安装更加方便；而且由于微波的特性，相对其它液位测量方式，它的精度一般都能达到0.1%(全量程)的精度。由于雷达液位计具有这不可比拟的优点，越来越多的储罐用户开始采用雷达液位计来替代其他技术。

四、解决方案
　　西门子公司从1998年推出第一台智能化的雷达液位计IQ160开始，陆续推出了基于各种工作原理和采用不同频率的雷达液位计，形成较齐全的产品线，能够满足各种不同过程工艺、介质的测量需求。
　　Sitrans LR系列雷达目前包括Probe LR, LR200,LR300和LR400四个系列产品。
　　Probe LR是一款性价比极高的一款雷达液位计。它是一个两线制回路供电的， 5.8GHz频率雷达液位计，用于测量储罐和过程罐中液体和浆料的物位和体积。Probe LR 是挥发性化学品、温度梯度、真空或者常压等工况的理想选择，比如油库、化学储罐、化学反应罐和长量程应用。它的量程为20 m，精度为全量称的0.1%（如图1） 。
　　LR200在兼具了Probe LR的所有优点的基础上，还提供了各种不同规格的安装方式(包括各种规格法兰和螺纹)和不同的天线的选择（包括喇叭口天线、杆式天线、导波管天线等），极大程度地满足不同过程工艺的需求。

　　Probe LR和LR200都采用了一体化全封装的仪表外壳，使仪表具有较好的密封性、抗打击能力、抗腐蚀能力。
　　SITRANS LR 400 是长量程的连续调频(FMCW) 雷达物位仪表，可以用于最高达50米的储罐的测量，及时用于测量介电常数较低的介质(轻油、液化气等)也能得到极好的测量效果。24GHz 和高信噪比的特性能得到非凡的信号反射，而与介质的介电常数无关。它还具有先进的回波处理算法，能为恶劣的固体应用提供可靠的测量。它的测量精度为±5mm（如图2）。

　　根据储罐介质的特性，这里将各种储罐测量分为轻油及原油、重油、沥青、液化气、腐蚀性介质五种。
1、轻油的测量
　　典型的轻油介质为汽油、石脑油、石油等。一般会产生一定的挥发性气体，介电常数较低（<3）。

　　低频雷达(Probe LR/LR200+导波管。如果采用低频(6GHz)的雷达液位计直接测量，可能会因信号过于微弱而导致失波，一般会要求安装导波管。比如：Sitrans LR200配导波管的配置可以满足轻油的液位测量（如图3）。导波管的制作要求为：金属材质（最好是304或316不锈钢）；内壁光滑，无明显焊缝（要求无缝焊或套焊）；在合适的位置开排气孔，一般在导波管的上部，开空面积根据介质特性（粘度）须适量；如有必要在管底部设置偏置板，以防止由于微波信号穿透液面产生来自底部的错误信号。这个解决方案一般用于储罐高度小于5~10m的应用中。
　　高频雷达(Sitrans LR400)。采用高频率的雷达液位计，不需要任何辅助措施（高频雷达由于其特性，一般不建议用于导波管），既可以实现测量轻油的液位。对于一些较高的储罐，由于制作导波管的成本和安装成本较高，而且很多较长的导波管在环境的变化下，可能会导致一定的变形影响雷达液位计的测量效果和精度，因此，选择高频的Sitrans LR400用于测量大量程的轻油储罐的总体投资成本将会比低频雷达解决方案更经济适用。

2、重油的测量
　　典型的重油介质为柴油等，其介电常数一般>3，有一定挥发性气体。可以采用低频的Probe LR或LR200直接测量（如图4）。

３、沥青的测量
　　沥青（液态）的介电常数也比较低，一般在3左右（根据温度）；而且液态的沥青一般需要用高温来维持，伴随着高温一般都会有一定的水蒸气；沥青的特性比较粘，很容易产生一定的挂料的现象。
　　高温(>100ºC)的工况，一般都需要选择PTFE材质的天线，而不能选择PPS的天线（如：Probe LR）；为了防止挂料的影响，可以选择喇叭口天线；但水蒸气一般会导致冷凝水的产生，经试验表明，杆式天线对冷凝水的敏感程度要小于喇叭口天线，因为杆式天线的有效发射电磁波的面积要远大于喇叭天线(发射电极只有笔尖大小)；沥青的介电常数较低，在天线所产生的少量挂料一般都可以被雷达液位计的电磁波穿透；由于沥青介质的挂料比较粘稠，采用清洗装置的作用并不是很明显，因此笔者并不建议采用清洗装置用于测量沥青。

　　因此，对于储罐内搅拌、挂料非常严重的沥青应用，可以采用带喇叭口的LR200，喇叭口大小应不小于DN150（6”）;而对于温度较高，冷凝水现象比较明显的工艺中，可以采用全PTFE的杆式天线为佳：采用不锈钢屏蔽段的PTFE天线对口径较小的安装立管的屏蔽效果较好，但是屏蔽长度如果选得太短了，无法延长；采用全PTFE的天线的屏蔽段长度可以根据安装立管的长度自由方便地延长，但是在小口径(≤DN80)的安装立管会对天线的工作产生影响。因此，最好在安装雷达液位计安，应对安装立管的口径和长度提出要求。

4、液化气的测量
　　液化气包括液化天然气(LNG)和液化石油气(LPG)两种。典型的液化气介质有：丙烷、丁烷等。
　　主要的特点是：介电常数一般都非常低（1.5~1.8）；高压低温储存；防爆要求；通常用球罐存储，球罐的高度一般在10~28m不等。
　　目前的雷达液位计测量液化气主要有两种方式。
　　一种是利用旁通管，使用低频雷达(Sitrans LR200)测量。由于这种方式对旁通管制作的要求非常高，很容易因为旁通管质量不理想，而导致使用效果不佳；甚至在一些量程较大的球罐应用中，由于旁通管过长，很容易发生扭曲的现象，使雷达液位计无法测量。使用LR200安装在旁通管或导波管上测量液化气的解决方案，由于种种原因，鲜有成功的案例。
　　另一种采用高频雷达对低介电常数介质的良好发射特性，直接测量液化气液面。　　Sitrans LR400能够直接测量介电常数低至1.5的介质，可以满足液化气的测量。安装位置可以选在球罐的顶上，在球罐顶部直接开孔，为了保证维护的方便，一般需要在LR400安装在带球阀的安装立管(建议DN>150为佳)上，方便随时拆下来维护；或者安装在较粗的旁通管(直径6~10”以上)上。

　　Sitrans LR400在国内的独山子石化炼油厂应用，并取得了良好的使用效果。根据现场的使用测试，发现LR400的测量精度和重复性均能达到非常好的效果。

5、腐蚀性介质的测量
　　典型的腐蚀性介质包括：硫酸、硝酸、烧碱、盐酸等。
　　大部分腐蚀性介质的介电常数都较高；伴有不同程度的挥发性气体（烟雾）；不同浓度的腐蚀性介质对不同的雷达天线材料有不同的腐蚀性要求；很多腐蚀性介质的挥发性气体具有一定的渗透能力，再一段时间的使用后，可能会渗透到仪表电子部分或天线的电机发射部分而损坏雷达液位计。
　　采用何种雷达天线来测量腐蚀性介质，一般需要事先查化学兼容表来确认。
表2：各种雷达液位计对常见腐蚀性介质的兼容性


　　考虑到很多腐蚀性介质的挥发性气体也具有一定腐蚀性和渗透性，因此一般会选择一体化法兰垫片的选项来防止挥发性气体对法兰的腐蚀和通过法兰连接处进行渗透。
　　另外，很多酸碱储罐会产生很多水蒸气和泡沫。这需要根据实际情况来进行适当的选择：水蒸气产生冷凝水严重的应用，可以考虑采用杆式天线；泡沫的厚薄和成分不同，对微波是否能穿透泡沫进行准确地液位测量起至关重要的作用，需要具体的分析和更多的经验的积累。

五、结束语
　　通过近几年对雷达液位计在石油化工领域的应用研究，以及西门子不断进行新产品新技术的研发，西门子雷达液位计在各种储罐的应用也越来越成熟，成功的案例也越来越多。笔者相信随着雷达技术的发展和成熟，雷达液位计会逐步成为储罐液位测量的主流。

参考文献：
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