某煉油老廠區罐區，目前有各類油品儲罐150多個，主要用來存儲成品油，有汽油、采油、航煤、三苯等。自同行業相繼報道有罐區爆炸事故以來，國家、行業對石油化工監管越來越嚴，對罐區安全保障要求不斷提高，相關的安全管理制度、管理措施陸續出臺。為了滿足新形勢下的新標準和罐區新的規范，滿足罐區儀表的準確測量，某煉油廠在2011年開始設計在北罐區新增雷達液位計50套，提高了罐區液面測量的可靠性，并與2016年10月全部安裝完畢并投用。
1、儲油罐液位計介紹
煉油老廠區罐區150多個儲罐，在未更換雷達液位計之前，使用光導液位計來進行儲罐液位的測量。光導液位計自1988年開始安裝，到1991年全部安裝完成，140多套液位計陸續投入使用，至今已使用20多年。由于設備使用年限久，部分液位變送器已超過使用壽命，大部分附件老化孔帶、碼帶及小鋼帶斷裂扭曲；大、小傳動滑輪滾軸裸露易沾灰塵；小鋼帶油封槽腐蝕、隔離片破裂；浮盤連接卡子腐蝕，造成浮盤脫落等。
光導液位計儀表信號傳輸是通過1根總線，將各罐的液位計信號連接到總線上。信號傳輸過程中總線與分支信號接點多，連接方式采用總線與分支線三花五扣絞接，然后用絕緣膠帶進行絕緣處理。時間久，絕緣膠帶老化自然脫落，接線處與空氣中的酸性氣體長期接觸引起氧化或是接地，導致整個總線儀表信號不能正常傳輸；一次表箱密封不嚴，破損嚴重，起不到防護作用等原因。
灰塵或是臟物進入到采樣孔內，導致液位監控系統誤報警頻繁，嚴重干擾工藝人員的判斷和操作，影響罐區的安全生產。經公司評估后，決定將老廠區北罐區液位監控儀表更換為雷達液位計，于2012年開始施工，逐一對50個儲罐進行隔離安裝。南罐區目前正在逐步更換中。
2、罐區常用幾種液位計的性能對比
罐區一般采用的液位計主要有伺服式液位計、鋼帶式液位計、光導液位計這幾類，屬于接觸式的測量原理。對于原油這種較粘稠的介質，采用接觸式測量容易造成掛壁，粘附測量元件的現象，而且測量精度也較低，故障率較高。雷達液位計、超聲波液位計屬于非接觸式的測量原理，適合各種環境及介質的測量。
A、光導式液位計
①測量原理：光導液位計利用力平衡和光電原理進行液位自動測量，如圖1所示。當罐內液位處于某一位置時，浮標的重量、平衡錘的重量、浮標的浮力、三力處于平衡狀態。當液位變化時，液位浮力也發生變化，三力失去平衡。在平衡重錘作用下，使信息孔帶或碼帶與液位同步變化，這時變送器將信息孔帶或碼帶上的十六進制光碼讀出，并變成電信號，傳送至安裝在控制室的二次顯示儀表，進行液位顯示。每臺二次顯示儀表最多可顯示30個罐的液位。
圖1 光導液位計結構圖
光導式液位計主要由顯示儀表、現場測量變送部分、總線轉換器等設備組成。現場測量變送部分主要由浮盤、平衡錘、信息孔帶或碼帶、連接導向鋼帶、導向滑輪等組成。平衡重錘通過連接導向鋼帶與信息孔帶或碼帶的低端相連(即零位)信息孔帶或碼帶的高端(即最大值)，通過連接導向鋼帶與罐內的浮盤相連接。這樣，隨著油位的上升與下降，浮盤與重錘一起帶動信息孔帶或碼帶在滑輪上移動。在信息碼帶上有很多孔，變送器通過傳感器對這些排列十六進制小孔進行采樣，通過轉換變送實現對液位的測量。
②優點：直觀，便于觀察。
③缺點：變送器信號地址碼設置復雜，容易造成地址沖突；總線信號傳輸電纜與分支電纜信號接頭氧化接觸不良；機械傳動機構復雜，小滑輪易卡；小鋼帶、孔帶或碼帶、重錘鋼帶扭曲；北方進入冬季，油封槽隔離片未安裝或老化，罐體內含水水熱氣造成鋼帶，孔帶或碼帶及傳動滑輪組件結冰凍凝。光導液位計二次顯示儀表顯示點數受限制，理論上最多只能顯示30臺，不具備HART信號傳輸，無法直接與DCS通訊。結構復雜、安裝不便、工作量大。
B、伺服液位計
①工作原理：該液位計測量是基于力平衡的原理，由浮子的重量、浮子的浮力、伺服電機耦合力矩，三力處于平衡狀態。當液位計發生變化時，受浮力的作用，浮子的質量發生變化，如圖2所示。由于內外磁鐵的作用，內部磁通量發生改變，引起磁偶力矩變化，變化量經霍爾檢測元件檢測出信號大小，經電磁傳感器控制伺服電機，帶動輪鼓，讓變化量引起的電壓變化與指令給出的電壓一致。通過測量鋼絲輪鼓的旋轉可精確地計算出液位高低。
圖2 伺服液位計安裝結構圖
②優點：測量精度高，被測液體表面氣泡及乳化層不影響測量精度。即可測液面也可測界面，同時還具有被測介質密度檢測功能、被測介質的平均密度以及密度分布情況測量的功能。
③缺點：當測量高粘度介質時，存在掛壁及粘黏的現象，測量上會存在較大的測量誤差，不太適合應用在此類介質的液位測量上。伺服液位計安裝過程及調試過程比較繁瑣，具有接觸式液位計的的特性，伺服液位計單臺價格昂貴。
由于罐區長周期運行，檢修期間也不能規模性的動火安裝，以上兩種液位計是常用的大型罐區液位測量方式，但安裝結構復雜且價格不菲，是昌暉儀表雷達液位計的幾倍。同樣，進口類雷達液位計的價格也很昂貴，昌暉雷達液位計具備同樣的精度和功能，可節約不少資金，雷達液位計從安裝上比前兩種液位計簡單，調試方便。
罐區常用液位計的對比
儀表名稱：光導液位計
測量原理：利用力平衡和光電原理進行自動測量
特點：較精確
缺點：安裝精度高，結構復雜，不便于安裝。機械故障率高
價格：較高
儀表名稱：伺服液位計
測量原理：馬達帶動力傳感器，測量浮子受浮力情況大小來測量液位變化
特點：可測量液面和界面，精度高
缺點：罐內液位波動大或粘稠時，常發生拉斷鋼絲，使浮球丟失，不便于安裝
價格：高
儀表名稱：雷達液位計
測量原理：雷達微波測距原理
特點：不接觸液體，可測量高粘度液體和泥漿及固料，測量精度高便于安裝
缺點：液面上空的氣體會吸收微波，偶爾有雜波
價格：中
3、雷達液位計工作原理
雷達液位計經變送器天線發射出脈沖微波信號，脈沖微波信號迅速在空間里傳播。當在傳播過程中遇到被測介質表面，其部分脈沖微波信號被反射回來，被雷達變送器天線所接收。發射的脈沖微波與接收脈沖微波的時間間隔與變送器天線到被測介質表面的距離成正比。由于脈沖微波的傳播速度極高，發射到介質表面的脈沖微波與從介質表面返回的脈沖微波的時間間隔很小(納秒量級)，很難識別。雷達液位計采用一種特殊先進的解調技術，可以準確識別從天線發射脈沖微波與介質表面返回脈沖微波的時間間隔，將脈沖微波信號進行放大后，精確地分析處理這些信號，計算出變送器天線到被測介質表面的實際距離從而進行液位測量。
昌暉雷達液位計在變送器中采用先進的“微處理器和獨特的回波處理技術”，及脈沖微波傳送技術進行測量。該液位計工作適用范圍廣，測量時不受溫度、壓力的影響。對固體、液體、粉塵性及漿狀介質，都可以進行測量。使用在油罐區可以測量所有油品介質包括：有毒、酸堿性腐蝕性介質，測量連續準確、拆裝方便、維護量小、操作簡單。
①獨特的回波處理技術
回波是昌暉雷達液位計采用的新技術，為雷達液位計的正常工作、準確測量提供了可靠保證，提高了大型油罐復雜工況液面的測量精度。有些特殊場合由于安裝位置原因，產生的干擾微波，昌暉雷達液位計具有獨特識別虛假微波的功能，根據發出的微波信號和返回的微波信號識別出真實的信號，經變送器處理，可以標識出出現的干擾反射波，并剔除干擾微波信號。該功能主要是通過存于雷達液位計的內部數據庫，使雷達液位計在數據處理時能識別實際微波和干擾微波，排除干擾反射微波對測量的影響。該功能在變送器里設置簡單，進入變送器的設置菜單，輸入液面的罐體的實際液位，通過變送器系統軟件能自動地標識出液面到天線的虛假回波，就能排除這些雜波的干擾，保證測量的準確性。
②脈沖微波技術
雷達液位計進行測量時，變送器天線發出的微波有兩種方式，即調頻連續波式和脈沖微波式。調頻連續波技術雷達液位計，變送器本身功耗大，需單獨供電，供電和信號分開設置，一般采用四線制連接方式。采用脈沖微波技術的雷達液位計，變送器功耗低，供電和信號未單獨設置，采用二線制連接方式，實現本質安全，適用范圍更廣。
昌暉雷達液位計采用脈沖微波技術，變送器天線發射出脈沖微波頻率為26GHz，持續時間極短，微波脈沖波長短，只有12mm，發送的脈沖波束角度小(根據發送天線喇叭尺寸決定：如4寸喇叭口時只有8度)，脈沖微波在空氣中傳播時微波損失小，一般變送器發射測量范圍可以達到70m以上。在脈沖發射微波短暫停留期間，變送器天線系統將作為微波接收器，接收反射回來的微波信號，并對回波信號波形數據處理，判斷后顯示反射波形和電信號，再通過信號處理單元，顯示罐的實際液位。
4、昌暉雷達液位計的優勢
①消除多重回波和虛假回波干擾。
②應對各種復雜的現場工況。雷達液位計主要由機械部分(包括：變送器外殼、喇叭口天線、連接法蘭、波導)；電子部分(由集成電路板構成)；應用軟件3部分構成。
雷達液位計天線、法蘭的材料，均采用不銹鋼特殊材質，抗腐蝕能力強，能適應腐蝕性強的場所。不受酸堿、液體泡沫以及微波傳送過程中水蒸氣、溫度和壓力變化的影響。變送器內部參數設定方便簡潔，可用變送器上的操作鍵進行設定，也可用HART協議的手操器HART375或HART475，也可用裝有雷達液位計編程軟件的PC機，在遠程或直接連接在變送器的通信端口進行參數設置，應用十分方便，如圖3所示。
圖3 雷達液位計組態編程連接示意圖
③波長更短。對在傾斜的固體表面有更好地反射，測量盲區更小、波束角小、能量集中，增強了回波能力的同時，又有利于避開干擾物，高信噪比，即使在波動的情況下也能獲得更優的性能。
5、昌暉雷達液位計在罐區的實際應用
雷達液位計在實際應用過程中能否正確測量，完全依賴于變送器天線反射回來的脈沖微波信號。變送器天線發射出脈沖微波時，根據天線喇叭口的大小不同發射角也不一樣。如果變送器所選擇罐體安裝的位置不合適，測量時無法將電磁微波信號反射回雷達天線；或電磁微波發射的范圍內有干擾物，反射回來的電磁微波有干擾波，雷達液位計都不能正確測量實際液位。安裝在罐區的儀表外殼必須接大地。前期，在罐區昌暉雷達液位計安裝完后，表殼未進行接地，經過整改已經完成。
A、雷達液位計的現場安裝要求
合理選擇安裝位置對雷達液位計十分重要，安裝未按要求或是安裝不規范，均能導致雷達液位計不能正常使用，應避免安裝狀況對前段回波曲線形狀影響，如下面幾個圖所示的幾種情況。
①被測罐體中，保持與罐壁有適當的距離。此種狀況會影響前段回波曲線形狀，影響測量，造成測量不準確。
②被測量罐體中，微波反射角內有突出物，會產生干擾微波影響測量。此種狀況會造成測量信號不穩定，測量信號波動大。
③被測罐體中，發射角范圍內有物料進口，出現物料流動。
此種狀況會導致變送器反射的微波信號比實際微波信號大；或在真實液位反射信號和料流反射信號之間跳變，測量信號不穩定。
④被測罐體中，變送器安裝連接短接過長，雷達液位計天線未出安裝短接。
安裝連接短接過長，當罐體中實際液位在高液位時，連接出口的天線反射波與真實回波相互干擾，導致變送器信號不穩定或跳變。
⑤被測罐體中，變送器要避免安裝在弧頂罐的正中心。此種情況可導致天線反射回波曲線紊亂，變送器輸出值不穩定，顯示偏差大。
B、雷達液位計在罐區安裝狀況
罐區在未更換雷達液位計前，現場液位計采用的均為光導液位計，用來測量油罐液位。項目實施時，現場光導液位計是否拆除的問題，經討論探究決定暫時不停用，待光導液位計出現故障后逐步停用，采取兩臺液位計對比來進行測量。在罐區選的是昌暉儀表制造有限公司26G高頻雷達液位計，不銹鋼喇叭口天線，本安型，儀表信號采用24VDC供電，4-20mA及HART信號傳輸，信號經現場接線箱轉接為多芯電纜傳輸到機柜間。機柜間內經安全柵隔離后，進入到DCS模擬輸入卡件，通過橫河DCS系統來顯示測量。現場從罐頂采用法蘭連接，未安裝導波管。
C、現場安裝問題處理
在2016年6月份已安裝到位的液位計，發現5臺投用后多次標定，顯示偏差均在30%-60%之間，罐號為934#、966#、965#、903#、935#罐，介質均為汽油罐。現場外觀檢查發現5臺雷達液位計防爆外殼玻璃表蓋上有水珠，防爆外殼缺葛蘭頭、缺密封堵頭、密封堵頭與葛蘭頭安裝接口調換位置，兩個接口的螺紋不一樣，堵頭絲扣未擰到位；將雷達液位計拆回進行檢查標定。當拆卸下編程器表頭和傳感器后，發現這5臺表體底部均有不同程度腐蝕現象，如圖9所示，初步判斷為進水所致。
圖9 雷達液位計進水出現腐蝕
工作人員對這幾臺液位計進行原因查找，檢查是什么原因造成變送器殼體進水，分別做以下試驗：①對表蓋進行盛水試漏實驗，表蓋玻璃無漏水現象，密封良好；②對966#罐上雷達整個表體進行水流沖刷試驗，水流持續沖刷10min，打開表蓋未發現明顯進水現象。
D、錐形管天線密封試驗
對966#罐雷達液位計倒扣，錐形管里盛水，進行進水試驗。靜止4h后檢查發現表蓋上有很多水珠。懷疑是從錐管內滲水，其余4臺雷達液位計進行倒扣進水試驗，試驗后均未發現有明顯的水跡倒流進入表殼內，如圖10所示。
圖10 雷達液位計天線密封試驗
拆開966#罐液位計后發現同軸接頭處有水珠，表內底部也濕潤，明顯進水。此表未從上方沖水，只從底部錐形管罐裝過水，由此可以推斷從天線處也可以慢滲進水汽。分析是由于此處的密封松動，緊固后正常，如圖11所示。排除是由于介質通過喇叭口天線進入到變送器殼體內，造成測量誤差。
E、實驗及處理結果
由此，可斷定由于施工階段，相關人員在施工時責任心不強，未按規范保護儀表設備，造成變送器雨天由儀表信號接口處進水，引起變送電子元件快速老化，造成儀表測量誤差。聯系昌暉儀表制造有限公司售后，更換部分器件后，重新進行參數設置(如下表所示)。經信號測試，調試投運后指示正常。通過這系列的現場檢查驗證，進一步確定雷達液位計在罐區應用的優越性和可靠性。
故障雷達液位計檢修記錄表
6、昌暉雷達液位計在罐區的應用效果
自2012年以來，昌暉雷達液位計在煉油廠北罐區儲罐上開始安裝，截止2016年10月共安裝了38臺，目前運行狀況良好，替代之前所用的光導液位計后，故障率和日常維護工作量明顯降低，液位測量準確度上都比之前提高許多。
①昌暉雷達液位計在罐區中的應用為驗證雷達液位計的技術性能及測量的準確性，于2016年6月10日至7月30日，在罐區做了多次人工量油與液位計自動量油對比測試。提取3次對比情況，使用效果良好。最大誤差為2mm，運行穩定。儀表能準確地反映各罐生產動態、罐儲油情況，滿足了油品動態計量、數據傳輸的要求，方便管理和操作運行。液位計將標準儀表信號遠傳到DCS系統，通過OPC服務器，上傳到生產網絡，相關人員隨時可以觀察到罐區油品管輸狀況。
②存在的問題及改進措施
a、罐區只安裝38臺昌暉雷達液位計，每個罐區雙表運行。多年以來，操作人員慣于用光導液位計來衡量儀表指示是否準確，依然對光導液位計存在依賴性。聯系工藝技術人員要求對液位測量以雷達液位計指示為主，光導液位計測量只是輔作用。
b、罐區還有很多罐未安裝雷達液位計，改造難度比較大、周期比較長，在一定時期內，部分罐依然要使用光導液位計。公司已制定方案加大整改力度，預計在未來幾年全部整改完畢。
c、罐區區域很大，從現場到機柜間距離較長，由于遠距離傳輸，對儀表直流24VDC供電電壓衰減不易克服。現場測試，準備增加機柜間輸出電壓值，以克服電壓衰減問題。
罐區液位測量在石油化工行業中起著至關重要的作用，雷達液位計已經被廣泛應用在大型油罐的測量中。昌暉儀表制造有限公司雷達液位計經現場使用證明，其可靠性強、測量精度高、價格便宜、操作維護方便、維護工作量小、安裝方便、抗干擾能力強、安全性高、便于拆裝、智能集成結構簡單，為罐區安全生產提供了有力的保障。
作者：謝文奮(本科，高級技師及技能專家，工程師，從事石化現場儀表的維護與研究)
