大型石油化工罐区储罐液位仪表的设计及应用

  国内外储油罐常用的液位测量仪表有；浮体式液位计 差压式液位计 磁致伸缩液位计 伺服式液位计 超声波液位计 雷达液位计等等[1]。根据不同的测量原理和方法，每种测量仪表都有其自身的优点及适合应用工况罐区液位仪表的发展趋势是高精度 多功能 高度自动化的方向发展，并且一些罐区包含给生产装置供料的任务，因此必须要有较高测量精度及自动化程度 下面介绍两种主要储罐液位仪表的应用。

  1 雷达液位计

1.1 雷达液位计原理

  发射 反射 接收是雷达液位计的基本工作原理。

  雷达传感器的天线以波束的形式发射电磁波信号，发射波在被测物料表面产生反射，反射回来的回波信号仍由天线接收 发射及反射波束中的每一点都采用超声采样的方法进行采集 信号经智能处理器处理后得出介质与探头之间的距离，送终端显示器进行显示 报警 操作等。

  雷达液位计发射能量很低的极短的微波脉冲通过天线系统发射并接收 雷达波以光速运行 运行时间可以通过电子部件被转换成物位信号。一种特殊的时间延伸方法可以确保极短时间内稳定和精确的测量。

  即使工况比较复杂的情况下，存在虚假回波，用最新的微处理技术和调试软件也可以准确的分析出物位的回波。

  现有雷达液位计有两种测量方法，一种是调频连续波式，一种是脉冲式 调频连续波是在频域中进行信号分析，脉冲式是在时域中进行信号分析调频连续波式精度高，脉冲式精度低。

   近几年石化行业中雷达液位计的广泛应用跟雷达测量检测方法的快速发展是分不开得，采用了罐底跟踪技术的雷达液位计能准确的检测到更低介电常数的介质的液位众所周知，选择雷达液位计的最重要的测量参数是介电常数。

1.2 雷达液位计的特点

  雷达液位计最大的特点是在恶劣条件下功效显著 无论是有毒介质，还是腐蚀性介质，也无论是固体 液体还是粉尘性 浆状介质，它都可以进行测量 在测量方面，具有以下特点

1.2.1 准确度高

由于电磁波的特点，不受环境的影响 雷达液位计无任何零件与油罐内的介质接触，不受温度压力 气体的影响，可快速准确地测量不同介质的液位。

1.2.2 几乎可以测量所有介质

  微波信号与可见光相似，可以穿透空间，其反射功率取决于被测介质的导电性和介电常数 介电常数越大，回波信号的反射效果越好

1.2.3 准确且可靠性强

  微波几乎不受干扰，与测量介质不直接接触，几乎可以被应用于各种场合，如真空测量 液位测量或料位测量等 由于高级材料的使用，对情况极其复杂的化学 物理条件都很耐用，它可以提供准确可靠 长期稳定的模拟量或数字量的物位信号。

1.2.4 安全节能

微波的发射功率很小，最大为 0.03 mW/cm2，可被金属容器外壁静电屏蔽，因此可不受任何限制地应用于各种场合，而且对人体无害。

1.2.5 适用范围广

  从罐体的形状来说，雷达液位计可以对球罐卧罐、柱形罐、圆柱椎体罐等的液位进行测量；从罐体功能来说，可以对储罐、缓冲罐、微波管、旁通管中的液位进行测量；从被测介质来说，可以对液体颗粒 料浆等进行测量。

1.3 雷达液位计的应用

  雷达液位根据天线形式来分可以分为；锥体天线、抛物面天线、杆状天线。

  锥体天线适用于安装在罐顶或安装导波管上，适用大测量范围的应用场合

  抛物面天线适用于液体与固料两者的测量应用 因它有最大的直径，所以它有最窄的雷达波束，并可用于极长距离的测量抛物面天线也是对污染最不敏感的天线类型。它可用于具有严酷天线粘结液像沥青与液态硫磺这样的应用工况。

  杆状天线天线的尺寸小，只有聚四氟乙烯材质暴露在储罐大气中 杆状天线适用于具有卫生要求或腐蚀性化工物料的测量应用。

  在国内比较知名的国外品牌有SAAB KROHNE E+H ENRAF等等 这些品牌的产品的技术性能和特点有细微的不同，（例如使用的频率不同）但原理基本相同。

  SAAB的雷达采用调频连续波式（FMCW）频率为10 GHz 其分为轻型（Lite）标准型（Standard）和高精度型（Golg） 轻型精度是 10 mm，标准型精度是 10 mm，高精度型精度为 5 mm 两线制或四线制[2]。

  KROHNE 高端 OPTIWAVE7300 型雷达频率为26 GHz，测量范围小于10 m，精度为 3 mm 测量范围大于 10 m，精度为 0.03% 两线制。

  E+H的调频连续波式（FMCW ）雷达， Micropilost S FMR5XX系列，频率为 10千兆赫（GHz）精度为3 mm 四线制。

  ENRAF 的调频连续波式（FMCW） SmartRadar雷达液位计是一个采用了数字平面技术（DPT）的智能雷达液位计，精度为 1 mm，四线制。

  对于计量级高精度雷达液位计，测量原理采用调频连续波式（FMCW） 除燃料油 沥青等粘度大且易冷凝的储罐采用抛物面天线外其它储罐采用锥体天线 在内浮顶罐设计有导波管，以达到储罐液位的精确测量 并在地面设就地指示表，显示液位值 方便现场操作人员巡检。

1.4 雷达液位计的安装

  雷达液位计安装时要距离罐壁一定的距离，应避开加热盘管及其罐的出入口，这样测量的雷达波能够准确的反映出真实的液位 锥体天线设有保护罩防止介质冷凝影响测量 在内浮顶储罐上导波管要求内表面平滑无毛刺，并开对称的小孔 保证雷达回波准确不产生干扰 燃料油的抛物面雷达开设在储罐的透光孔上[3]。

2 伺服液位计

2.1 伺服位计原理

  伺服式液位计一直被广泛地用于储罐液位的高精确度测量，因为它是一种多功能仪表，既可以测量液位也可以测量界面 密度和罐底等参数。

  伺服式液位计基于浮力平衡的原理[4]，由微伺服电动机驱动体积较小的浮子，能精确地测出液位等参数 浮子用测量钢丝悬挂在仪表外壳内，而测量钢丝缠绕在精密加工过的外轮鼓上；外磁铁被固定在外轮鼓内，并与固定在内轮鼓的内磁铁耦合在一起。

  当液位计工作时，浮子作用于细钢丝上的重力在外轮鼓的磁铁上产生力矩，从而引起磁通量的变化 轮鼓组件间的磁通量变化导致内磁铁上的电磁传感器（霍尔元件）的输出电压信号发生变化。其电压值与储存于CPU中的参考电压相比较。当浮子的位置平衡时，其差值为零。当被测介质液位变化时，使得浮子浮力发生改变。其结果是磁耦力矩被改变，使得带有温度补偿的霍尔元件的输出电压发生变化。该电压值与 CPU中的参考电压的差值驱动伺服电动机转动，调整浮子上下移动重新达到平衡点。整个系统构成了一个闭环反馈回路，其精确度可达 0.7 mm，而且，其自身带有的挂料补偿功能，能够补偿由于钢丝或浮子上附着被测介质导致的钢丝张力的改变。

  液位测量时液位的变化引起浮子浸没深度的变化，浮子所受的浮力同时也变化，浮力的变化被力传感器检测到。测量值和设定值之间的的偏差引起步进马达位置的变化，升高和降低浮子的位置，直到测量值和设定值相等为止。为了避免振动，软件还可以调整滞后作用和积分时间。这样可以得到比较稳定和精确的平均液位 步进马达每旋转一周大约使浮子上下移动 10 mm 每旋转 1 周被分成200 步，因此每步相当于0.05 mm 这直接决定了马达的分辨率 同时不停地检测步进马达的位置。这是通过安装在马达轴上的独特的码盘来实现的。

2.2 伺服液位计的特点[5]

1. 由于不存在滑轮 齿轮的摩擦力，测量精度很高（+0.7 mm）

（2）由于几乎没有传动部件，可靠性很高，故障率比较低

（3）可测量液位 界位 介质比重等参数，可与计算机联网，具有很强的数据处理能力，经运算处理可以给出油罐计量所需的各种参数，如液位、界位、体积、密度、水尺、质量等。

（4）带 4 个干接点输出，可作为高低液位报警开关，参与联锁。

（5）可以与带有 HART 功能的温度变送器和压力变送器通讯，把温度 压力信号一起通过总线传到控制室集中显示 也可以在地面的表头上显示液位值。

（6）在温度较高，易产生挥发后冷凝物是粘性介质的场合下，震动大的场合，不适合使用。

2.3 伺服液位计的应用

  在国内比较知名的国外品牌有 E+H ENRAF这两个品牌的产品的技术性能和特点有细微的不同，但原理基本相同。

  罐区的大型储罐常用伺服液位计（带干接点输出用于联锁） 但一些粘度大和宜冷凝的介质采用了其它液位测量和联锁报警。例如高芳烃 、烷烃和燃料油高低液位的报警采用了音叉式液位开关，并参与联锁。由于伺服液位计价格比较昂贵，污油罐没有采用伺服液位计，而采用的音叉液位开关。

  伺服液位计在拱顶罐上安装时无特殊要求，但在内浮顶罐上安装时需设导波管或导向钢丝 导波管要求内表面平滑无毛刺，并开对称的小孔。保证浮子不会卡在某一位置，保证导波管内液位与储罐的液位一致。导波管必须垂直安装。安装液位计的法兰应保持水平 正确的安装是良好使用的关键。

  如果伺服液位计被安装在密封罐上时，可以在罐和液位计之间安装一个合适的球阀 保证罐的密闭性 考虑有毒介质苯和低温苯乙烯的储罐使用球阀密闭[6]。

  伺服液位计的干接点信号参与联锁，自动开启或关闭储罐出入口的切断阀。作用等同于音叉液位开关的报警信号 能够满足规范要求的大型储罐需设干接点式报警开关的要求。

3 结束语

大型石油化工储罐的液位测量选用了雷达液位计和伺服液位计双液位计测量。满足了高测量精度及自动化程度的要求。保证了精度、重复性、稳定性、为石油石化生产装置平稳运行的奠定了良好的基础。