SAAB雷达液位计在液化石油气球罐计量中的应用

陈桂华 郭 猛

0 引言

在石化行业的石油炼制过程中，液化石油气储罐的液位测量和液体计量是一项常态化的工作。由于液化气的介电常量εr<1.9，通常的微波或超声波等在液化气中的传播能量会减弱，因而降低了测量精度，而液化气球罐内气相压力的变化对传统的接触式液位测量仪表测量精度的影响很大，因此对液化气液位的测量没有有效的方法，对液态液化气的计量也没有一个很好的解决办法，这一问题已经困扰我们多年。特别是在石油贸易方面经常会因为计量误差而产生不必要的贸易摩擦，而传统的计量方式又达不到需要的精度，因此，必须找到一种测量精度高，又能与石油化工自动化很好地结合的液位测量仪表。Rosemount公司生产的用于液位测量和储罐液体计量的SAAB雷达液位计，其微波的传播能量不受惰性气体及液化气的影响，很好地解决了这些问题。该液位计及其Tank Master系统已经于2012年在大连石化公司储运车间升级后投入使用，因计量误差较小，取得了很好的经济效益和社会效益。

1 雷达液位计的结构及工作原理

1.1 雷达液位计的结构

雷达液位计由雷达头、导波单元和喇叭形天线、数据采集单元和上位机监控软件组成。雷达头内部包括微波发生器、电源卡、信号处理卡、模拟(电流)回路卡、和现场通讯卡等部件。

1)微波发生器：产生9.6～10.3GHz的微波信号。

2)电源卡：接收220V交流供电，并向雷达头内部各卡件/部件提供电源。

3)信号处理卡：通过该卡将雷达液位计的信号(液位信号、温度信号、压力信号等)进行处理，再通过远程编程来保存这些特定监测器数据，传送至现场通讯单元FCU，FCU再与上位机进行通讯。

4)模拟(电流)回路卡：接收本安的4～20mA电流输入信号，并提供对应的4～20mA输出电流，用于现场显示仪表，也用于向SPC(信号处理卡)提供信号。

5)现场通讯卡：负责处理与外部装置的通信， 不同的现场通信卡件对应不同的协议 (Hart、FF、Modbus等)。本系统中的现场通讯卡对应的是Modbus协议。

1.2 雷达液位计的工作原理

如上文所述，雷达头内部的微波发生器产生9.6～10.3GHz的微波信号，该微波信号通过导波单元沿水平方向到达微波连接器，经旋转90°后，沿着微波连接器到达圆锥形天线并向下发射。当微波遇到障碍物(金属、液面等)时，一部分被吸收，一部分到达被测介质表面后反射折回，由于能量损失，反射波的频率有所降低，其频差与此时储罐的空高成正比(储罐空高=储罐总高-实际液位高度)。信号处理单元对此信号进行处理和计算，得到储罐液位的实际高度值：

L=LTX+LTC+R-G-S

式中：雷达液位计的参考点以用户提供的一次连接法兰为基准点；LTX为雷达头电气单元的长度，该数值标明在仪表的铭牌上，为固定值；LTC为雷达头的连接高度；R为储罐的参考高度，由人工检尺口到零液位基准点的位置，液化气球罐属压力容器，应密闭，没有人工检尺口，这里的R就是球罐的实际高度；G为人工检尺口到一次法兰的距离，在这里G视为零；S为仪表测量的空高，即微波发射单元到液体表面的距离。

从上式可以看出，LTX、G、R均为固定值，S值取决于被测液位的高度，LTC以雷达液位计的参考点为基准，通过调整该值来调整仪表的精度。LTX、G、R、LTC均需要通过上位机组态软件(Tank Master)将这些参数值输入到组态软件中。

如#21罐雷达液位计相关安装参数为：LTX=960mm，G=0mm，R=24780mm，LTC=1186mm。

组态完成后，仪表投入试运行，进行仪表计量精度的鉴定。

2 雷达液位计校验

2.1 软件组态

组态相对比较复杂，系统组态主要采用 Tank Master软件，一般用户只需设置几个关键的参数： 罐高、量程(液位计量程必须和系统设置一致，否则系统画面显示的液位就会和雷达不匹配) 、介电常数、盲区以及所使用的天线类型和尺寸，其余参数已在出厂时设置完毕，用户按默认即可。

2.2 液位计校验

系统组态后，用Winsetup程序对安装在储罐内导波管上的参考针的安装位置进行校验，即对液位计进行校验。校验步骤如下：

1)STEP1:将现场取压球阀打开，使“TEST-OPERATION”开关在OPERATION状态。

2)STEP2:在Tank Master系统中进入WinSetup，选中某仪表设备，例如：LP-1，右键点击选择“LPG Setup”。

3)STEP3:在“LPG Setup”窗口选择“Correction”，因为在校验时罐内无介质，充满空气，在纠正方法菜单中选择Air Only。

4)STEP4: 在“LPG Setup”对话框中选择“Pressure”，在Pressure对话框中选择压力源。并在“LPG Setup”对话框中选择“Temperature”，在Temperature对话框中选择需要的温度源，压力源与温度源均为雷达液位做补偿。

5)STEP5: 使“TEST-OPERATION”开关在TEST状态。

6)STEP6:选中需要校验的设备，右键点击选择“LPG Setup”对话框，在此对话框中选择“Verify pins”。

7)STEP7:在Verify pins对话框中点击“Start”，系统开始运行校验参考针的位置。校验完毕后，已校验的参考针的位置与已组态的参考针的实际安装位置之间的误差须不大于2mm，如果大于2mm，则需修改组态值，再回到上述STEP6，重新校验，直至符合要求。

3 仪表在计量中的应用

按以下步骤对#21罐的液位显示值进行校验，校验过程中将现场仪表的读数和雷达液位计的显示值分别填入表1中。

3.1 读取现场仪表数据

因为储罐在静止状态下，液面相对稳定，为了确保校验数据的准确性，校验时间选择在储罐收料或付料结束(即储罐处于静止状态)2h后进行。现场仪表是玻璃板液位计，为了减小因视线偏差及其他因素造成的对玻璃板液位计读数的影响，每次校验时，现场仪表都要进行连续3次的独立测量，将3次测量的结果计算算术平均值(LFEL)填入表1。

3.2 雷达液位计读数

每次记录下对应时间雷达液位计的显示数值(LTRL)，填入表1中。为了确保读数的准确性，校验点应分布于储罐的整个液位高度范围内，至少从储罐液位的1/4到储罐液位的3/4处均匀分布几个校验点。对#21罐的液位校验，选取了5个检测点，计算误差值。

表1 #21罐雷达液位计校验数据表 mm

计算在每个校验点现场仪表的读数(均值)与雷达液位计显示值的误差，并将此差值填入表1。ΔL=LFEL-LTRL

校验结果表明，雷达液位仪的测试数据具有较好的重复性，在储罐停止作业的情况下和现场仪表的精度比对在±4mm以内。SAAB雷达液位计可以精确测量储罐内的液位，能满足液化石油气储罐过程监控和液位计量的要求。

4 产生的效益

1)劳动强度的降低。由于仪表精度高，完全满足测量要求，将原来需要对动态罐每两小时人工抄录现场仪表一次改为每班一次，大大降低了操作者的劳动强度。

2)罐区操作风险的降低。一是操作者上罐次数的减少，减少了人身安全事故的发生；二是雷达液位计可以做到连续监测液位，消除人工抄录只能两小时监测一次液位的弊端，确保储罐进料液位受控，基本杜绝了冒罐事故。

3)维修次数的减少及维修费用的降低。采用雷达液位计以后，由于是非接触测量，避免了因石油产品成分复杂、杂质多等因素造成的对测量仪表的堵塞。另外系统抗腐蚀性强，易于清理，精度高，无可动部件，工作可靠，故障率低，基本可免于维修。

4)软件功能强大、实用，方便了操作人员。随机附带的计量管理系统不但可以在操作站上即时显示液位高度、温度、压力等参数，还可以显示质量、体积等参数的瞬时量和累计量。

5 结束语

液化石油气球罐液面上的气相介质会降低雷达波的传播速度，从而影响雷达的测量精度，所以对于液化气球罐的液位测量而言，必须对蒸汽的影响进行修正，修正必须知道罐内蒸汽真实的压力和温度。SAAB雷达液位计上安装一个一体化的压力传感器的和一个外接的温度传感器，用于测量球罐内的压力和温度。计算罐内蒸汽的数量是应用基本的气体定律，可达到±4mm的液位精度。

雷达测量是非接触测量，没有机械磨损，SAAB雷达液位计的平均无故障时间(MTBF)大于65年，至少比机械式的液位计高出一个数量级。

SAAB雷达液位计具有独特的校验功能，通过测量安装在导波管上已知位置的参考钢针，即可以在整个量程的不同位置校验雷达的精度。雷达液位计的读数不会受到产品密度变化的影响，液面的波动也不会影响雷达的可靠性。

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