雷达液位计在油品罐区计量中的应用

陈丽君

（中海油石化工程有限公司 青岛分公司 自控室，山东 青岛 266100）

油品罐区是石油化工企业中重要的储运设施，准确地计量油品罐区的库存对于石化企业的生产、销售有着非常重要的指导作用，作为油品罐区计量中的关键仪表，罐区液位计的精确度、安全性及稳定性直接影响着石化企业的安全生产和经济效益。早在20世纪80年代中期，源自军事工业的雷达测量技术被应用于工业自动化测量领域，使得现代罐区计量技术有了一个根本性的飞跃，解决了油品罐区测量系统在部分工况长期以来无法精确计量的难题，雷达液位计以其优越的性能成为罐区液位测量仪表的首要选择。结合工程设计项目实例，从原理、特点、选型等多个方面对雷达液位计在油品罐区计量方面的应用进行了细致的研究与总结，为今后更加合理地使用雷达液位计进行液位测量提供参考。

1 雷达液位计的工作原理

雷达液位计采用高频振荡器作为雷达波发生器，发生器产生的雷达波通过导波管引到雷达天线，然后向外传播。当雷达波到达检测液面时，有一部分被吸收，另一部分被反射回雷达天线接收，通过建立发射波与反射波的函数关系来实现液位测量[1]。基于两种不同的测量原理，雷达液位计主要分为时域脉冲雷达液位计和调频连续波（FMCW）雷达液位计两类。

时域脉冲雷达液位计基于雷达波的时域反射性（TDR）原理，通过测量单脉冲电磁波的传输时间进行液位测量[2]，其精度主要依赖于对时间的精确测量。由于雷达波信号以光速传播，而测量储罐液位时雷达波在储罐内的传播距离较短，所以较难保证准确地测量。

图1 3种天线型式的雷达液位计外观图Fig.1 Outline drawing of radar level gauge with three kinds of antenna

表1 各种油品介电常数列表Table 1 List of dielectric constants of various oils

调频连续波雷达液位计利用同步调频脉冲技术，微波发射和接收器安装在罐顶，向液体表面发射频率经过线性调制了的微波信号。当微波信号向下传播到液体表面后被反射回接收器时，由于时间延迟，发射信号的频率已发生了改变，通过得到反射波与发射波的频率差，推算出雷达波通过的距离[3]。

同样是利用雷达波的传播特性进行液位测量，时域脉冲雷达液位计基于时间测量，而时间是一种连续的模拟量，在物理学上定义它只能被无限近似切割，所以时域脉冲法是一种模拟技术，它只能提供较低的测量精度，其优势在于制造成本相对较低；调频连续波雷达液位计基于频率测量，而频率是一种完全的数字量，能够被准确切割和度量，所以调频连续波法是一种数字化技术，能提供良好的测量精度和稳定的输出信号。

2 雷达液位计的选型

2.1 雷达液位计天线型式

天线是雷达液位计测量液位的重要部件，雷达液位计选型主要在于选择合适的天线型式。常用的非接触式雷达液位计天线型式主要有以下3种：喇叭口天线、抛物面天线和平面天线，外形结构如图1所示。

喇叭口天线采用点源发射方式，雷达波为发散的球面波，主要用于不需要设置导波管的拱顶罐的液位测量。由于整个喇叭口天线处于储罐中，并且有几乎与罐环境相同的温度，所以可以防止在天线内发生冷凝。

抛物面天线同样采用点源发射方式，雷达波为发散的球面波，允许近罐壁安装。通常用于拱顶罐，介质主要为蜡油、渣油、沥青等粘稠及易冷凝的高温油品，储罐底部都设有加热蒸汽盘管。由于罐内高温（200℃左右）产生蒸汽使得在雷达天线部位极易形成凝结水和出现挂料现象，影响雷达液位计的准确测量，而抛物面天线雷达液位计的滴水型设计有效地防止了冷凝和挂料现象的出现。而且，抛物面天线波束窄，使雷达波能量更集中，聚焦性好，能够保证较高的测量精度[4]。

平面天线技术（又叫阵列天线技术）采用多源发射方式，与单点发射源相比，由于其测量基于一个平面，而不是一个确定的点，因而发射出的雷达波为平面螺旋波。主要用于安装有导波管的内（外）浮顶罐的液位测量。平面天线发射的雷达波具有波束窄、能量集中的特点，所以与导波管管壁接触部分能量很小，受导波管内壁粗糙程度的影响也很小，对于油品挂壁对测量的影响小。

2.2 介电常数对雷达液位计选型的影响

雷达波到达液位表面被反射时，雷达波会被吸收而发生衰减，当衰减过多时，雷达液位计接收不到足够的信号，导致测量不准确，这就是被测介质的介电常数对雷达液位计的测量所产生的影响[5]。

各种油品介质的介电常数如表1所示。为了克服介电常数的影响，提高反射波能量，对于使用内（外）浮顶罐的介质，对于汽油、煤油等相对介电常数较小的介质必须使用导波管。而对于液化气球罐的液位测量，一方面液化气的介电常数较低，对雷达波的反射能力很弱；另一方面液化气气相组分会吸收部分雷达波造成信号衰减严重，影响雷达液位计的准确测量。因此，通常选用另一种测量精度较高的接触式仪表——伺服液位计，此处不作详述。

3 雷达液位计的现场总线传输方式

3.1 现场总线传输方式

雷达液位计提供叠加了HART的4mA～20mA输出信号，同时也提供数字式现场总线传输方式。在油品罐区计量系统中，罐区计量信号通过雷达液位计的现场总线传输到控制系统。现场总线能够同时传输多个过程参数，大大地简化了连接线路，降低了成本。而且在传输过程的同时，仪表的标识符和简单的诊断信息也可一并传送。现场总线是双向的，因此能够在控制室对现场智能仪表进行标定、调整及运行诊断，甚至能够在故障发生前进行预测。

3.2 单个油品储罐计量系统的构成

图2 单个油品储罐计量系统结构图Fig.2 The structure diagram of single oil tank gauging system

图3 某雷达液位计通讯系统图Fig.3 Communication system diagram of radar level gauge

表2 罐区液位计选型列表Table 2 Tank level gauge selection list

基于雷达液位计的数字信号处理功能及数字式现场总线传输的特点，雷达液位计在油品罐区计量中主要发挥了两个作用：一是测量储罐内介质的液位，二是接收被测介质的温度、密度、压力等远传信号，利用现场总线与控制系统进行通讯，将所有信号一起传输到控制室，实现对油品储罐的计量。单个油品储罐计量系统构成如图2所示。

3.3 油品罐区雷达液位计的通讯系统

某品牌雷达液位计的通讯系统结构如图3所示。现场通讯单元（FCU）作为一个网关或数据收集器，在上位机和现场仪表之间起连接作用，罐区中各储罐的雷达液位计依靠TRL/2现场总线与FCU进行数据传输，FCU和上位机之间通过RS-485总线进行通讯，完成将罐区仪表信号传输到上位机的任务[5]。

4 工程应用实例

4.1 液位仪表选型

某项目共有4个油品罐区，分别为原油罐区、汽油罐区、油浆及碱渣罐区以及液态烃罐区。根据各罐区介质的特性及储罐类型，配备合适的液位测量仪表，如表2所示。其中，T——温度；L——液位；ρ——密度；P——压力。

根据雷达液位计的选型原则，对于易产生挥发性气体，使用浮顶罐储存的汽油和原油（汽油为内浮顶罐、原油为外浮顶罐），选用平面天线雷达液位计，安装导波管。可以有效地克服介质由于介电常数小而对雷达波反射能力相对弱的缺点，确保测量准确。

油浆、碱渣等介质由于比较粘稠且易冷凝，通常储存在带有加热蒸汽盘管的拱顶罐中。因此，选用不受加热蒸汽影响又聚焦性好的抛物面天线雷达液位计。

液态烃罐区选用伺服液位计。

4.2 雷达液位计通讯系统

利用雷达液位计基于现场总线进行数据传输的特点，为油品罐区构建起一个液位测量系统。雷达液位计通讯系统构成如图4所示。采用雷达液位计进行液位测量的3个罐区通过3条现场总线与安装在控制室内的雷达通讯单元通讯，再由雷达通讯单元通过RS-485总线与控制系统进行通讯，传输各储罐液位的同时，还将温度、压力、密度等检测信号通过雷达液位计准确无误地传输到控制系统中进行集中监测，实现了整个油品罐区的计量。

雷达液位计现场总线传输方式在工程实施中主要具有以下优点：

1）采用现场总线网络，解决了分布式油品储罐的集中检测问题，便于进行网络化管理，使系统更加实用、稳定和可靠。

2）数字传输方式，可以同时传输多个过程变量，极大地简化了信号连接线路，节省了大量的电缆、保护套管、槽盒、桥架以及穿线盒等相应辅材，极大地降低了成本。

图4 油品罐区雷达液位计通讯系统图Fig.4 Communication system diagram of radar level gauge in oil tank area

3）接线简单，如果需要增加现场仪表，只需就近并行挂接到原有的网络上，无需铺设至机柜室，既节省了电缆，降低了投资，也缩减了设计和安装的工作量。

4）工程实施更加方便，工程周期短，大大减少了工作量，降低了维护和安装费用。

5 结束语

作为一种智能化的液位测量仪表，雷达液位计在罐区油品计量的应用中已经发挥出了自身独特的优势，非接触式测量、测量范围大、精度高、安装简单等优点完全满足罐区油品计量对精确度、可靠性和稳定性的要求，数字式现场总线传输方式不但能节省成本，而且符合现代测量技术向着集成化、数字化、网络化方向发展的要求，雷达液位计将继续在罐区油品计量中发挥重要作用。