储罐液位仪表（共6篇）
储罐液位仪表 篇1
随着我国石油化工行业的快速发展, 石油化工储罐液位仪表也朝着高度自动化、多功能与高精度不断发展。常见的石油化工储罐液位测量仪表包括雷达液位计、超声波液位计、伺服式液位计、磁致伸缩液位计、差压式液位计、浮体式液位计等。
1 石油化工储罐雷达液位仪表的设计
1.1 设计原理
雷达液位计的工作原理就是发射-反射-接收。雷达传感器天线将电磁波信号以波束形式进行发射, 在被测物料的表面, 发射波会产生反射现象, 同时天线将反射的回波信号进行接收。而对于发射与反射波束的采集, 则利用超声采样的措施实现。智能处理器将接收到的信号进行处理后, 计算得到探头与介意的间距, 而后在终端显示器将处理结果进行操作、报警、显示等。由于雷达液位计所发送的微波脉冲的特点是能量低、极短且以光速运行, 其运行的时间能够借助电子部件转化为物位信号, 从而在短时间内保证其测量的精确性与稳定性。如果在处理较为复杂的工作情况时, 即使有虚假回波存在, 也能够利用调试软件与微处理技术将物位回波准确的分析出来。
目前雷达液位计的测量方法分为两种, 一是脉冲式;二是调频连续波式。前者在时域中实现信号分析且精度较低, 后者在频域中实现信号分析且精度较高。
1.2 雷达液位计的优点
在恶劣工作条件下能够实现精确的测量是雷达液位计的最大优点, 不管是浆状、粉尘状、液体还是固体或是介质具有腐蚀性、毒性等状况下, 雷达液位计都能够实现精确测量。其主要优点包括。
(1) 适用范围广。雷达液位计适用于各类形状储罐液位的测量, 包括圆柱锥体、柱形、卧形、球形等, 而以罐体功能来划分, 则包括旁通管、微波管、缓冲罐、储罐, 从介质来划分, 则包括料浆、颗粒、液体等。
(2) 安全节能。雷达液位计所发射的微波功率较小, 通常情况下不超过每平方厘米0.03MW, 金属容器的外壁静电就能够对其起到屏蔽作用, 因此雷达液位计的使用并不会受于场地的限制, 同时对人体也不会产生任何危害。
(3) 可靠性强且准确。雷达液位计所发射的微波不会受到干扰, 由于微波不会直接接触被测介质, 因此得到了更为广泛的应用, 包括在料位测量、液位测量或是真空测量上。同时随着储罐新材料、新技术的广泛应用, 雷达液位计同样能够提供长期稳定、准确可靠的数字量或模拟量物位信号数据。
(4) 适用介质广。与可见光相同, 微波信号能够对空间起到穿透作用, 而被测介质的介电常数与导电性直接决定了雷达微波的发射功率。越大的介电常数, 就能产生越好的回波反射效果。
(5) 准确精度高。由于电磁波不会受到外界环境条件的影响与干扰且与储罐内介质并不产生直接接触。排除了气体、温度、压力等的影响后, 就能够实现准确、快速地对不同介质的液位进行测量。
2 石油化工储罐雷达液位仪表的应用
雷达液位仪表的天线形式包括杆状天线、抛物面天线、锥体天线等。其中杆状天线的特点是尺寸较小, 其适用于测量腐蚀性或具备卫生要求的化工物料中的应用;而抛物面天线则适用于测量固料与液体的应用, 由于抛物面天线的直径最大, 相对其它的雷达波束也最窄, 同时这种特性也使其能够适用于长距离测量, 又因其最不敏感的就是环境的污染条件, 因此也可适用于液态硫磺、沥青等严酷环境下的液位测量;锥体天线由适用于测量大范围应用场合, 通常安装于导波管或是罐顶之上。
目前在我国普为常见的雷达液位计的品牌包括ENRAF、KROHN、E+H、SAAB等, 虽然从特点与技术性能上来看, 它们都不尽相同, 但其实现原理基本相仿。
ENRAF雷达液位计所采用的是调频连续波式, 其为四线制, 精度±1mm, 属于数字平面技术智能液位仪表。E+H为四线制, 精度±3mm, 发射频率为10GHz。KRONH NE为两线制, 雷达频率26GHz, 当其测量范围超过10m时, 精度±0.03%, 而当测量范围低于10m时, 精度±3mm。SAAB雷达液位计的频率则为10GHz, 分为高精度型、标准型与轻型三种, 为两线制或四线制, 其精度分别为±5mm、±10mm与±10mm。
计量级高精度的雷达液位计的测量原理所用的是FMCW式, 即调频连续波式。除了沥青、燃料油等易冷凝且大粘度的储罐所使用的是抛物面天线之外, 其余储罐一般使用的都是锥体天线形式。同时导波管被设计于内浮顶罐内, 从而实现精确测量储罐的液位, 同时设置就地指标表于地面, 实时对储罐内的液位值进行显示, 以便于现场操作人员进行检查与维护。
而在安装雷达液位计的过程中, 则应注意与罐壁的间距, 同时应与罐体出入口与加热盘管错开, 从而保证测量雷达波能够将真实液位反映出来。同时应设置保护罩于锥体天线之上, 以避免介质因冷凝而对测量产生影响。而在内浮顶储罐的导波管设置时, 则应保证储罐的内表面无毛刺且光滑并有对称的小孔设置, 使雷达回波的准确性不受干扰与影响。最后, 应在储罐透光孔上设置燃料油抛物面雷达液位计。
3 结语
综上所述, 对石油化工储罐的液位进行准确测量是保证石油化工生产管理质量的重要环节。根据实际情况来选择相应的液位测量仪表, 同时配置以自动控制系统, 也是实现石油化工生产自动化管理的重要体现。
参考文献
[1]吴旭翔, 李宏.大型石油化工罐区储罐液位仪表的设计及应用[J].当代化工, 2010, 39 (3) .
[2]蒋晓蕾.大型储罐液位的测量方法[J].石油化工自动化, 2003 (4) .
储罐液位仪表 篇2
1 雷达液位计的应用
1.1 选型
雷达液位计的种类繁多, 选型时首先要考虑被测介质的温度、压力、密度、粘度及腐蚀性等特性对其使用性能的影响。因此, 在选型时要针对介质在特定工况下的特性来选取适宜的天线和表头。对于体积较小、形状复杂的罐体或需测量多种液体分界面的应用场合, 推荐采用导波缆天线雷达液位计;对测量环境较复杂的罐体, 如介质易挥发、腐蚀及高压和高温等, 推荐使用非接触天线雷达液位计, 由于液位计与介质不接触, 就能避免由于介质的物理和化学性质影响其计量精度或对液位计本身的损伤。
依据介质测量的目的选择不同测量精度的雷达液位计。如果仅用于内部成本核算, 精度要求不需要太高;如果用于贸易交接, 就必须选择高精度的雷达液位计。为节约投资, 在计量精度满足需求的前提下可选用性价比高的产品。由于雷达液位计的精度、日常维护和使用寿命直接影响企业的生产效率和经济效益, 所以过硬的质量和满意的售后服务对用户来说至关重要。
选型时还需综合考虑其测量范围、频率 (10GHz, 20GHz, …) 、雷达与测量罐体的连接方式 (法兰、G11/2螺纹、12/1NPT) 、防爆/防护等级、信号输出协议 (Modbus/Hart) 和传输方式 (4～20mA电流还是0～5V电压) 这些因素。
1.2 安装
为达到高精度无故障地测量介质的液位, 在储罐上正确安装雷达液位计也十分关键, 液位计的安装分为机械和电气两部分。
1.2.1 机械安装
笔者以ROSEMENT抛物面型天线雷达液位计为例, 说明其机械安装时的注意事项:
a. 倾斜度。液位计中轴线对储罐中心线的倾斜度不同, 其发射波和反射波的行程也不同, 测量精度也会受到影响。因此, 安装时必须使用法兰球将液位计安装在储罐喷嘴上, 再利用水准仪调整变送器的倾斜度, 使其不超过1.5°。
b. 自由空间。抛物面型天线液位计的雷达波束宽度为10°, 在波束范围内从罐顶到测量零点之间的空间即为自由空间。如果自由空间范围内有任何障碍, 如结构加强筋及直径大于2″的管道等, 定会对雷达波产生干扰, 影响测量效果。在安装时, 要注意规避自由空间内的障碍物。
c. 喷嘴。如果采用ϕ20″的喷嘴, 喷嘴高度不得超过0.5m, 喷嘴的直径越大其高度也会更高。此时, 必须将抛物面反射器的边缘与喷嘴底端的夹角控制在5°以内, 从而形成雷达波束的自由通道 (图1) , 满足所要求的测量精度。
d. 本体。雷达液位计本体的安装较简单, 主要是天线、表头与喷嘴的连接 (图2) , 图示位置天线已安装在喷嘴里。安装时要特别注意用水准仪确保天线和表头与储罐中心线的倾角达到要求。
1.2.2 电气部分的安装方法
首先确定雷达液位计配备的模拟输出, 如果有源, 电源线与信号线共用一对线即可;如果无源, 则必须单独给雷达供电, 否则将导致信号丢失和仪表损坏。其接线模式有非本安和本安两种, 非本安接线盒用于连接非本安电源、TRL/2总线和继电器;本安接线盒用于数据采集单元DAU、显示板RDU40、模拟输入和温度传感器的本安连接。还需注意, 通信协议不同接线方式也不同, 所以雷达液位计的电气安装较为复杂。总体上可分为电源接线和信号接线两部分:
a. 电源接线。在石油工业中, 雷达液位计主要用于测量油罐中油液的位置, 因此它的使用和电气接线必须符合该区域的安全等级, 电缆也必须符合相关供电电压准则, 并且要通过适合于该危险区域的认证才可以使用。液位变送器内置有可自动调整的整流器卡件TRC, 以适应连接100～240VAC、34～70VAC和48～99VDC电源电压, 在供电方式上比较灵活。因此, 只要将供电电源线连接至接线盒电源端的L1+和L2-即可。
b. 信号线的连接。雷达液位计通过TRL/2现场总线、现场通信单元FCU和现场总线调制解调器FBM连接至上位机。FBM将TRL/2 Modbus信号转换成通用协议RS232信号, 每条TRL/2总线可以连接8个单元。当变送器与TRL/2总线连接至上位机后, 用Saab TankMaster WinSetup/WinOpi软件对变送器进行组态和初始化, 并实时监控储罐内介质的液位和体积及温度等数据。
另外, 还有继电器、模拟输入/输出、单点和多点温度传感器、数据采集单元DAU、远传显示单元RDU 40及Hart协议手操器等扩展外围设备的接线, 可参照说明书进行设置和安装。
2 雷达液位计的自动控制
从安装在罐顶的雷达液位计接线盒里把引出的电源线与数据线汇总到现场总线电源梳理器和接口单元, 再使用串行通信接口RS485/232连接至工控机, 并完成软件组态和罐区参数的初始化设置[1], 如果需要对现场信号线进行本安隔离, 必须先通过安全栅再连到DCS的I/O端子。这样, 就可以通过DCS系统实时观察罐区介质液位的变化情况了, 再辅以罐区进/出口阀门的自动控制, 使介质液位自动维持在所需的位置, 实现罐区液位的远程自/手动控制、即时掌握实时/历史数据, 并能从雷达液位计自带的组态软件中分析液位的曲线图, 查看生产和设备的历史/实时运行情况, 消除人为干预造成低精度计量的现象[2]。雷达液位计自控系统如图3所示。
3 维护
为延长雷达液位计的使用寿命, 保持长时间的高精度测量, 日常维护至关重要, 而且必须由专业人员或在专业人员的指导下进行。维护过程中一般应注意以下几个方面:
a. 接地保护。为防止漏电对电器元件造成破坏和对正常信号传输的干扰, 需将雷达表头和控制室机柜信号接口处任一一端接地。
b. 瞬间过激电压保护。雷达液位计本身支持这项功能, 但安装时要尽量避开雷电经常活动的区域, 或者做好外部雷击保护措施。
c. 干扰信号。在短时间内液位出现强烈波动时应及时查找原因, 排查故障。天线下方有任何障碍物都有可能使信号变弱而造成测量偏差。因此, 当被测介质是沥青或挥发性较强的介质时, 要定期对天线进行清洗。
d. 接线端口。现场接线端子一定要进行密封隔离, 以免液体侵入造成电源短路、接线端子和电路板腐蚀。
4 故障现象及解决方法
雷达液位计的故障点有很多, 在处理时通过逐步细化功能段, 借助测量仪表工具用排除法解决。首先要初步判定故障是在雷达设备还是在DCS控制部分, 具体方法是对雷达进行单独通信, 如果正常, 说明是DCS出现问题。如果确定雷达设备故障, 需判断是硬件还是软件故障, 如果是软件故障则要利用调试软件进行查看;硬件则需判断是机械部分还是电气部分, 并分析判断最有可能出现故障的模块, 然后用正常模块进行替代, 逐步排除, 找到故障点。有时也可能是几个故障点共同引起的, 就要用完全替换法找出故障所在。笔者列举两个典型的实例来阐述故障处理的一般方法。
4.1 电流漂移
2008年独山子乙烯厂销售部罐区的一台雷达液位计 (现场总线收入) 出现故障, 其表现形式是DCS显示的液位与实际液位存在一定的偏差。在真实液位未知的情况下, 对I/O口信号端进行电量检测, 显示为电压19V、电流22.2mA, 又到罐上用笔记本进行Hart通信, 调试软件Radar Master上显示电流为18.64mA、液位为5.489m, 经查验属正常液位。分析出现此情况的原因, 猜测可能是信号受到外电场干扰产生电流漂移造成的。用调试软件对4～20mA信号进行环路测试和修正, 具体做法是在线路中串联电流表, 在测量的零点液位输入4mA电流, 在测量液位的最高值处输入24mA电流, 测试结果是雷达正常, 可事实证明确实存在零点漂移, 笔者对雷达液位计做了屏蔽干扰信号处理后一切正常。因此, 在对液位计信号线进行布线时不要与强电或干扰源混合走线, 以避免电流干扰影响测量精度。建议每半年进行一次零点漂移校正。
4.2 信号干扰
雷达液位计隐形的不正确安装也可能造成干扰信号, 而且不易被察觉。2008年克拉玛依油田的一个导波缆天线雷达初装时 (空罐) 参数设置如下:
型号 3301HA1S1E5AM1450JBI1MIC1
位号 LT- 408
罐参考高度 17.07m
上盲区 0.15m
天线长度 14.5m
量程 0.15～14.82m
介电常数 空气为1 介质为3
4.2.1 故障现象
对雷达液位计进行初始化后 (图4) , 发现空罐有显示液位 (图5) 。
查对参数设置无误, 说明有干扰信号。进一步分析发现图5所示的曲线呈明显锯齿振荡, 信号强度也不稳定, 说明在P2点约7.6m (即液位9.38m) 处受到了干扰, 排查天线部分的干扰后, 分析出现假液位的原因是雷达波信号根本就没到达罐底。出现此类故障现象的原因很多, 大致有以下几种:
a. 导波天线产生弯曲, 导致雷达波发射遇阻, 或在安装导管内有障碍物产生干扰;
b. 导波缆天线上附着有干扰信号的物质;
c. 液位计附近有电磁干扰;
d. 有电流漂移产生。
4.2.2 故障排除
首先检查天线外观是否有污垢附着, 未发现有异物;接下来小幅、轻微地晃动天线, 未发现周围有干涉物。又怀疑是导波缆过长 (14.5m, ϕ160mm) , 重锤质量小, 又未加装定心环, 造成导波管与管壁接触引起干扰造成假液位。用钢板做几个直径略小于导波管内径的定心环, 安装到天线末端后天线突显效果, 但没过几分钟液位又停留在某个高度, 这时基本可以判定故障部位在天线上。最后, 通过多加几个定位环间接增加重锤质量, 促使天线在竖直方向上呈直线后, 故障排除。
5 结束语
雷达液位计的良好应用对石油液位的准确计量甚为关键, 特别是雷达液位计、执行装置与DCS/FCS相结合的工业自动化控制系统的投运, 大大提高了企业的生产效率。
参考文献
[1]唐黎锋, 于丽原.Saab TankRadar罐区液位监测系统网上数据传输[J].化工自动化及仪表, 2010, 37 (3) :117～119.
刍议沿海原油储罐液位开关应用 篇3
目前, 经常在油品储罐上使用的高液位开关有超声波型、电容型、音叉型、浮力式、静压力式几种。压力式由于液位波动等原因造成测量不准基本不再使用。各种类型液位开关主要原理如下。
(1) 超声波液位开关的工作原理:由换能器 (探头) 发出高频超声波脉冲遇到被测介质表面被反射回来, 部分反射回波被同一换能器接收, 转换成电信号。超声波脉冲以声波速度传播, 从发射到接收到超声波脉冲所需时间间隔与换能器到被测介质表面的距离成正比。此距离值S与声速C和传输时间T之间的关系可以用公式表示:S=C×T/2。
(2) 电容式液位开关是采用测量电容的变化来测量液面的高低的。它由控制器和发生器 (简称探头) 两部分组成。探头下部有2根电极构成一电容CX, 当被测介质进入二电极之间时电容CX发生变化, 输出信号到控制器实现报警和控制, 即可通过两电极间的电容量的变化来测量液位。由于电容式液位开关对于测量原油这种粘度大的介质容易出现挂料现象, 因此现多采用射频导纳技术。
射频导纳液位开关原理:探头常会遇到有物料附着于其上的情形, 并在3个电极间形成电容与电阻, 因主电极与保护电极间的电位及波形一样, 所以不会有电流通过两电极的介质。导纳式液位开关利用以上的原理, 于主电极与接地电极间置一保护电极, 以阻挡射频电流经由主电极与接地电极间的介质而到达器壁。保护电极与接地电极间虽然会有少量的射频电流通过, 但电路并不会侦测此电流值。由于保护电极的作用, 只有介于主电极与器壁间所通过的射频电流变化会被电路所侦测, 因此当探头接触到物料时, 会产生一准确的信号准位, 该信号准位的大小与介电系数成正比, 但与电阻值成反比, 此信号很容易被电路侦测出来, 并输出一控制信号。
(3) 音叉液位开关的工作原理:通过安装在音叉基座上的一对压电晶体使音叉在一定共振频率下振动。当音叉液位开关的音叉与被测介质相接触时, 音叉的频率和振幅将改变, 音叉液位开关的这些变化由智能电路来进行检测、处理并将之转换为一个开关信号。
(4) 浮力式液位开关工作原理:浮子在液体浮力的作用下接近或近离杆体, 当浮子接近杆体时, 浮子中的磁钢也接近杆体内的干簧管, 干簧管的触点在磁力的作用下闭合接通。相反, 当浮子远离杆体时, 浮子中的磁钢也远离杆体内的干簧管, 干簧管的触点因失去磁力的作用而分离断开。这样当液位达到设定的高低位置时, 液位开关的电触点断开或闭合, 将其接入电气线路中, 即可实现信号报警和对进液阀的控制。
(5) 静压式液位开关是通过测量液体高度而产生的静压力来测定液体液位的。当把液位变送器的传感器部分投入到液体介质中时, 传感器把液体的静压转换为电压信号, 该电压信号经放大后转化成4~20m ADC标准电流信号输出。
2 液位开关的应用情况
2.1 浮力式液位开关
经常使用的高高液位开关, 早期多为浮力式。该类产品由浮子、支撑轴、杠杆、磁钢、干簧管、导线构成[1]。在大型原油罐上采用侧装式[2]。由于存在传动部件, 而大型原油储罐均为外浮顶结构, 使得高高报警液位开关长期处于自然环境下, 在使用中尤其在沿海湿热盐雾气候条件下, 极易造成传动部位锈蚀失效, 发生卡阻现象。在内陆炼化企业也发生过传动部件失灵现象。由于原油罐储存粘度较高、易凝结原油, 介质与浮子等传动件接触后造成传动件随油凝结而沾粘失效。另外干簧管在磁场作用下, 使簧片闭合时, 输出为阶段变化的尖脉冲, 干扰了控制系统的稳定性。因此, 沿海等大气腐蚀严重的地区不宜采用这种传动机构长期裸露于外的液位开关。
2.2 电容式液位开关
目前采用的电容式液位开关多采用射频导纳液位开关。它解决了电容液位开关在测量中挂料问题。原理是只要粘附层足够长, 粘附层的电阻和电容具有相同的阻抗[3], 导纳是阻抗的倒数[4]。但在沿海气候条件下, 会出现误动作现象, 分析原因为:沿海降水量大风速强, 相对湿度大, 罐壁内形成不定向风向, 造成液位开关电容间进水或盐雾聚结。另外安装处要避免震动。
2.3 外贴式超声波液位开关[5]
超声波属机械波, 外贴式超声波液位开关特点是与被测液体不接触, 安装方便。但对液体、固体的穿透本领很大, 碰到杂质或分界面会产生显著的反射波形成反射回波, 如当原油储罐浮盘舌型密封被超声波探测到时就会导致连接器报警连锁[6]。而实际液位没有达到高报液位。
在储罐液位较低时, 自然环境中风、雨、波浪、温度变化、虫鸟等都影响产生杂散反射。罐壁内不定向风会使超声波的传播方向偏转或扰乱其路径, 导致不能正确识别目标物的正确位置[7]。
储罐内原油再加温时产生的震动及泡沫过多, 使得声阻变大, 超声波反射变弱, 影响测量。在储罐运行过程中加温器、伴热管线等引起的罐壁震动还有附近机器的振动, 都会影响测量时的精度。
另外, 传输电缆的共模辐射干扰[8]也对超声波测量有一定的影响。一旦电缆产生共模电流, 电缆会产生强烈的电磁辐射对电子、电器元件产生电磁干扰, 造成高高液位报警连锁。在布线时应远离高压线, 不要和电控锁共用同一电源并且采用线性稳压电源或高品质的开关电源 (纹波干扰小于50m V) 。仪表信号之间也会互相干扰, 产生的电磁场干扰, 引起回波信号叠加在干扰信号上, 伴随着信号的强弱起伏, 引起闪报。
因此, 超声波液位开关在使用时要考虑多种影响因素, 最好应用于浮顶结构的储罐。
2.4 音叉式液位开关
音叉式液位开关分长短型。长型液位开关安装采用顶装式, 可以安装在导向管内, 避免了外界干扰。由于音叉液位开关属于直接接触液体液位开关, 顶装式又避免了挂料现象, 测量精度高, 应用于外浮顶储罐非常适合。
3 结论
沿海地区大型原油储罐高高液位报警控制开关的选择与内陆地区不同。它主要受自然环境的影响因素干扰。对于外浮顶原油储罐采用侧装的方式, 由于绝大多数时间里处于自然环境中, 极易受到环境、油品性质的影响, 加上操作环境附属电气设施干扰, 不利于其正常可靠运行。而对于顶装音叉液位开关, 由于避免了上述影响因素, 不失为高高液位开关最佳选择。
参考文献
[1]李亚奎.国内外干簧管液位计的分析[J].自动化仪表, 1984 (12) :1-2.
[2]Tim chettle, 译.Measurement+control电子机械浮子式液位开关[J].军用航油—国外部分, 1990 (4) :20-22.
[3]黎宁.射频导纳物位仪表的测量原理及应用[J].石油化工自动化, 2007 (6) :75-77.
[4]李斌, 等.射频导纳物位计在生产中的应用[J].石油化工自动化, 2007 (1) :63-64.
[5]胥绍禹.超声波液位开关的设计[J].集成电路应用, 2002 (10) :72-73.
[6]赖泳.外浮顶有关的液位检测仪表选型及安装[J].浙江化工, 2008, 39 (6) :23-25.
[7]赵永斌, 等.液位的限位控制与选型[J].中国仪器仪表, 2006 (4) :78-80.
储罐液位仪表 篇4
关键词：原油储罐,浮盘,储罐液位
我国原油储备库经过近十年的发展建设,积累了大量经验,油库技术相对成熟。随着国家对油库安全、环保的要求增高,设计人员应重视油库发展建设的同时,严格遵守相关规范要求,不断提高设计水平,以满足更高标准的要求。
1 储罐的形式
规范要求:储备库油罐应选用钢制浮顶罐,浮顶应采用单盘式或双盘式的结构[1]。双盘式浮顶有上、下两层盖板,两层盖板之间由边缘环板、径向隔板和环向隔板分隔为若干互不相通、互不渗漏的隔舱。单盘式浮顶的周边为环形浮船,中间为单层钢板,单层钢板与浮船之间用连接角钢连接[2]。
将单盘式与双盘式浮顶的特点进行对比,见表1。
单盘式浮顶结构有着结构简单、用钢量省、易于施工维修的优势,但因为其中间为单层钢板,所以浮力小,受自然条件影响较大,在降雨量大、风大的情况下容易出现问题;双盘式浮顶结构用钢量较大,且结构复杂,不易施工与维修,但其浮力大,排水好,受风、雨等自然条件影响较小。因此,在选择储罐结构时,应对所建库地区自然条件进行分析,在大风、暴雨天气较多的沿海地区应选择双盘式浮顶结构的储罐,在风雨天气较少的内陆地区则可选择更为经济的单盘式浮顶结构储罐。
2 储罐高低液位的设置
根据《石油储备库设计规范》中规定“油罐应设计液位计、温度计和高低液位报警仪表。”但此规范中没有定量规定。参考《石油化工储运系统罐区设计规范》SH/T 3007-2014 中的要求,浮顶罐的设计储存高液位的计算公式如下。
高液位计算公式:
式中:
h——储罐的设计储存高液位,m ;
h2——10~15 min储罐最大进液折算高度,m;
h4——浮顶设计最大高度,m;
h5——安全裕量,m。[3]
《石油化工储运系统罐区设计规范》适用范围为石油化工企业和煤化工企业的液体物料储运系统罐区的新建、改建、扩建工程设计[3]。企业罐区储罐与储备库的储罐相比,容积要小,储备库的储罐容积大多在10 万m3(有的为15 万m3),直径大多都为80 m,液位每米容积都在5000 m3左右,因此在考虑大型储罐的高液位时不能只是简单的按照装满系数0.9 考虑,计算时也应更加细化。
对于大型(10 万m3以上)原油外浮顶储罐,其高液位设置的原则是:当原油处于高液后,其罐内剩余的有效容积还能够容纳10 ~ 15 min最大进油量,以及油品升温后的体积膨胀量,保证储罐浮盘不超出储罐的最高允许液位。储罐的低液位是为了保证储罐液位下降时不会出现浮盘处于支撑状态,保护罐底板安全,这也符合规范[1]的要求。本着上述原则,建议对原油储备库的原油储罐设置:高液位和高高液位,低液位和低低液位,并要求高液位和低液位报警,高高液位和低低液位实现连锁功能。
高液位与高高液位之间设置有15 min的处置时间,即使高液位报警后,生产操作人员没有及时处置,按照计算所设置的高高液位与该罐进油管道上的电动阀进行连锁关闭该罐进油管道上的电动阀,并同时打开液位较低油罐的入口管线阀门,确保储油安全。
储罐的低液位是为了保证储罐液位下降时不出现浮盘处于支撑状态,保护罐底板安全。储罐浮盘支柱的高度一般为1.8 m,考虑罐底有8‰的坡度,罐底中心安装旋转喷射器的高度要求,可以确定储罐的低低液位。在低液位与低低液位间设置15 min切罐操作处置时间,根据外输泵具体流量参数,计算最大出液折算高度,此高度加低低液位即为储罐低液位报警高度。油罐液位在低液位时报警,低低液位时联锁停外输泵。
以10 万m3储罐为例,储罐直径D = 80 m,储罐高度H = 21.8 m,储罐的设计高度为储罐罐壁顶以下1.5 m,安全裕量取0.3m,所以储罐的高高液位h1为:
储备库原油进库一般由原油码头接卸入,以30万吨级码头为例,最大进库流量为3700 m3/h。因此15 min最大进液折算高度为:
所以,高液位h为:
同样可以计算,15 万m3的储罐和5 万m3的储罐的高液位、高高液位,见表2。
通过计算可知,如果只是简单的按照装满系数0.9 计算,则15 万m3和10 万m3储罐的高液位均要定为19.62 m,那么15 万m3的有效利用容积相应减少约1400 m3,10 万m3的有效利用容积相应减少约900 m3。
3 结语
(1)原油外浮顶储罐浮盘形式应考虑拟建地的自然气象条件,进行技术经济分析确定,不能由设计习惯而确定。
(2)原油储罐容积较大,高低液位的确定应通过具体计算,为确保储罐安全,建设设置高、低液位报警,及高高液位、低低液位联锁。
参考文献
[1]GB50737-2011.石油储备库设计规范.
[2]郭光臣,董文兰,张志廉.油库设计与管理.中国石油大学出版社,2006.
储罐液位仪表 篇5
1、雷达液位计原理
雷达液位计的基本工作原理是发射—反射—接收。
雷发传感器的天线在发射电磁波信号时, 都是以波束的形式发射出去的。发射波在被测物料的表面产生反射, 反射回来的回波信号仍然由天线进行接收。发射和反射波束中的每一点在采样时, 都使用超声的采样方法进行采集。信号通过智能处理器处理之后, 得到介质和探头两间的距离, 送到终端显示器进行显示和报警以及操作等。雷达液位计发射出的微波脉冲的能量不仅低而且还十分的短小, 它要通过天线系统才可以发射才能接收得到。不过, 雷达波的运行速度却是以光速进行的。它的运行时间可以使用电子部件转换成为信号。这种奇特的时间延伸方法可以保证在很短的时间内, 进行稳定而又精确的测量。
即使在工程比较繁杂的工作环境下, 有虚假回波的存在, 只要使用新型的处理技术和调试软件也可以准确的分析出物位所在的回波。现在使用的雷达液位计主要有两种测量方法:其一, 高频连续波式, 其二就是脉冲式。调频连续波是在频域中, 进行信号的分析, 而脉动冲式地是在时域中进行信号的分析。两者相比较而言, 前者的测量精度较高, 后者的测量精度较低。
2、雷达液位计的特点
雷达液位计最大的优点就是无论环境多恶劣的情况中, 它都可以进行工作。它的特点主要有以下几点:
2.1 准确度较高
由于电磁波不受环境等外部条件下影响, 雷达液位计没有任何零件和油罐内的介质接触, 所以, 它也不会受温度的压力和气体的影响, 可以快速精确地测量出很多种介质的液位。
2.2 可以测量出所有的介质
由于微波信号和可见光相似, 所以, 它也能穿透空间。但它的反射功率要受被测介质的导电性和介电常数影响。若介电常数越大时, 它的回波信号的反射效果也就会很好。
2.3 精确且可靠性较强
由于微波几乎不受外界干扰, 它与测量介质不是直接接触, 所以, 几乎可以被运用到任何场所中。例如:液位测量、真空测量或者料位测量等等。由于被测量的物体都是使用一些高级材料制作而成, 在十分复杂的化学和物理环境中的寿命都十分长久。还可以提供一些精确而可靠并且稳定的模拟量或者数字量的物位信号。
2.4 安全节能
由于微波的发射功率比较小, 最大也只有0.03m W/cm, 所以, 会被金属容器外壁静电屏蔽。因此, 不会受到限制而被应用于所有场合, 即使在人群中也不会有影响, 因为它对人体没有任何的伤害作用。
2.5 适应范围较广
自罐体的形状来分析, 雷达液位计可以对不同的卧罐和圆柱椎体罐、球罐以及柱形罐的液位都可以进行测量;而从其功能分析, 也可以对缓冲罐和旁通管、储罐以及微波管的液位进行测量;而从测量的介质分析, 不仅可以对液体和料浆进行测量, 对颗粒的物体也可以进行精确的测量。
3、雷达液位计的应用
雷达液位从天线的形式可以分为以下三种, 即锥体天线和杆状天线以及抛物面天线。锥体天线一般用于安装在罐顶或者安装导波管上, 多用于一些测量范围较大的场合中;而杆状天线, 由于其尺寸过小, 并有聚四氟乙烯的材质露在储罐的大气中, 所以常用在具有卫生要求, 或者腐蚀性化工的物料测量应用中;对于抛物面天线来说, 通常情况下, 用于液体和固料这两种测量范围中, 因为, 它的直径较大, 雷达波束较窄, 所以用在很长距离的测量抛物面天线, 即对污染最不敏感的天线。一般情况下, 它用在具有严酷天线粘结像沥青和液太硫磺类似的环境中较多。
对于计量级别较高, 精度也较高的雷达液位计来说, 它的测量原理一般是使用调频连续波式。除了一些燃料油和沥青等粘度很大, 并容易因冷凝固的储罐使用抛物面天线以外, 其他的储罐通常使用锥体天线。在内浮顶罐设计中, 有导波管, 这样可以达到储罐液位的精确测量。除此之外, 还在地面就地设计了指示表, 可以直接显示出液位值, 以便于现场操作人员的检查。
4、雷达液位计的安装注意事项
雷达液位计在安装时, 要与罐壁保持一定的距离, 要避开加热盘管和其他罐的出入口, 这样在进行测量时, 雷达波才能精确的反映出真实的液位。锥体天线中, 设有保护罩, 它可以防止介质因冷出现凝固给测量带来影响。在内浮顶储罐上, 要求导波管内部的表面平滑并不能有一点的瑕疵, 同时, 还要开两个对称的小孔。确保雷达在波的过程中, 不受任何的干扰。燃料油的抛物面雷达一般设置在储罐的透光孔上。
在安装时, 要尽量满足以下条件:
1) 对于圆形状的储罐, 液位计要和罐壁的距离最好保持在罐径的六分之一至四分之一之间, 直径小的罐安装点与罐壁的最近距离不能少于30cm;
2) 在安装圆形罐位置时, 不能选用其中间位置, 这样会直接干扰信号, 将会收不到有效信息;
3) 安装时, 不能安装在被测液体流入口的正上方上;
4) 在信号波的范围内, 不要安装一些限位开关或者温度传感器等装置;
5) 注意罐内壁的对称装置, 例如:加热线圈和空间环状物以及障碍物等, 这些都可能直接影响到测量的准确性;
6) 进行安装时, 要把标记标在法兰的两个螺栓孔的正中间位置。
7) 安装时, 喇叭的天线要与液面垂直, 确保回波的质量, 避免收到假回波。
8) 喇叭状的天线一定要延长到连接管以下。
2、影响雷达测量的因素
在实际应用中和参考条件下, 雷达液位测量仪表的精度是不同的。主要原因就是罐体本身就是一个测量系统的一部分。罐体和它内部的障碍物对微波的干扰决定性了所能得到的精度。所以, 影响测量精度的因素主要有:
1) 仪表内部和天线连接处的阻抗跃变;
2) 安装短管内的阻抗跃变;
3) 罐内障碍物的干扰反射;
4) 罐壁和罐的顶部以及其底部引起的多次反射;
5) 高频头沾染粘附物;
6) 罐内油气或者蒸汽过大, 结露或者出现过强的反射。
若使用在导波管中进行安装时, 还要注意以下事项:
1) 电磁波的时间行程会现现变化, 此时变化和导波管的直径以及其内部的平整程度有很大的关系;
2) 受导波管内径变化的影响, 引起电磁波传播方式的变化。
二、雷达液位计在长庆原油储罐上的应用
由于中间站内的原油罐属缓冲罐, 罐位的测量不做交接计量使用。所以, 选用的雷达液位计完全可以满足精度要求。但在其安装的位置上, 却遇到了很大的难题。由于罐位测量原来使用钢带式液位计, 以前安装的孔太小, 除此之外, 原浮球导向钢丝会影响雷达测量的精度和它的稳定性, 所以, 不适合雷达液位计的安装。就此现状, 只能使用罐项的入孔, 不过, 这个孔径却又太大。经过精心的改造后, 加装变径法兰改变安装孔径, 满足安装的要求。
此单位选用FMR230的雷达液位计, 其防爆等级为Eexd (ia) ΠCT6本安型, 其天线尺寸为喇叭型250mm/10”计, 输出4至20m A HART。4行显示VU331。使用以上形式安装以后, 就需要使用VU331操作模块对液位计进行设置和标定, 它的调协在选项和操作方法步骤如下图所示:
1) 进入主菜单时, 要从E键进进入, 主菜单主要包括基本设定代码00;安全设定的代码为01;线性化的代码为04选项。光标要选在第一项, 按E键确定, 进入基本的设定组中。
2) 按E键盘后, 可以进入“罐体形状”, 设定选项, 此功能可以选用安装罐体的形状, 也可以使用项包括的旁通管、拱顶罐、平顶罐和卧式柱形罐、导波管以及球罐等。进行设定此项时, 可以用“+”或者“-”移动光标, 进行选择罐体的形状, 在选择“拱顶罐”, 按E键确认。
3) 按E键确认以后, 进入下一个选项“介质特性”, 此功能主要用于选择所测介质的介电常数, 这时就需要根据所测介质特性进行选择, 介电常数的选择。用“+”或“-”移动光标进行介电常数的选择。由于测量介质为原油, 所以要选择1.9至4.0选项。
4) 按E键确认以后, 进入下一项, 即“过程条件”, 此项功能用于选择过程条件。可选择标准、波动表面、快速变化和平静表面、测试无滤以及搅拌器等。这里的选择为“标准”。
5) 按E键确定并进入下一项。“空罐标定”, 此功能用于输入从法兰 (测量的参考点) 到最低液位距离 (E为空罐标定一零点) 。用“+”或者“-”键, 输入空高E值 (也是雷达法兰面到罐底的距离, 有如15m) 。
6) 按E键确认进入下一项, 满罐标定, 此功能用于输入从量低液位到最高液位的距离, 也就是F=满罐标定一量程。输入最大量程值, 此量程应该和显示罐位的上位机相同。
7) 其它设定。通常情况下, 通过以上基本的设定, FMR230液位计就可以做测量工具了。如果根据出现的情况, 例如:测量不准, 波动等, 就要对相应的功能进行调整, 并要和控制室显示设备连接以后, 雷达液位计就可以投入使用了。若在导波管内进行安装, 就需要设定导波管的直径等参数, 如果加装了延长管, 还要设定延长管的长度等。
三、易出现的问题及其处理
在应用的过程中, 会时常出一些问题。例如:出现测量值跃变和无输出以及示值波动力等。
1、测量值在一定的区间内跃变
这种情况可能是被测面不稳定, 或者原油挂壁现象严重而造成的, 也就是信号被削弱了。除此之外, 雷达液位计发射天线附近可能有粘附物, 致使测量结果出现波动。
2、测量值没有变化
出现这种情况, 可能是因为波束范围内有固定的反射面, 导致过强的干扰, 需要对液位计安装孔进行检查, 或者延长杆、罐壁等。还有一种原因就是雷达液位计的电子模块失效时, 也会导致这种情况发生, 这时需要联系维修人员对其进行检测或者更换。
3、失波, 也就是回波太弱。
造成这种现象的原因可能是天线方向和液面不垂直;液面被干扰, 有泡沫。或者是雷达天线上结露或有粘附物。这时就要对天线方向进行调整, 清洗天线等。
除了以上所提到的以外现象, 雷达液位计从一个罐移到另一个罐进行使用时, 如果只对其进行基本的设定和修改就进入使用, 会导致工作不稳定。这时就要对其进行复位, 让雷达液位计对新的安装环境进行重新学习, 而后再进行基本参数的设定, 这样才可以再次投入使用。
参考文献
[1]王晖, 杨荻.脉冲雷达液位计的应用及误差分析.石油化工自动化, 2005;6:72-74。[1]王晖, 杨荻.脉冲雷达液位计的应用及误差分析.石油化工自动化, 2005;6:72-74。
[2]董军.高精度脉冲雷达在原油罐中的应用.石油化工自动化, 2002:2:76-77。[2]董军.高精度脉冲雷达在原油罐中的应用.石油化工自动化, 2002:2:76-77。
[3]Skohlk M L llltlxlduction to Radar却曲嘲h McC, mw-Hill, New York, 1962。[3]Skohlk M L llltlxlduction to Radar却曲嘲h McC, mw-Hill, New York, 1962。
[4]黄坤.雷达接收机自动化噪声系数测试.科学技术与工程, 2009;9 (18) :5518-5520。[4]黄坤.雷达接收机自动化噪声系数测试.科学技术与工程, 2009;9 (18) :5518-5520。
储罐液位仪表 篇6
在当前国际石油市场风云变幻的背景下, 建设一定规模的石油储备, 对于稳定能源市场供应, 平抑油价供求异常波动将起到重要作用。我国目前已初步建立起石油战略储备系统, 一批战略石油储备基地已基本建成并投入使用。在这些战略是由储备基地, 基本上都采用10×104m3浮顶罐作为原油储罐, 而储罐的液位数据无疑是储备库生产管理当中最主要的生产数据。
目前大部分储罐采用了雷达液位计进行液位自动检测, 本文结合已建的鄯善原油储备库大罐雷达液位计及附属设备选型和安装使用情况, 对此类工程设计进行一些探讨。
2 雷达液位计的测量原理及特点
2.1 雷达液位计测量原理
雷达液位计采用发射—反射—接收的工作模式。雷达液位计的天线发射出电磁波, 这些波经被测对象表面反射后, 再被天线接收, 电磁波从发射到接收的时间与到液面的距离成正比, 关系式如下:
式中:
D——雷达液位计到液面的距离
C——光速
T——电磁波运行时间
雷达液位计记录脉冲波经历的时间, 而电磁波的传输速度为常数, 则可算出液面到雷达天线的距离, 从而知道液面的液位。
在实际运用中, 雷达液位计有两种方式即调频连续波式和脉冲波式。采用调频连续波技术的液位计, 功耗大, 须采用四线制, 电子电路复杂。而采用雷达脉冲波技术的液位计, 功耗低, 可用二线制的24V DC供电, 容易实现本质安全, 精确度高, 适用范围更广。
2.2 雷达液位计的特点
(1) 雷达液位计采用一体化设计, 无可动部件, 不存在机械磨损, 使用寿命长。
(2) 雷达液位计测量时发出的电磁波能够穿过真空, 不需要传输媒介, 具有不受大气、蒸气、槽内挥发雾影响的特点, 能用于挥发的介质如粗苯的液位测量。
(3) 雷达液位计几乎能用于所有液体的液位测量, 在实际应用中, 几乎所有的介质都能反射足够的反射波。
(4) 采用非接触式测量, 不受槽内液体的密度、浓度等物理特性的影响。
(5) 测量范围大, 最大的测量范围可达0~35m, 可用于高温、高压的液位测量。
(6) 天线等关键部件采用高质量的材料, 抗腐蚀能力强, 能适应腐蚀性很强的环境。
3 大型浮顶罐雷达液位计及辅助设备选型及安装
3.1 浮顶罐雷达液位计的选择及安装
3.1.1 雷达液位计天线的选择
雷达液位计有锥形天线、抛物面型天线、导波管阵列天线等多种天线类型可选, 针对大型储备库采用的浮顶储罐, 由于液体介质智商有钢制浮盘, 且浮盘随液位上下浮动, 如何才能透过浮盘来检测到罐内介质的液位, 是液位仪表选型首先面对的问题。
根据以往普通拱顶储罐选型雷达液位计的经验, 雷达液位计天线尺寸越大, 其发射微博信号的能力越强, 抗干扰能力就比较高, 所以条件允许的情况下选用抛物面型天线会取得良好的检测效果。但抛物面天线要安装在离罐壁较远的位置, 这样方面雷达波的传播和反射, 防止进料口等处液位不稳定位置对雷达检测产生干扰。浮顶储罐显然不适合使用抛物面型天线。而带有导波管的雷达天线无疑成了最佳选择。原因如下:
(1) 用导波管穿过浮盘, 雷达液位计就可以直接对液位进行检测了。
(2) 由于大型浮顶储罐内有旋转喷射器这样的搅拌装置, 会使介质产生持续的涡流, 从而使雷达波产生虚假的反射。
(3) 浮顶储罐中心位置不可能安装雷达液位计, 只能安装在罐壁附近, 导波管可以消除罐壁对雷达波的影响, 也可以减轻罐壁上进出液口对液位的扰动。
(4) 导波管还可以起到汇聚雷达波的作用, 增强检测可靠性。
既然决定采用导波管, 就可以选用专用的导波管阵列天线了, 相对于其他形式的天线, 导波管阵列天线配套导波管的效果检测更好。
3.2 雷达液位计供电电压选择
针对大型的原油储备库由于储罐直径大, 造成库区面积很大, 以鄯善原油储备库为例, 尽管设置控制中心和远程控制单元, 库区内仪表信号就近接入控制中心和远程控制单元, 但是仍然有许多仪表信号电缆长度超过1Km, 线路压降很大。实际使用情况表明, 24V直流电不足以驱动如此远距离外的雷达液位计, 导致雷达液位计出现了各种问题。所以必须选择220VAC供电的雷达液位计。
3.3 浮顶罐雷达液位计的安装
雷达液位计型式选定后, 新的问题出现了, 即导波管如何在大型浮顶罐上安装。
目前的大型浮顶原油储罐, 包括5~15×104m3储罐, 都是由位于罐体两侧的两根导向柱协助浮盘随液位上下浮动, 导向柱同时起到防止浮盘转动和翻覆的作用, 而且导向柱还起到量油孔的作用, 操作人员可以通过导向柱采用机械的方法手动测量液位。如果我们为了检测液位, 在浮盘上再安装一根导波管, 就相当于给浮盘又安了一个导向柱, 这将有可能导致浮盘卡死无法上下浮动, 显然行不通。
针对这样的情况, 只有在导向柱上做文章才可行, 鄯善原油储备库10×104m3储罐采用了两个DN400的导向柱, 我们决定在其中的一根导向柱内安装一根DN200的导波管, 安装见下图:
这样就解决了雷达液位的安装问题, 同时另一根导向柱仍然可以起到手动量油的作用。
3.3 多点温度计的选型和安装
大型浮顶储罐分层原油温度是重要的监控参数, 为此需要采用软缆式多点温度计进行检测, 此时将有同样的问题, 即多点温度计如何在大型浮顶罐上安装。
根据目前的习惯做法, 需要对液面以下每3米处的介质温度进行检测, 多点温度计采用Pt100铂热电阻作为测量原件, 将多个热电阻集成在一根缆中, 一般采用便于运输和安装的软缆式结构。为防止软缆漂浮移动或被意外割断, 多点温度计也需要安装在一根金属套管内, 鉴于前文说明的原因, 这相当于又给储罐安装了一根导向柱, 显然不可能。
根据这样的情况, 我们决定把多点温度计也安装在导向柱内, 将雷达液位计和多点温度计集成安装到同一根DN400的导向柱上, 将DN200导波管在导向柱内靠一侧安装, 利用DN200导波管和导向柱间的空间作为多点温度计的安装空间, 这样一来, 雷达液位计和多点温度计的安装都得到了完美解决。
3.4 罐底水位检测
原油进入储罐后, 随着存放时间的延长, 原油中所含水分会逐渐分离出来并沉积与储罐底部。以10×104m3储罐为例, 其直径达到80m, 如果罐底存有10mm高的水位, 相当于存水50m3, 如果存水达到1m, 意味着罐内存水达到5000m3, 如果是满罐的情况下, 意味着库存5%的量是水而不是油。这对于百万方库存的原油储备库来说, 是一个巨大的数字, 如果不掌握储罐水位的数据, 可能对储备库的生产管理产生很大的影响。可见大型储罐水位检测是十分重要的。
以往针对储罐水位检测一般选用侧装式或顶装式油水界面仪进行检测, 如果采用侧装式油水界面仪, 势必将在油罐底部增加开孔, 进而牵涉到保温防冻的问题, 如果采用顶装式油水界面仪, 将会遇到与多点温度计同样的安装问题。因此选择了带有检测油水界面功能的多点温度计来检测罐底水位。
5 结束语
在鄯善储备库一期10座储罐上进行的雷达液位计选型和安装取得了成功, 后续的10座储罐也沿用了同样的设计, 实践证明检测效果十分理想, 可以说为类似大型储罐液位、温度、水位的检测提供了完美解决方案, 值得推广。
参考文献
[1]陆德民.《石油化工自动控制设计手册》[1]陆德民.《石油化工自动控制设计手册》