摘要：本文分析介紹了西門子公司雷達(dá)液位測量技術(shù)應(yīng)用于各種常見的油品和液化氣的液位測量的可能的測量方案的選擇。
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關(guān)鍵詞：雷達(dá) 液位測量 油罐 介電常數(shù) 液化氣
一、前言
儲罐是油田煉油廠、油庫、石油碼頭及各大石化企業(yè)普遍需要使用的存儲設(shè)備，通過對儲罐內(nèi)的液體介質(zhì)（各種石油化工產(chǎn)品）的溫度、壓力、液位、密度等參數(shù)的測量，可以計(jì)算出儲罐中液體的體積量及質(zhì)量儲量，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化生產(chǎn)中對資產(chǎn)管理的需求。
儲罐對液位測量的要求不同，一般可分為過程級及貿(mào)易級兩種。貿(mào)易級液位計(jì)的精度要求非常高，需要對罐內(nèi)的進(jìn)行精確測量，一般要求測量精度達(dá)到±1mm；而過程級液位計(jì)的精度要求一般是在±5~15mm之間，相對而言對液位計(jì)測量可靠性和穩(wěn)定性要求更為嚴(yán)格，測量目的一般是為了防止油罐冒頂、抽真空等事故的發(fā)生。
各種儲罐的大小和種類各不相同，所測量介質(zhì)的特性和工藝條件也各不相同，因此只有從客戶的實(shí)際情況出發(fā)，合理的選擇液位計(jì)及設(shè)計(jì)液位測量解決方案，才能使客戶的投資最優(yōu)化。
二、儲罐液位測量技術(shù)
目前用于儲罐的液位測量技術(shù)非常多。根據(jù)測量方式，可以分為接觸式和非接觸式。
接觸式測量方法主要有人工檢測尺、浮子式鋼帶液位計(jì)、伺服式液位計(jì)、靜壓式液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)、射頻導(dǎo)納液位計(jì)等。
非接觸式測量方法主要有超聲波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)等。
其中目前市場上常用的可以滿足貿(mào)易級液位計(jì)要求的測量方式有：磁致伸縮液位計(jì)、伺服式液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、靜壓式液位計(jì)等，靜壓式液位測量系統(tǒng)(HTG)因?yàn)檫^于過于復(fù)雜，維護(hù)量大等缺點(diǎn)，使用量越來越少。而雷達(dá)液位計(jì)作為一種高精度的液位測量方式，因其量程大、安裝方便、維護(hù)量低等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的得到客戶的認(rèn)可和接受；而且近幾年，雷達(dá)液位計(jì)的價(jià)格也逐年降低，也使很多普通的用戶也開始采用起雷達(dá)液位計(jì)作為儲罐的液位測量方案。
表1、各種儲罐液位測量方式比較
三、雷達(dá)液位測量原理及特點(diǎn)
雷達(dá)液位計(jì)又稱微波液位計(jì)(Radar)，是取英文詞組“RAdio Detection And Ranging”的詞頭字母而來的縮寫詞。微波物位計(jì)朝一個(gè)目標(biāo)發(fā)射電磁波，電磁波井發(fā)射后返回發(fā)射源。安裝在發(fā)射源處的接收器捕獲到反射波，并把它與發(fā)射波作比較，確定目標(biāo)的存在和它到發(fā)射源的距離。
目前市場常見的微波物位計(jì)采用的工作原理主要有FMCW（連續(xù)調(diào)頻）和脈沖兩種。
FMCW雷達(dá)液位計(jì)采用線性的調(diào)制的高頻信號，一般都是采用10GHz或24GHz微波信號。它是一種基于復(fù)雜數(shù)學(xué)公式的間接測量方法，由頻譜計(jì)算出物位距離。天線發(fā)射出被線性調(diào)制的連續(xù)高頻微波信號并進(jìn)行掃描，同時(shí)接收返回信號。發(fā)射微波信號和返回的微波信號之間的頻率差與到介質(zhì)表面的距離成一定比例關(guān)系。
脈沖雷達(dá)液位計(jì)，與超聲波技術(shù)相似，使用時(shí)差原理計(jì)算到介質(zhì)表面的距離。 設(shè)備傳輸固定頻率的脈沖，然后接收并建立回波圖形。信號的傳播時(shí)間 直接與到介質(zhì)的距離成一定比例。但是與超聲波使用聲波不同，雷達(dá)使 用的是電磁波。它利用好幾萬個(gè)脈沖來 “掃描”容器并得到完整的回波圖。
雷達(dá)液位計(jì)的典型波段為 5.8 GHz、10GHz 、24 GHz。通常我們稱5.8GHz（或6.3GHz）的頻率為C波段微波；10GHz的頻率為X波段微波; 24GHz（或26GHz）的頻率為K波段微波
由于雷達(dá)液位計(jì)的增益系數(shù)和波束角的大小和微波的波長以及雷達(dá)液位計(jì)的喇叭口尺寸大小有關(guān)系。因此，越來越多的雷達(dá)液位計(jì)制造商開始研發(fā)采用高頻率微波技術(shù)來改善雷達(dá)液位計(jì)的性能。同時(shí)，采用高頻技術(shù)后，可以在提高雷達(dá)性能的同時(shí)，大大縮小天線的尺寸，使安裝更加方便。
由于雷達(dá)液位計(jì)采用的微波是一種電磁波，在傳播的過程不需要傳輸媒介的傳遞，因此基本上不需要考慮揮發(fā)性氣體和蒸汽、溫度、壓力（真空）、甚至粉塵的影響。而且，由于是基于回波反射測距的原理(TOF)，對雷達(dá)液位計(jì)來說，不存在磨損等問題，因此基本不需要維護(hù)；頂部安裝的方式也使安裝更加方便；而且由于微波的特性，相對其它液位測量方式，它的精度一般都能達(dá)到0.1%(全量程)的精度。由于雷達(dá)液位計(jì)具有這不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，越來越多的儲罐用戶開始采用雷達(dá)液位計(jì)來替代其他技術(shù)。
四、解決方案
西門子公司從1998年推出第一臺智能化的雷達(dá)液位計(jì)IQ160開始，陸續(xù)推出了基于各種工作原理和采用不同頻率的雷達(dá)液位計(jì)，形成較齊全的產(chǎn)品線，能夠滿足各種不同過程工藝、介質(zhì)的測量需求。
圖1：Probe 圖2：LR400
Sitrans LR系列雷達(dá)目前包括Probe LR, LR200,LR250，,LR260和LR400四個(gè)系列產(chǎn)品。
Probe LR是一款性價(jià)比極高的一款雷達(dá)液位計(jì)。它是一個(gè)兩線制回路供電的， 5.8GHz頻率雷達(dá)液位計(jì)，用于測量儲罐和過程罐中液體和漿料的物位和體積。Probe LR 是揮發(fā)性化學(xué)品、溫度梯度、真空或者常壓等工況的理想選擇，比如油庫、化學(xué)儲罐、化學(xué)反應(yīng)罐和長量程應(yīng)用。它的量程為20 m，精度為全量稱的0.1%（如圖1） 。
LR200在兼具了Probe LR的所有優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，還提供了各種不同規(guī)格的安裝方式(包括各種規(guī)格法蘭和螺紋)和不同的天線的選擇（包括喇叭口天線、桿式天線、導(dǎo)波管天線等），極大程度地滿足不同過程工藝的需求。
Probe LR和LR200都采用了一體化全封裝的儀表外殼，使儀表具有較好的密封性、抗打擊能力、抗腐蝕能力。
SITRANS LR 400 是長量程的連續(xù)調(diào)頻(FMCW) 雷達(dá)物位儀表，可以用于最高達(dá)50米的儲罐的測量，及時(shí)用于測量介電常數(shù)較低的介質(zhì)(輕油、液化氣等)也能得到極好的測量效果。
24GHz 和高信噪比的特性能得到非凡的信號反射，而與介質(zhì)的介電常數(shù)無關(guān)。它還具有先進(jìn)的回波處理算法，能為惡劣的固體應(yīng)用提供可靠的測量。它的測量精度為±5mm（如圖2）。
根據(jù)儲罐介質(zhì)的特性，這里將各種儲罐測量分為輕油及原油、重油、瀝青、液化氣、腐蝕性介質(zhì)五種。
1、輕油的測量
典型的輕油介質(zhì)為汽油、石腦油、石油等。一般會(huì)產(chǎn)生一定的揮發(fā)性氣體，介電常數(shù)較低（<3）。
低頻雷達(dá)(Probe LR/LR200+導(dǎo)波管。如果采用低頻(6GHz)的雷達(dá)液位計(jì)直接測量，可能會(huì)因信號過于微弱而導(dǎo)致失波，一般會(huì)要求安裝導(dǎo)波管。比如：Sitrans LR200配導(dǎo)波管的配置可以滿足輕油的液位測量（如圖3）。導(dǎo)波管的制作要求為：金屬材質(zhì)（最好是304或316不銹鋼）；內(nèi)壁光滑，無明顯焊縫（要求無縫焊或套焊）；在合適的位置開排氣孔，一般在導(dǎo)波管的上部，開空面積根據(jù)介質(zhì)特性（粘度）須適量；如有必要在管底部設(shè)置偏置板，以防止由于微波信號穿透液面產(chǎn)生來自底部的錯(cuò)誤信號。這個(gè)解決方案一般用于儲罐高度小于5~10m的應(yīng)用中。
高頻雷達(dá)(Sitrans LR400)。采用高頻率的雷達(dá)液位計(jì)，不需要任何輔助措施（高頻雷達(dá)由于其特性，一般不建議用于導(dǎo)波管），既可以實(shí)現(xiàn)測量輕油的液位。對于一些較高的儲罐，由于制作導(dǎo)波管的成本和安裝成本較高，而且很多較長的導(dǎo)波管在環(huán)境的變化下，可能會(huì)導(dǎo)致一定的變形影響雷達(dá)液位計(jì)的測量效果和精度，因此，選擇高頻的Sitrans LR400用于測量大量程的輕油儲罐的總體投資成本將會(huì)比低頻雷達(dá)解決方案更經(jīng)濟(jì)適用。
圖3：LR200用于測量汽油的測量
2、重油的測量
典型的重油介質(zhì)為柴油等，其介電常數(shù)一般>3，有一定揮發(fā)性氣體?？梢圆捎玫皖l的Probe LR或LR200直接測量（如圖4）。
圖4：Probe LR在柴油儲罐上的應(yīng)用
3、瀝青的測量
瀝青（液態(tài)）的介電常數(shù)也比較低，一般在3左右（根據(jù)溫度）；而且液態(tài)的瀝青一般需要用高溫來維持，伴隨著高溫一般都會(huì)有一定的水蒸氣；瀝青的特性比較粘，很容易產(chǎn)生一定的掛料的現(xiàn)象。
高溫(>100ºC)的工況，一般都需要選擇PTFE材質(zhì)的天線，而不能選擇PPS的天線（如：Probe LR）；為了防止掛料的影響，可以選擇喇叭口天線；但水蒸氣一般會(huì)導(dǎo)致冷凝水的產(chǎn)生，經(jīng)試驗(yàn)表明，桿式天線對冷凝水的敏感程度要小于喇叭口天線，因?yàn)闂U式天線的有效發(fā)射電磁波的面積要遠(yuǎn)大于喇叭天線(發(fā)射電極只有筆尖大小)；瀝青的介電常數(shù)較低，在天線所產(chǎn)生的少量掛料一般都可以被雷達(dá)液位計(jì)的電磁波穿透；由于瀝青介質(zhì)的掛料比較粘稠，采用清洗裝置的作用并不是很明顯，因此筆者并不建議采用清洗裝置用于測量瀝青。
因此，對于儲罐內(nèi)攪拌、掛料非常嚴(yán)重的瀝青應(yīng)用，可以采用帶喇叭口的LR200，喇叭口大小應(yīng)不小于DN150（6”）;而對于溫度較高，冷凝水現(xiàn)象比較明顯的工藝中，可以采用全PTFE的桿式天線為佳：采用不銹鋼屏蔽段的PTFE天線對口徑較小的安裝立管的屏蔽效果較好，但是屏蔽長度如果選得太短了，無法延長；采用全PTFE的天線的屏蔽段長度可以根據(jù)安裝立管的長度自由方便地延長，但是在小口徑(≤DN80)的安裝立管會(huì)對天線的工作產(chǎn)生影響。因此，最好在安裝雷達(dá)液位計(jì)安，應(yīng)對安裝立管的口徑和長度提出要求。
圖5：瀝青在桿式天線上的掛料
4、液化氣的測量
液化氣包括液化天然氣(LNG)和液化石油氣(LPG)兩種。典型的液化氣介質(zhì)有：丙烷、丁烷等。
主要的特點(diǎn)是：介電常數(shù)一般都非常低（1.5~1.8）；高壓低溫儲存；防爆要求；通常用球罐存儲，球罐的高度一般在10~28m不等。
目前的雷達(dá)液位計(jì)測量液化氣主要有兩種方式。
一種是利用旁通管，使用低頻雷達(dá)(Sitrans LR200)測量。由于這種方式對旁通管制作的要求非常高，很容易因?yàn)榕酝ü苜|(zhì)量不理想，而導(dǎo)致使用效果不佳；甚至在一些量程較大的球罐應(yīng)用中，由于旁通管過長，很容易發(fā)生扭曲的現(xiàn)象，使雷達(dá)液位計(jì)無法測量。使用LR200安裝在旁通管或?qū)Рü苌蠝y量液化氣的解決方案，由于種種原因，鮮有成功的案例。
另一種采用高頻雷達(dá)對低介電常數(shù)介質(zhì)的良好發(fā)射特性，直接測量液化氣液面。Sitrans LR400能夠直接測量介電常數(shù)低至1.5的介質(zhì)，可以滿足液化氣的測量。安裝位置可以選在球罐的頂上，在球罐頂部直接開孔，為了保證維護(hù)的方便，一般需要在LR400安裝在帶球閥的安裝立管(建議DN>150為佳)上，方便隨時(shí)拆下來維護(hù)；或者安裝在較粗的旁通管(直徑6~10”以上)上。
Sitrans LR400在國內(nèi)的獨(dú)山子石化煉油廠應(yīng)用，并取得了良好的使用效果。根據(jù)現(xiàn)場的使用測試，發(fā)現(xiàn)LR400的測量精度和重復(fù)性均能達(dá)到非常好的效果。
圖6：LR400在LPG球罐上的使用
5、腐蝕性介質(zhì)的測量
典型的腐蝕性介質(zhì)包括：硫酸、硝酸、燒堿、鹽酸等。
大部分腐蝕性介質(zhì)的介電常數(shù)都較高；伴有不同程度的揮發(fā)性氣體（煙霧）；不同濃度的腐蝕性介質(zhì)對不同的雷達(dá)天線材料有不同的腐蝕性要求；很多腐蝕性介質(zhì)的揮發(fā)性氣體具有一定的滲透能力，再一段時(shí)間的使用后，可能會(huì)滲透到儀表電子部分或天線的電機(jī)發(fā)射部分而損壞雷達(dá)液位計(jì)。
采用何種雷達(dá)天線來測量腐蝕性介質(zhì)，一般需要事先查化學(xué)兼容表來確認(rèn)。
表2：各種雷達(dá)液位計(jì)對常見腐蝕性介質(zhì)的兼容性
LR, 桿式,PP
LR,桿式,PTFE
LR,喇叭,316SS
Probe LU,PVDF
Probe LU,
ETFE
典型型號
Probe LR(7ML5430);LR200(7ML5422)
LR200(7ML5423);LR300(7ML5413)
LR200(7ML5425); LR300(7ML5411)
7ML5221-xBxxx;7ML5221-xDxxx
7ML5221-xAxxx;7ML5221-xCxxx
過程溫度
80C
200C
200C
85C
85C
水(常溫)
1）:不適用于溫度較高的硫酸；2）：能承受鹽酸干氣體；3）：超聲波不適合用于測量硝酸，硝酸的揮發(fā)性氣體對超聲波有強(qiáng)烈的吸收作用；4）：液氨氣體具有極強(qiáng)的滲透作用，需要選擇一體化墊片的氣密型設(shè)計(jì)。
：可以使用；：使用效果一般；：不可使用；NA：未知
考慮到很多腐蝕性介質(zhì)的揮發(fā)性氣體也具有一定腐蝕性和滲透性，因此一般會(huì)選擇一體化法蘭墊片的選項(xiàng)來防止揮發(fā)性氣體對法蘭的腐蝕和通過法蘭連接處進(jìn)行滲透。
另外，很多酸堿儲罐會(huì)產(chǎn)生很多水蒸氣和泡沫。這需要根據(jù)實(shí)際情況來進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇：水蒸氣產(chǎn)生冷凝水嚴(yán)重的應(yīng)用，可以考慮采用桿式天線；泡沫的厚薄和成分不同，對微波是否能穿透泡沫進(jìn)行準(zhǔn)確地液位測量起至關(guān)重要的作用，需要具體的分析和更多的經(jīng)驗(yàn)的積累。
五、結(jié)束語
通過近幾年對雷達(dá)液位計(jì)在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用研究，以及西門子不斷進(jìn)行新產(chǎn)品新技術(shù)的研發(fā)，西門子雷達(dá)液位計(jì)在各種儲罐的應(yīng)用也越來越成熟，成功的案例也越來越多。筆者相信隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和成熟，雷達(dá)液位計(jì)會(huì)逐步成為儲罐液位測量的主流。
