大型石油化工罐区储罐液位仪表的设计及应用.pdf

第 3 9卷第 3期 2 0 1 0年 6月 当 代 化 工 Co nt e mp o r a r y Ch e mi c a l I n d us t r y V0 1 _ 3 9． N o ． 3 J u n e ， 2 01 0 大型石油化工罐 区储罐液位仪表的设计及应用 吴旭 翔 - ， 李宏 z 1 ． 辽宁石油化工大学信息与控制工程学院， 辽宁抚顺 1 1 3 0 0 1 ； 2 ． 中国石油集 团工程设计有限责任公司抚顺分公 司， 辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 6 摘 要 以石油化工大型罐区液位仪表设计为例， 介绍了雷达和伺服液位计的基本原理、 特点和与其 它液位测量仪表比较 。着重说明 了两种液位计 的选型 、 安装与应用。 关键词 液位仪表； 雷达液位计； 伺服液位计 中图分类号 T Q 0 5 6 ． 1 7 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 0 0 3 0 2 7 8 0 3 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 发射一反射一接收是雷达液位计 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 收稿 日期 2 0 1 0 ． 0 5 1 0 作者简 介 吴旭翔 1 9 6 3 一 ， 男 ， 副教授， 1 9 8 4年 毕业于兰州大学 自动控制专业， 1 9 8 7年 毕业于西北工业大学控制理论 与控制工程专业 ， 硕士 学位。 通讯作者 李 宏 ， 助理工程师。 吴旭翔， 等 大型石油化工罐区储罐液位仪表的设计及应用 2 7 9 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 ． 0 3 mW／ c m ， 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 S A AB KR 0 HN E E H E NR AF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。 S A AB的雷达采用调频连续波式 F MC W 频率 为 1 0 GH z 。 其分为轻型 L i t e 、 标准型 S t a n d a r d 和 高精度型 Go l g 。 轻型精度是 1 0 m m， 标准型精度 是 1 0 mm， 高精度型精度为 5 mm。两线制或四 线制[ 2 】 。 K R OH NE高端 0 P T 1 wAV E 7 3 0 0型雷 达 频率 为 2 6 G Hz ， 测量范围小于 1 0 m， 精度为3 mm。测 量范围大于 1 0 r n ， 精度为0 ． 0 3 ％。两线制 。 E H的调频连续波式 F MC W 雷达 ， Mi c r o p i l o s t S F MR5 X X系列 ， 频率为 l 0千兆赫 G Hz 精度为 3 mm。四线制。 E NR A F的调频连 续波 式 F MC W S ma r t R a d a r 雷达液位计是一个采用了数字平面技术 D P T 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 F MC W 。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 1 。 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 C P U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 C P U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 m m， 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 1 0 mm。每旋转 1周被分成 2 0 0步， 因此每步相 当于 0 ． 0 5 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iS l 1 由于不存在滑轮、 齿轮的摩擦力， 测量精度 2 8 0 当 代 化 工 第 3 9卷第 3期 很高 0 ． 7 IT I 1 T I 。 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 HA RT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 E N R AF 。 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 、 环烷烃 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 或关闭储罐出人 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 。 参 考 文 献 [ 1 】 金莉． 罐区测量仪表工程设计中的选-[ J 1 ． 石油化工自动化 ， 2 0 0 6 3 8 2 ； 9 7 ． [ 2 ] 葛军德． S A A B雷达液位计的原理及应用[ J ] ． 内蒙古石油化工 ， 2 0 0 6 9 3 5 - 3 7 ． [ 3 】 张 伶． 雷达液 位计探 讨及 应用 举例 [ J 】 _ 石 油化 工 自动化 ， 2 0 0 7 3 8 4 ． 8 6 ． [ 4 】 马梅英 ．P r o s e r v o N MS 5型伺 服液位 计在丙 烯及液 化气球罐 上 的应用[ J ] ． 石油化工 自动化 ， 2 0 0 2 4 8 8 8 9 ． 5 】 陆德 民． 石油化工 自动控制设计手 册[ M] ． 三版 ． 北京 化 学工业 出版社 ， 2 0 0 5 1 0 4 6 ． [ 6 ] 宋凯 ．伺 服液位计在 乙烯罐 区系统 中的应 用体会 ． 黑龙江科技 信息 ， 2 0 0 9 3 0 6 7 ． 6 8 ． De s i g n a nd Appl i c a t i o n o f Le ve l M e t e r i n La r g e Pe t r o c he m i c a l Ta nk Sy s t e m W U Xu- xi a n g J ， LIHon g 2 1 ． S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d C o n t r o l E n g i n e e ri n g ， L i a o n i n g S h i h u a Un i v e r s i t y ， L i a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ， C h i n a ； 2 ． Ch i n a P e t r o l e u m En g i n e e rin g Co ． ， L t d ． ， F u s h u n Br a n c h Co mp a n y， Li a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 6， Ch i n a Abs t r a c t Ta k i n g d e s i g n o f l e v e l i n s t r u m e n t i n l a r g e p e tr o c h e mi c a l t a n k s y s t e m a s a n e x a mp l e，b a s i c p r i n c i p l e， c h a r a c t e ris t i c s o f r a d a r a n d s e r v o l i q u i d o me t e r we r e i n t r o d u e e d a s we l 1 a s c o mp a ris o n wi t h o t h e r k i n d o fl e v e l me t e r S e l e c t i o n， i n s t a l l a t i o n a n d a p pl i c a t i o n o f t h e tw o t y p e s o fl e v e l m e t e r s we r e d i s c u s s e d ． Ke y wo r d s L e v e l me t e r ；Ra d a r l i q u i d o m e t e r ；S e r v o l i q u i d o me t e r 山东郯城将新增 6 0万吨烧碱用盐 山东阳煤恒通化工股份有限公司 4 0万吨／ 年离子膜烧碱项目， 一期 2 0万吨 ／ 年离子膜烧碱项 目土建正在开工建设 ， 山东 郯城将新增 6 0 万吨烧碱用盐， 一期工程投产将新增 3 0万吨烧碱用盐。 山东恒通化工股份有限公司 4 0万吨／ 年离子膜烧碱项目， 已被阳煤化工局列为今年十大建设项目之一， 是公司盐化工产 业升级的重点工程项目。 公司要求用最短的时间、 全优的质量、 最低的造价完成这个技术升级、 扩能提效项 目。 据中盐网了解， 按 照生产 1吨烧碱需要消耗原盐 1 、 5吨， 4 O万吨 ／ 年离子膜烧碱， 每年将需求 6 0万吨烧碱用盐。目前， 道路和盐场地面基础施工 已结束 ， 过路地埋循环水管、 一次水管、 消防水管已全部预埋完毕， 盐场建设正在施工。