浅谈罐区自动化设计及仪表选型

摘　要：根据工程设计中的经验，提出罐区仪表工程设计中的选型及应用。本文结合工程实例对对液态烃罐区的特点，从仪表选型，组态，等方面来阐述液态烃罐区自动化设计的要点。

关键词：液态烃罐区；仪表选型；安全检测系统；计算机控制系统
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。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。
　　1.罐区计量仪表
　　此类仪表主要用于入罐及出罐产品计量。常用的流量仪表有质量流量计、涡轮流量计、双转子流量计、椭圆齿轮流量计、刮板流量计等。由于计量仪表与成本核算及经济效益有直接关系，故必须保证测量精度，同时考虑稳定性及性能价格比。质量流量计的精度及性能指标相对好一些，虽然一次性投资比较大，但其可以测量介质的密度、温度和压力等参数；其他如容积式或速度式流量仪表，在实际应用中可按照实际需要加以选择，像黏度较大、腐蚀性或毒性较大的场合慎用涡轮流量计。
　　2.罐区液位仪表
　　对于常压罐可以采用单法兰液位变送器；对于带压罐则可以采用双法兰液位变送器来进行液位测量，这是最简便实用而且经济的测量方法，但此种方法需要计算液位计迁移量，比较麻烦。对于球罐及大型储罐则不太适用，尤其不适用一些高温介质及搅拌介质、高黏度介质、有毒或腐蚀性介质的液位(物位)测量。
　　2.1外测液位计
　　外测液位计是近年来国内自主开发的一种新型测量液位的仪表。由西安定华电子有限公司发明及生产的ELL系列。外测液位计的测量探头直接吸附在容器外壁，检测到的微小机械振动波形的特性由液位振动特性和容器振动特性决定。根据计算关系，把测量探头敏感器件检测到的振动信号变为电信号后传输到主机，主机对收集到的各种不同模式的振动进行滤波、判断，经复杂计算得到液位测量值。为保证得到更高的液位测量精度，还可对液位的测量进行温度补偿。
　　2.2雷达液位计
　　(1)雷达液位计原理
　　发射一反射—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。
　　(2)雷达液位计的特点
　　雷达液位计刚推向市场时，由于价格很高，所以没有得到大家的认可。但随着大家对它认识的加深，和它本身价格的下调，它已经得到了愈来愈多客户的青睐。用雷达仪表测量储罐液位具有以下优点：
　　a.发射及接收天线均不与介质接触；
　　b.高频电磁波信号易于长距离传送，可测大量程；
　　c.测量不受液面上部空间气相条件变化的影响；
　　d.计量级精度的雷达可用于计量。
　　雷达通过发射和接收高频(GHZ级)电磁能量，并计算电磁波达到液位表面并反射回到接收天线的时问来进行液位的测量，它可以在缺少空气(真空)或具有气化介质的条件下传播，并且气体的波动变化不影响电磁波的传播速度。目前，雷达液位仪表分三种：常规的空间传播式交直流供电雷达液位计、新型的空间传播式24VDC回路供电雷达液位计(二线制)和导波雷达液位计。在一般工况条件下，交直流供电和二线制雷达液位计都能够准确的得到测量值。但在特殊条件下，如测量的介质介电常数很小、液面出现波动和泡沫、有障碍物等，就需要导波雷达液位计。它的基本原理与雷达液位计一样，稍有不同的是，它利用导波体在气体中和在液体中的导电性能不同，从而产生一个液位发射原始脉冲，同时在探头的顶部具有一个预先设定的阻抗，该阻抗导致一个可靠的基本脉冲发生，该脉冲称为基线反射脉冲。导波雷达液位计检测到液位反射原始脉冲，并与同时产生的基线反射脉冲相比较，从而计算出介质的液位高。
　　此外，利用高导电介质与低导电介质反射波强弱的不同，有可能测量两种液体的界面，条件是界面下的液位介电常数应远远高于界面上的液体的介电常数。现在，两线制的雷达液位计的价格与一般的液位变送器己相差无几。由于雷达液位计的测量技术越来越成熟，对应于各种工况条件的产品系列也越来越全，现在，在国内罐区液位测量方面，雷达液位计正以前所未有的使用优点及性能在各种工况条件下得到越来越多的应用。
　　(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SAAB KROHNE E+H ENRAF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。SAAB的雷达采用调频连续波式(FMCW)频率为10 GHz。其分为轻型(Lite)、标准型(Standard)和高精度型(Golg)。轻型精度 是±10 mm，标准型精度是±10 mm，高精度型精度为±5 mm，两线制或四
线制。KROHNE高端OPTIWAVE7300型雷达频率为26 GHz，测量范围小于10 m，精度为±3 mm。测量范围大于10 m，精度为±O．03％，两线制。E+H的调频连续波式(FMCW)雷达FMR5XX系列，频率为10千兆赫(GHz)精度为±3mm，四线制。ENRAF的调频连续波式(FMCW)SmartRadar雷达液位计是一个采用了数字平面技术(DPT)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(FMCW ) ，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。
　　3.工程简介
　　液碱罐区包括4 只液碱贮罐。 分别来自火车槽车和汽车槽车的液碱经用碱泵送至液碱贮罐贮存；贮存的液碱用碱泵分别送至码头装船和汽车槽车灌装。
　　3.1系统组成
　　罐区的自控系统不同于常规生产装置，一是罐区工艺流程是间断性的，二是系统没有控制和调节机制，三是系统的运行对实时性要求不是太高， 由于自控系统的数据采集是连续性运行的，因而可靠性是整个自控系统性能的关键。 根据港口方现有的自控系统模式及网络系统构架，液碱罐区采用PLC现场I / O站的形式，通过专用通讯电缆从I / O 站引入中控室内相应的操作站内。
　　每只贮罐上均有雷达液位计及温度检测点，雷达液位计信号与温度信号均通过雷达电子头的总线经接线箱合并后统一送至I / O 站内的现场通讯单元的l个输入口，FCU 有2 路输出口 l 路送PLC l 路送海关(CIO)监管，其余常规仪表信号电缆直接送至PLC。
　　3.2仪表选型
　　球罐是带压容器，储存的介质易燃易爆，介质组分也不固定，导致密度也常有变化，含H2S等腐蚀性气体，而且是长周期运行。这就要求所采用的仪表防爆、可靠性高、维护量小、耐腐蚀，最好是非接触式仪表，球罐的液位测量仪表、液位开关、紧急切断阀的选型比较特别，在此作详细介绍，其他仪表按常规选型即可。
　　(1)液位测量仪表
　　液位测量仪表采用了光纤液位计和雷达液位计两种仪表，经过几年的运行，
证明这两种仪表都适用球罐的液位测量。
　　(2)光纤液位计
　　光纤液位计由测量单元(包括磁力浮球、钢丝绳重锤、导向轮、磁力耦合器等)、光纤传感器、光电传感器、二次表及光缆组成，通过磁力浮球系统将被测液位信号变为计量绞轮的精确转动，并由此带动光纤传感器的光学编码器，使液位每上下运动1mm 就有脉冲信号，再经二次表放大整形，可逆判向等处理显示出液位，同时输出标准电流信号给PLC，或通过RS-232接口与PLC相接。
　　(3)雷达液位计
　　雷达液位计测量液位的原理，是通过天线向测量液面发射高频电磁波，电磁波碰到液面反射回来，又由天线接收，测量发射波和反射波的时间差，并经过智能化信号处理器，将这与被测物位距离成正比关系的运行时间，转为标准4-20mA信号，送给PLC。
　　3.3控制室仪表
　　与Saab Rosemount 雷达液位计配套提供的l台现场通讯单元(FCU)安装在I /O站内，FCU用于连接现场设备和控制室的上位机，输出modbus协议信号，l台FCU 最多可连接32 台现场雷达输出信号给系统数据通讯设备，提供6 路(FB 及GB)通信口用于信号输入及输出；4 路FB 信号输入口，每一路FB 口(及l 根电缆)最大允许连接8 台雷达液位计；2 路GB 信号输出口 RS485 接口:从现场接线箱引出的TRL / 2 总线接至FCU 的l 个输入口上，经FCU 后2 路输出均采用RS485 通讯电缆连接， l路输出送至I / O 站内的PLC 机柜， l 路送海关监管。 1 台FCU 接口余量较大，罐区扩建可将相关信号直接引入相应接口即可。
　　现场I / O站选择在离罐区较近的现场控制室内，控制系统选用西门子S7-300 型PLC 控制站l个，布置在PLC 机柜正面，机柜背面作为辅助柜接线及仪表配电用，从现场来的单根仪表电缆均接至背面，从UPS 引出电源接至背面总电源开关，现场仪表用电从PLC 柜背面各分开关引出。
　　PLC 的2 个操作站放置在港口罐区的中控室内，从PLC 控制站到中控操作站之间采用专用通讯电缆进行通讯，从而实现对罐区的集中监控。
　　3.4安全检测系统
　　在易燃易爆危险场合，可燃气体报警器及火灾报警器是必须的。同时设计时应该考虑就地手动报警按钮与控制室报警器盘的合理设置，以保证出现紧急情况能迅速反应处理。如果条件允许，应在一些重要位置设置工业电视监视系统。  3.5计算机控制系统
　　罐区控制系统的设计方案有很多，但每种方案均有其适应性。本着低成本、高效率、规范化的要求，对于一些大型储罐区可以设置PLC系统，采用罐群控制系统；对于一些小型储罐区则可以采用控制室智能仪表控制，有些储罐区还与装车栈台、付油系统等组成一些功能更加强大的控制系统。
　　结束语：
　　这套控制系统在该公司液态烃罐区运行了两年多，""稳定可靠""完全满足生产和安全的要求，解决了多年来困扰罐区的自动化问题。
参考文献:
[1] 金莉．罐区测量仪表工程设计中的选型[J]石油化工自动化。2006(3)：82；97．
[2] 葛军德．SAAB雷达液位计的原理及应用[J]内蒙古石油化工，2006(9)：35．37．
[3] 张伶．雷达液位计探讨及应用举例[J]石油化工自动化，2007(3)：84．86．