E+H雷达测量系统在炼油厂罐区的应用

一、概述
　　Endress+Hauser（恩德斯+豪斯，简称E+H公司）是一家世界的国际性集团公司，专业生产物位、流量、压力、温度、密度、水分析和环境监测、现场通讯、记录仪、数据采集、系统和罐区和中小型FCS系统等。其专用于罐区的雷达液位测量系统独具特色，突出体现了“以人为本”的设计理念。
　　该测量系统以单个储罐作为一个测量系统单元，罐旁指示仪NRF590作为测量系统单元核心，所有储罐上的测量仪表如雷达液位计、平均温度计、压力变送器等都设计成本安防爆型仪表，接入罐旁指示仪的本安接线腔，罐旁指示仪的隔爆接线腔具有可选的各种数字总线输出（如MODBUS RS-485、V1等）、可选的4-20mA模拟量输入输出和开关量输入输出等，连接到控制室上位系统。
　　二、工况介绍
　　E+H公司雷达液位计分为计量级高精度雷达液位计Micropilot S FMR5xx系列、控制级雷达液位计Micropilot M FMR2xx系列以及缆式雷达Levelflex M FMP4x系列等三大系列，每系列各有不同类型的雷达天线，适用于不同的应用工况。本文就炼油厂罐区不同类型的储罐，展开论述其适用的雷达液位计以供参考。
　　炼油厂罐区主要分为原油罐区、汽油罐区、柴油罐区、航空煤油罐区、燃料油罐区、重油罐区、沥青罐区和液化气球罐区等，还有一些其它辅助储罐如MTBE储罐、扫线储罐、污油储罐、消防水罐等。
　　原油罐区主要是5、10万立方米的外浮顶罐，也有2万立方米左右的拱顶罐，一般在储罐底部装有加热盘管，对原油进行加热保温。在外浮顶原油罐上一般推荐使用专用于导波管的FMR532平面天线雷达液位计（精度±1mm，测量距离1~38m）安装于储罐的导向柱上，导向柱要求为DN150、DN200、DN250或DN300固定内径的金属管，且在侧壁对开两排小于1/10管径的圆孔、孔距应不小于30cm。FMR532雷达液位计的平面天线实际上是由若干个小天线组成的天线阵列，由其发射的雷达波能量集中在导波管的中间，与管壁接触部分能量很小，因此受导波管粗糙的内壁的影响很小，能够很好的抵抗原油挂壁对测量的影响。在拱顶原油罐上一般推荐使用FMR540小抛物面天线雷达液位计（精度±1mm，测量距离1~40m），其小抛物面天线的尺寸只有DN200，雷达波束角只有4度，因此可以安装在非常靠近罐壁的地方，以20m的储罐为例，可安装于离罐壁0.7m的位置而不受罐壁影响。
　　汽油罐区一般是2万立方米以下的内浮顶罐，推荐使用专用于导波管的FMR532平面天线雷达液位计（精度±1mm，测量距离1~38m）安装于储罐的导向柱上，对于小于DN150的导波管如DN100、DN80，可选用FMR530喇叭天线雷达液位计（精度±1mm，测量距离20m）。
　　柴油罐区、航空煤油罐区一般是2万立方米以下的拱顶罐，一般推荐使用FMR540小抛物面天线或小喇叭天线雷达液位计（精度±1mm，测量距离1~40m）。
　　燃料油罐区、重油罐区一般都是2万立方米以下的拱顶罐，一般在储罐底部装有加热盘管，对油品进行加热保温，可参照柴油罐区、航空煤油罐区选用FMR540小抛物面天线或小喇叭天线雷达液位计（精度±1mm，测量距离1~40m）。
　　沥青罐区一般是带加热盘管的拱顶罐，罐内温度可达摄氏150多度，而且容易在雷达天线上产生结焦。这种工况下一般推荐FMR533大抛物面天线雷达（精度±1mm，测量距离1~38m），其抛物面为DN450，可有效抵抗沥青在天线上结焦所产生的影响，长期稳定可靠工作。
　　液化气球罐区一般是1000立方米左右2.5MPa以下的高压常温球罐，推荐使用FMR532平面天线雷达液位计（精度±1mm，测量距离1~38m）安装于球罐的DN150导波管上，在雷达与球罐导波管之间加装一台同径手动球阀。当然在这种工况下有比雷达更适合的测量仪表，那就是E+H公司的伺服液位计NMS5（精度±0.7mm，测量距离1~36m），在此就不做论述了。
　　对于一些其它辅助储罐如MTBE储罐、扫线储罐、消防水罐等可采用缆式雷达Levelflex M FMP40（精度±3mm，测量距离35m）。而污油储罐可参考燃料油罐区、重油罐区选用FMR540小抛物面天线或小喇叭天线雷达液位计（精度±1mm，测量距离1~40m）。
　　以上雷达液位计均通过本安防爆HART通信协议连接到罐旁指示仪NRF590的本安接线腔，因此在罐上都可以带电开盖，进行在线调试维护等操作。又因为采用HART数字通信，而不是传统的4-20mA，所以液位测量值没有任何传输误差。
　　三、罐旁指示仪
　　罐旁指示仪NRF590作为测量系统单元核心，为雷达液位计和其它可选的罐区仪表如平均温度计、压力变送器等提供本安电源，采集所有与之相连的罐区仪表的测量值，进行各种储罐数据的计算与补偿，并实时显示测量值与自诊断信息等，通过各种可选的数字现场总线（如MODBUS RS-485、V1等）与控制室罐区管理系统相连。
　　罐旁指示仪NRF590内部集成了安全栅电路，从本安接线腔接入的现场信号经过安全栅电路进入NRF590进一步处理，然后通过现场LCD显示面板显示，并通过现场总线输出到控制室。这种设计方式既集成了面向储罐现场的本安防爆子系统，同时又集成了面向控制室的隔爆子系统，在不增加测量系统复杂性的前提下，大大提高了测量系统的安全性及可维护性。
　　罐旁指示仪NRF590支持HTG静压式储罐测量系统和HTMS混合式储罐测量系统，接入可选的压力变送器、平均温度计等，完成油品密度计算、罐体温度变形修正、罐体静压力变形修正等储罐专用算法，从而向用户提供更加专业的储罐实时数据。
　　罐旁指示仪NRF590采用了各种开放技术如HART通信协议、MODBUS RS-485现场总线输出、系统软件可升级技术等，同时十分重视本地化进程，现场显示操作拥有可选的中文菜单等，从用户的角度出发，真正实现了用户投资效益zui大化、实用安全zui优化。
　　四、系统构成
　　E+H公司全新的罐区上位系统TankVision集成了先进的工业以太网技术、跨平台的Web Server与Java技术、支持标准的HTML语言和XML语言，支持工业标准的MODBUS RS-485和MODBUS TCP/IP协议，采用模块化、标准化设计，共有3类模块：Tank Scanner、Data Concentrator和Host Link。这些模块通过工业以太网交换机连接在一起协同工作。
　　Tank Scanner接收一路从现场罐旁指示仪NRF590输出的现场总线信号（如MODBUS RS-485总线，一条总线zui多可连接15台罐旁指示仪NRF590），采集各储罐的液位、温度、密度等现场信号，根据用户定义的罐量计算标准、储罐容积表、各信号报警点等，进行罐量计算、报警检测、历史数据存储、报警与事件存储、生成报表等，并通过内置Web Server向外发布。也就是说，多台上位计算机（Windows系统、Linux系统等）通过网络浏览器（如IE、Firefox、Opera等）就能同时浏览Tank Scanner中各储罐的实时信息。
　　Data Concentrator用于收集多个Tank Scanner的数据，如炼油厂罐区具有数十个Tank Scanner，上位计算机的网络浏览器只须访问Data Concentrator，就能管理整个罐区。
　　如果需要把罐区数据送入DCS/PLC系统，就要用到Host Link，Host Link根据用户定义的数据项采集各Tank Scanner中各储罐的数据，通过MODBUS RS-232/485或MODBUS TCP/IP协议送入DCS/PLC系统。
　　TankVision同时集成了远程调试与诊断技术，通过Internet或Intranet运行E+H公司新开发的企业资产管理软件Fieldcare或调试软件ToF Tool就能调试与诊断现场的罐区仪表如罐旁指示仪NRF590、各种雷达液位计、平均温度计等。
　　五、结束语
　　当今世界石油资源越来越宝贵，在石油的炼制储运过程中各环节的节能降耗就显得非常重要，而我国的炼油企业对炼油装置的相关技术改造的同时，对罐区的自动控制与管理也越来越重视。在这种背景下，从中国用户的实际出发，结合世界工业自动化领域的先进技术，突出 “以人为本”的设计理念，贯彻本地化、专业化的思路大力推广新型雷达测量系统在炼油厂罐区的应用。本文是作者在实际工作中的一些经验所得，望起到“抛砖引玉”之功效，为我国炼油厂罐区的自动化测量水平更上一层楼而多做贡献。