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石化油品储罐澳门新葡亰平台游戏app设计原理及应用

作者: 来源: 发布时间:2019-11-13 14:05:07

    摘要: 针对石化油品罐区液位测控系统,就国内某大型炼厂设计经验总结了不同工况下澳门新葡亰平台游戏app的选型及应用,详细分析了基于澳门新葡亰平台游戏app测量的系统设计及 FISCO( Fieldbus intrinsically safe concept) 本安结构实现。对汽油内浮顶储罐导波管的制作和安装注意事项进行了阐述,从现实工程实施角度上,提出了可行的方案。

    引言
    工业自动化的发展极大促进了石化领域自动化的发展,石化企业的生产过程中,油品储运是其中很重要的组成部分,而储运自动化则是发展的必然方向[1]。

    储罐的液位测量是储运自动化的关键,目前已经摆脱了以“人工检尺”为主的测量方法,此法只作为校验工具而存在。从 90 年代以来,随着智能仪表的发展,罐区计量逐步走入自动化领域,历经浮子钢带液 位 计、静 压 式 测 量、伺服式液位计等测量仪表[2]。澳门新葡亰平台游戏app的出现是罐区计量的又一突破,其具有在线检定和非接触式测量的特点,极大减少了仪表的维护工作。

    1 澳门新葡亰平台游戏app原理
    澳门新葡亰平台游戏app是一种利用高频微波信号技术的非接触式测量仪表。天线发射的高频雷达波经过物面的反射,雷达仪表接收装置检测到返回的雷达波,计算出发射波和反射波的时间差或者频率差,从而计算出物面的高度[3]。

    雷达波遇到被测物质容易被反射,被测介质的介电常数越大,反射回波越强。澳门新葡亰平台游戏app的主要组成部分是信号发生器、发射装置、天线、接收装置、信号处理单元等,其测量原理如下: 假设 d 是介质物面与罐顶距离,F 是储罐高度,则可以得出物位 L 的计算式为:

            L = F - d                     (1)

    1) 如若澳门新葡亰平台游戏app测量原理为时域脉冲法( Time Domain Reflectometry,TDR) ,澳门新葡亰平台游戏app测量脉冲往返被测介质物面的时间为 Δt,则相应计算d 得 

            d = cΔt /2                    (2)

    其中: c 为雷达波在储罐中传播的速度,即为光速。

    2) 如若澳门新葡亰平台游戏app测量原理为调频连续波( Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW) ,原理如图 1 所示。

 

1.jpg

    调频连续波( FMCW) 是经过线性调制的,其特点为随着时间的推移,天线发射的雷达波频率会呈现某范围内的线性增长趋势,线性增益为 k。当接收装置接收到雷达波时,频率接收和发射时必然存在频率差 Δf,有关系式

 

2.jpg

     由式( 4) 可以看出,根据物位回波信号与发射信号的频率差即可测出距离。距离 d 与 Δf 成正比, 即 Δf 越大,则 d 越大,相应物位 L 越小。

     由上述两种方法对比,FMCW 方法将直接测量时间差转换为测量内部产生的频率差,FMCW 法相较 TDR 法具有更高的测量精度[4]。可设置内部参考频率,使用数字晶体振荡器控制输出频率,以保证雷达频率变化的绝对线性。

    2 澳门新葡亰平台游戏app设计及应用
    2. 1 澳门新葡亰平台游戏app分类及选型
    澳门新葡亰平台游戏app依据不同的分类原则有不同的分类结果,但目前主要的分类为两种,一是依据计量精度分类,二是依据天线类型分类。

    按照计量精度分类,澳门新葡亰平台游戏app分为计量级和过程级,计量级精度高于过程级精度,计量级精度可达0. 5 ~1 mm,而过程级精度为 3 ~10 mm 或者更大。

    上述提到的两种澳门新葡亰平台游戏app测量原理,其中时域脉冲法测量较为简单,其计量误差会较大; 而针对调频连续波方法,时间差是由频率差计算得来,频率差是线性增益,故求取误差较小。因而,在采用澳门新葡亰平台游戏app进行过程控制时,若要求精度不需要太高,则测量原理一般为时域脉冲法; 如果用于贸易结算时,需要采用精度高的计量级,其测量原理一般为调频连续波法。

    1) 澳门新葡亰平台游戏app的聚焦和灵敏度由天线外形决定,依据澳门新葡亰平台游戏app的天线分类,主要有以下几种[5]:
    (1) 喇叭口天线
    喇叭口天线适用于大多数情况,常见于设计安装在拱顶储罐上,其聚焦特性好( 沥青或者类似产品不建议使用) 。此类天线的发射角与喇叭口直径和频率相关,相同频率下,直径越大,其发射角越小,聚焦能力越强。
    (2) 抛物面天线
    抛物面天线尺寸较大,雷达波能量集中,量程大,测量精度高,但硫磺、沥青等在较高温度下容易在天线上附着结焦。
    (3) 阵列天线
    阵列天线采用平面阵列技术,即多点发射源,与单点发射源相比,由于其测量基于一个平面而不是一个确定的点,故方向性好,可以与导波管配套使用。

    2) 天线是澳门新葡亰平台游戏app的关键部件,对于天线形式的选择在液位测量系统中格外重要,澳门新葡亰平台游戏app选型一般考虑如下几方面:

(1) 雷达的选型首先决定于罐区储罐的容量,对于大容量的储罐,要选择可靠性较高的液位测量仪表。

(2) 对于在罐区用于长输管道输送、装船等进行贸易结算的计量,其澳门新葡亰平台游戏app应选用计量级型。

(3) 根据储罐的形式选择合适的天线,如储罐为内浮顶罐,则澳门新葡亰平台游戏app须配用导波式,相配的天线类型为阵列天线。

(4) 依据存储介质的性质选用合适的天线类型,如介电常数较低时选用抛物面天线,可以达到较好的测量目的。

(5) 选型时根据被测介质介电常数、液面状况和操作条件等选择合适的过程接口。

    2. 2 澳门新葡亰平台游戏app项目应用
    项目中为常温汽油内浮顶罐( 20 000 m3) ,外形尺寸( 38 000 × 17 820) mm,液位测量采用 ROSE- MENT 5900 系列澳门新葡亰平台游戏app,选用带导波管阵列天线,信号发射频率在 10 GHz 左右,微波功率小于1 mW。汽油介电常数在 1. 9 左右,根据具体工况,澳门新葡亰平台游戏app选用 8 寸法兰连接。 5900 系列澳门新葡亰平台游戏app现场设备由两部分组成:液位变送器和储罐 Hub 终端。液位变送器由 Hub回路供电,数据通信采用 FF Tankbus 现场总线协议,本质安全的 FF Tankbus 符合 FISCO Foundation 现场总线标准,为测得储罐内液体的密度,在罐底设置压力变送器,压力变送器采用相应 FF 总线通信至储罐 Hub。本质安全 FISCO 菊花链结构如图 2 所示。

 

3.jpg

    如图 2 所示,储罐 Hub 有 2 个腔体,分为本安和非本安部分,本安侧为连接现场设备的 FF Tankbus现场总线,非本安侧 TRL/2 总线通信至机柜室 TCU。该项目澳门新葡亰平台游戏app应用于过程控制中,若应用于安全仪表系统时,在 SIL1 情况下,仪表内部有且只有一个终端电阻,而在 SIL2 和 SIL3 情况下,不设置终端电阻。

    依据《IEC 60079 - 27: Fieldbus intrinsically safe concept ( FISCO ) 》,FISCO 应满足相应条件[6], ROSEMENT 5900 系列各参数与 IEC 60079 - 27 对比见表 1。

 

4.jpg

    为符合现场应用要求,项目中 FF Tankbus 电缆采用 1. 5 mm2屏蔽双绞电缆。储罐 Hub 与机柜室内 TCU2460 ( 储罐通信单元) 之间的物理层协议采用专用 TRL /2 总线,其采用的频移数字通信技术抗干扰性强,通信距离远。实际项目中电缆最远通信距离 2. 5 km。作为将现场众多设备连接成整体的 TCU,考虑其重要性,设计为冗余。

    3 安装要求及导波管制作
    3. 1 澳门新葡亰平台游戏app安装要求
    澳门新葡亰平台游戏app的安装位置影响测量精度,应充分注意以下问题:

    1) 澳门新葡亰平台游戏app储罐开口位置离开储罐内壁距离大于澳门新葡亰平台游戏app安装法兰面距储罐底板高度的15% ,使用导波管无此限制。
    2) 为保证信号波无阻碍进入储罐内部,澳门新葡亰平台游戏app接口的法兰及连接管的总长度小于 250 mm。
    3) 若有导波管,导波管应垂直向下,允许偏差≤ 0. 5°; 水平度应为 ±1°。
    4) 安装时考虑储罐顶板强度,以免造成波动位移。
    5) 雷达波路径应避过内部障碍物,如支撑架、加热管及搅拌器等。
    6) 考虑液位条件,如避开进料口产生的紊流及泡沫。

    3. 2 导波管制作要求
    当储罐为浮顶罐或球罐时,应使用导波管; 在介质液面波动或产生泡沫时也应考虑加导波管。导波管不随设备成套购买,宜在现场由施工单位根据具体工况制作,导波管制作具体要求如下:

    1) 导波管材质应为不锈钢或碳钢,球罐时必须为不锈钢。

    2) 导波管应为整根,若需加长,须用外夹套焊接方法,间隙小于 1. 0 mm,焊接内壁不能有焊缝及毛刺,否则影响测量精度。

    3) 导波管底距罐底板为 100 ~ 150 mm,并加倾斜 45°雷达反射板。

    4) 为保证导波管内外等液位,导波管须间隔距离交叉开孔,导波管内平面需平滑,否则容易产生虚假液位的现象。开孔尺寸应适宜,不宜过大,以免造成管内液位波动; 也不宜过小,不能有效保证导波管内外液位一致。依据工程经验,开孔总尺寸与导波管直径尺寸对应如表 2 所示。

 

5.jpg

    也就是 MEMS 传感器向前倾斜的角度。随着持续的降水,在 14 ∶ 00 ~ 2 ∶ 00 时边坡的形变较为稳定, MEMS 传感器的合成倾角速率为 0.076°/h; 在 2 ∶ 00 ~ 6 ∶ 00时边坡的形变加剧,但 MEMS 传感器的合成倾角速率为0. 91°/h。可以看出 Z 轴变化明显, X 轴则没有太大变化,这是由于此时边坡的下滑相比于水平的变化更为剧烈,此时应发出边坡失稳预警; 6 ∶ 00 后 MEMS 传感器的各个倾角速率都骤然上升,这时边坡已经失稳,产生了滑坡。

    4 结语
    该文设计了一种基于 4G 无线传输的公路边坡监测传感系统,包含数据采集与发射装置和 MEMS倾角传感器,可实现全天候无人监测及数据远距离传输功能。解决了人工成本过高和数据难以远距离传输等问题。此外,该文还使用 4G 无线传输技术将终端报警与短信提示预警相结合,提高了预警效果。最终通过实验验证所设计的系统可稳定工作,满足设计要求。

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