E+H雷達測量系統(tǒng)在煉油廠罐區(qū)的應(yīng)用
2007/12/29 11:10:00
一、概述
Endress+Hauser（恩德斯+豪斯，簡稱E+H公司）是一家世界著名的國際性集團公司，專業(yè)生產(chǎn)物位、流量、壓力、溫度、密度、水分析和環(huán)境監(jiān)測、現(xiàn)場通訊、記錄儀、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)和罐區(qū)和中小型FCS系統(tǒng)等。其專用于罐區(qū)的雷達液位測量系統(tǒng)獨具特色，突出體現(xiàn)了“以人為本”的設(shè)計理念。
該測量系統(tǒng)以單個儲罐作為一個測量系統(tǒng)單元，罐旁指示儀NRF590作為測量系統(tǒng)單元核心，所有儲罐上的測量儀表如雷達液位計、平均溫度計、壓力變送器等都設(shè)計成本安防爆型儀表，接入罐旁指示儀的本安接線腔，罐旁指示儀的隔爆接線腔具有可選的各種數(shù)字總線輸出（如MODBUS RS-485、V1等）、可選的4-20mA模擬量輸入輸出和開關(guān)量輸入輸出等，連接到控制室上位系統(tǒng)。
二、工況介紹
E+H公司雷達液位計分為計量級高精度雷達液位計Micropilot S FMR5xx系列、控制級雷達液位計Micropilot M FMR2xx系列以及纜式雷達Levelflex M FMP4x系列等三大系列，每系列各有不同類型的雷達天線，適用于不同的應(yīng)用工況。本文就煉油廠罐區(qū)不同類型的儲罐，展開論述其適用的雷達液位計以供參考。
煉油廠罐區(qū)主要分為原油罐區(qū)、汽油罐區(qū)、柴油罐區(qū)、航空煤油罐區(qū)、燃料油罐區(qū)、重油罐區(qū)、瀝青罐區(qū)和液化氣球罐區(qū)等，還有一些其它輔助儲罐如MTBE儲罐、掃線儲罐、污油儲罐、消防水罐等。
原油罐區(qū)主要是5、10萬立方米的外浮頂罐，也有2萬立方米左右的拱頂罐，一般在儲罐底部裝有加熱盤管，對原油進行加熱保溫。在外浮頂原油罐上一般推薦使用專用于導(dǎo)波管的FMR532平面天線雷達液位計（精度±1mm，測量距離1~38m）安裝于儲罐的導(dǎo)向柱上，導(dǎo)向柱要求為DN150、DN200、DN250或DN300固定內(nèi)徑的金屬管，且在側(cè)壁對開兩排小于1/10管徑的圓孔、孔距應(yīng)不小于30cm。FMR532雷達液位計的平面天線實際上是由若干個小天線組成的天線陣列，由其發(fā)射的雷達波能量集中在導(dǎo)波管的中間，與管壁接觸部分能量很小，因此受導(dǎo)波管粗糙的內(nèi)壁的影響很小，能夠很好的抵抗原油掛壁對測量的影響。在拱頂原油罐上一般推薦使用FMR540小拋物面天線雷達液位計（精度±1mm，測量距離1~40m），其小拋物面天線的尺寸只有DN200，雷達波束角只有4度，因此可以安裝在非常靠近罐壁的地方，以20m的儲罐為例，可安裝于離罐壁0.7m的位置而不受罐壁影響。
汽油罐區(qū)一般是2萬立方米以下的內(nèi)浮頂罐，推薦使用專用于導(dǎo)波管的FMR532平面天線雷達液位計（精度±1mm，測量距離1~38m）安裝于儲罐的導(dǎo)向柱上，對于小于DN150的導(dǎo)波管如DN100、DN80，可選用FMR530喇叭天線雷達液位計（精度±1mm，測量距離20m）。
柴油罐區(qū)、航空煤油罐區(qū)一般是2萬立方米以下的拱頂罐，一般推薦使用FMR540小拋物面天線或小喇叭天線雷達液位計（精度±1mm，測量距離1~40m）。
燃料油罐區(qū)、重油罐區(qū)一般都是2萬立方米以下的拱頂罐，一般在儲罐底部裝有加熱盤管，對油品進行加熱保溫，可參照柴油罐區(qū)、航空煤油罐區(qū)選用FMR540小拋物面天線或小喇叭天線雷達液位計（精度±1mm，測量距離1~40m）。
瀝青罐區(qū)一般是帶加熱盤管的拱頂罐，罐內(nèi)溫度可達攝氏150多度，而且容易在雷達天線上產(chǎn)生結(jié)焦。這種工況下一般推薦FMR533大拋物面天線雷達（精度±1mm，測量距離1~38m），其拋物面為DN450，可有效抵抗瀝青在天線上結(jié)焦所產(chǎn)生的影響，長期穩(wěn)定可靠工作。
液化氣球罐區(qū)一般是1000立方米左右2.5MPa以下的高壓常溫球罐，推薦使用FMR532平面天線雷達液位計（精度±1mm，測量距離1~38m）安裝于球罐的DN150導(dǎo)波管上，在雷達與球罐導(dǎo)波管之間加裝一臺同徑手動球閥。當然在這種工況下有比雷達更適合的測量儀表，那就是E+H公司的伺服液位計NMS5（精度±0.7mm，測量距離1~36m），在此就不做論述了。
對于一些其它輔助儲罐如MTBE儲罐、掃線儲罐、消防水罐等可采用纜式雷達Levelflex M FMP40（精度±3mm，測量距離35m）。而污油儲罐可參考燃料油罐區(qū)、重油罐區(qū)選用FMR540小拋物面天線或小喇叭天線雷達液位計（精度±1mm，測量距離1~40m）。
以上雷達液位計均通過本安防爆HART通信協(xié)議連接到罐旁指示儀NRF590的本安接線腔，因此在罐上都可以帶電開蓋，進行在線調(diào)試維護等操作。又因為采用HART數(shù)字通信，而不是傳統(tǒng)的4-20mA，所以液位測量值沒有任何傳輸誤差。
三、罐旁指示儀
罐旁指示儀NRF590作為測量系統(tǒng)單元核心，為雷達液位計和其它可選的罐區(qū)儀表如平均溫度計、壓力變送器等提供本安電源，采集所有與之相連的罐區(qū)儀表的測量值，進行各種儲罐數(shù)據(jù)的計算與補償，并實時顯示測量值與自診斷信息等，通過各種可選的數(shù)字現(xiàn)場總線（如MODBUS RS-485、V1等）與控制室罐區(qū)管理系統(tǒng)相連。
罐旁指示儀NRF590內(nèi)部集成了安全柵電路，從本安接線腔接入的現(xiàn)場信號經(jīng)過安全柵電路進入NRF590進一步處理，然后通過現(xiàn)場LCD顯示面板顯示，并通過現(xiàn)場總線輸出到控制室。這種設(shè)計方式既集成了面向儲罐現(xiàn)場的本安防爆子系統(tǒng)，同時又集成了面向控制室的隔爆子系統(tǒng)，在不增加測量系統(tǒng)復(fù)雜性的前提下，大大提高了測量系統(tǒng)的安全性及可維護性。
罐旁指示儀NRF590支持HTG靜壓式儲罐測量系統(tǒng)和HTMS混合式儲罐測量系統(tǒng)，接入可選的壓力變送器、平均溫度計等，完成油品密度計算、罐體溫度變形修正、罐體靜壓力變形修正等儲罐專用算法，從而向用戶提供更加專業(yè)精準的儲罐實時數(shù)據(jù)。
罐旁指示儀NRF590采用了各種開放技術(shù)如HART通信協(xié)議、MODBUS RS-485現(xiàn)場總線輸出、系統(tǒng)軟件可升級技術(shù)等，同時十分重視本地化進程，現(xiàn)場顯示操作擁有可選的中文菜單等，從用戶的角度出發(fā)，真正實現(xiàn)了用戶投資效益最大化、實用安全最優(yōu)化。
四、系統(tǒng)構(gòu)成
E+H公司全新的罐區(qū)上位系統(tǒng)TankVision集成了先進的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、跨平臺的Web Server與Java技術(shù)、支持標準的HTML語言和XML語言，支持工業(yè)標準的MODBUS RS-485和MODBUS TCP/IP協(xié)議，采用模塊化、標準化設(shè)計，共有3類模塊：Tank Scanner、Data Concentrator和Host Link。這些模塊通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機連接在一起協(xié)同工作。
Tank Scanner接收一路從現(xiàn)場罐旁指示儀NRF590輸出的現(xiàn)場總線信號（如MODBUS RS-485總線，一條總線最多可連接15臺罐旁指示儀NRF590），采集各儲罐的液位、溫度、密度等現(xiàn)場信號，根據(jù)用戶定義的罐量計算標準、儲罐容積表、各信號報警點等，進行罐量計算、報警檢測、歷史數(shù)據(jù)存儲、報警與事件存儲、生成報表等，并通過內(nèi)置Web Server向外發(fā)布。也就是說，多臺上位計算機（Windows系統(tǒng)、Linux系統(tǒng)等）通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器（如IE、Firefox、Opera等）就能同時瀏覽Tank Scanner中各儲罐的實時信息。
Data Concentrator用于收集多個Tank Scanner的數(shù)據(jù)，如煉油廠罐區(qū)具有數(shù)十個Tank Scanner，上位計算機的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器只須訪問Data Concentrator，就能管理整個罐區(qū)。
如果需要把罐區(qū)數(shù)據(jù)送入DCS/PLC系統(tǒng)，就要用到Host Link，Host Link根據(jù)用戶定義的數(shù)據(jù)項采集各Tank Scanner中各儲罐的數(shù)據(jù)，通過MODBUS RS-232/485或MODBUS TCP/IP協(xié)議送入DCS/PLC系統(tǒng)。
TankVision同時集成了遠程調(diào)試與診斷技術(shù)，通過Internet或Intranet運行E+H公司新開發(fā)的企業(yè)資產(chǎn)管理軟件Fieldcare或調(diào)試軟件ToF Tool就能調(diào)試與診斷現(xiàn)場的罐區(qū)儀表如罐旁指示儀NRF590、各種雷達液位計、平均溫度計等。
五、結(jié)束語
當今世界石油資源越來越寶貴，在石油的煉制儲運過程中各環(huán)節(jié)的節(jié)能降耗就顯得非常重要，而我國的煉油企業(yè)對煉油裝置的相關(guān)技術(shù)改造的同時，對罐區(qū)的自動控制與管理也越來越重視。在這種背景下，從中國用戶的實際出發(fā)，結(jié)合世界工業(yè)自動化領(lǐng)域的先進技術(shù)，突出 “以人為本”的設(shè)計理念，貫徹本地化、專業(yè)化的思路大力推廣新型雷達測量系統(tǒng)在煉油廠罐區(qū)的應(yīng)用。本文是作者在實際工作中的一些經(jīng)驗所得，望起到“拋磚引玉”之功效，為我國煉油廠罐區(qū)的自動化測量水平更上一層樓而多做貢獻。
Endress+Hauser（恩德斯+豪斯，簡稱E+H公司）是一家世界著名的國際性集團公司，專業(yè)生產(chǎn)物位、流量、壓力、溫度、密度、水分析和環(huán)境監(jiān)測、現(xiàn)場通訊、記錄儀、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)和罐區(qū)和中小型FCS系統(tǒng)等。其專用于罐區(qū)的雷達液位測量系統(tǒng)獨具特色，突出體現(xiàn)了“以人為本”的設(shè)計理念。
該測量系統(tǒng)以單個儲罐作為一個測量系統(tǒng)單元，罐旁指示儀NRF590作為測量系統(tǒng)單元核心，所有儲罐上的測量儀表如雷達液位計、平均溫度計、壓力變送器等都設(shè)計成本安防爆型儀表，接入罐旁指示儀的本安接線腔，罐旁指示儀的隔爆接線腔具有可選的各種數(shù)字總線輸出（如MODBUS RS-485、V1等）、可選的4-20mA模擬量輸入輸出和開關(guān)量輸入輸出等，連接到控制室上位系統(tǒng)。
二、工況介紹
E+H公司雷達液位計分為計量級高精度雷達液位計Micropilot S FMR5xx系列、控制級雷達液位計Micropilot M FMR2xx系列以及纜式雷達Levelflex M FMP4x系列等三大系列，每系列各有不同類型的雷達天線，適用于不同的應(yīng)用工況。本文就煉油廠罐區(qū)不同類型的儲罐，展開論述其適用的雷達液位計以供參考。
煉油廠罐區(qū)主要分為原油罐區(qū)、汽油罐區(qū)、柴油罐區(qū)、航空煤油罐區(qū)、燃料油罐區(qū)、重油罐區(qū)、瀝青罐區(qū)和液化氣球罐區(qū)等，還有一些其它輔助儲罐如MTBE儲罐、掃線儲罐、污油儲罐、消防水罐等。
原油罐區(qū)主要是5、10萬立方米的外浮頂罐，也有2萬立方米左右的拱頂罐，一般在儲罐底部裝有加熱盤管，對原油進行加熱保溫。在外浮頂原油罐上一般推薦使用專用于導(dǎo)波管的FMR532平面天線雷達液位計（精度±1mm，測量距離1~38m）安裝于儲罐的導(dǎo)向柱上，導(dǎo)向柱要求為DN150、DN200、DN250或DN300固定內(nèi)徑的金屬管，且在側(cè)壁對開兩排小于1/10管徑的圓孔、孔距應(yīng)不小于30cm。FMR532雷達液位計的平面天線實際上是由若干個小天線組成的天線陣列，由其發(fā)射的雷達波能量集中在導(dǎo)波管的中間，與管壁接觸部分能量很小，因此受導(dǎo)波管粗糙的內(nèi)壁的影響很小，能夠很好的抵抗原油掛壁對測量的影響。在拱頂原油罐上一般推薦使用FMR540小拋物面天線雷達液位計（精度±1mm，測量距離1~40m），其小拋物面天線的尺寸只有DN200，雷達波束角只有4度，因此可以安裝在非常靠近罐壁的地方，以20m的儲罐為例，可安裝于離罐壁0.7m的位置而不受罐壁影響。
汽油罐區(qū)一般是2萬立方米以下的內(nèi)浮頂罐，推薦使用專用于導(dǎo)波管的FMR532平面天線雷達液位計（精度±1mm，測量距離1~38m）安裝于儲罐的導(dǎo)向柱上，對于小于DN150的導(dǎo)波管如DN100、DN80，可選用FMR530喇叭天線雷達液位計（精度±1mm，測量距離20m）。
柴油罐區(qū)、航空煤油罐區(qū)一般是2萬立方米以下的拱頂罐，一般推薦使用FMR540小拋物面天線或小喇叭天線雷達液位計（精度±1mm，測量距離1~40m）。
燃料油罐區(qū)、重油罐區(qū)一般都是2萬立方米以下的拱頂罐，一般在儲罐底部裝有加熱盤管，對油品進行加熱保溫，可參照柴油罐區(qū)、航空煤油罐區(qū)選用FMR540小拋物面天線或小喇叭天線雷達液位計（精度±1mm，測量距離1~40m）。
瀝青罐區(qū)一般是帶加熱盤管的拱頂罐，罐內(nèi)溫度可達攝氏150多度，而且容易在雷達天線上產(chǎn)生結(jié)焦。這種工況下一般推薦FMR533大拋物面天線雷達（精度±1mm，測量距離1~38m），其拋物面為DN450，可有效抵抗瀝青在天線上結(jié)焦所產(chǎn)生的影響，長期穩(wěn)定可靠工作。
液化氣球罐區(qū)一般是1000立方米左右2.5MPa以下的高壓常溫球罐，推薦使用FMR532平面天線雷達液位計（精度±1mm，測量距離1~38m）安裝于球罐的DN150導(dǎo)波管上，在雷達與球罐導(dǎo)波管之間加裝一臺同徑手動球閥。當然在這種工況下有比雷達更適合的測量儀表，那就是E+H公司的伺服液位計NMS5（精度±0.7mm，測量距離1~36m），在此就不做論述了。
對于一些其它輔助儲罐如MTBE儲罐、掃線儲罐、消防水罐等可采用纜式雷達Levelflex M FMP40（精度±3mm，測量距離35m）。而污油儲罐可參考燃料油罐區(qū)、重油罐區(qū)選用FMR540小拋物面天線或小喇叭天線雷達液位計（精度±1mm，測量距離1~40m）。
以上雷達液位計均通過本安防爆HART通信協(xié)議連接到罐旁指示儀NRF590的本安接線腔，因此在罐上都可以帶電開蓋，進行在線調(diào)試維護等操作。又因為采用HART數(shù)字通信，而不是傳統(tǒng)的4-20mA，所以液位測量值沒有任何傳輸誤差。
三、罐旁指示儀
罐旁指示儀NRF590作為測量系統(tǒng)單元核心，為雷達液位計和其它可選的罐區(qū)儀表如平均溫度計、壓力變送器等提供本安電源，采集所有與之相連的罐區(qū)儀表的測量值，進行各種儲罐數(shù)據(jù)的計算與補償，并實時顯示測量值與自診斷信息等，通過各種可選的數(shù)字現(xiàn)場總線（如MODBUS RS-485、V1等）與控制室罐區(qū)管理系統(tǒng)相連。
罐旁指示儀NRF590內(nèi)部集成了安全柵電路，從本安接線腔接入的現(xiàn)場信號經(jīng)過安全柵電路進入NRF590進一步處理，然后通過現(xiàn)場LCD顯示面板顯示，并通過現(xiàn)場總線輸出到控制室。這種設(shè)計方式既集成了面向儲罐現(xiàn)場的本安防爆子系統(tǒng)，同時又集成了面向控制室的隔爆子系統(tǒng)，在不增加測量系統(tǒng)復(fù)雜性的前提下，大大提高了測量系統(tǒng)的安全性及可維護性。
罐旁指示儀NRF590支持HTG靜壓式儲罐測量系統(tǒng)和HTMS混合式儲罐測量系統(tǒng)，接入可選的壓力變送器、平均溫度計等，完成油品密度計算、罐體溫度變形修正、罐體靜壓力變形修正等儲罐專用算法，從而向用戶提供更加專業(yè)精準的儲罐實時數(shù)據(jù)。
罐旁指示儀NRF590采用了各種開放技術(shù)如HART通信協(xié)議、MODBUS RS-485現(xiàn)場總線輸出、系統(tǒng)軟件可升級技術(shù)等，同時十分重視本地化進程，現(xiàn)場顯示操作擁有可選的中文菜單等，從用戶的角度出發(fā)，真正實現(xiàn)了用戶投資效益最大化、實用安全最優(yōu)化。
四、系統(tǒng)構(gòu)成
E+H公司全新的罐區(qū)上位系統(tǒng)TankVision集成了先進的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、跨平臺的Web Server與Java技術(shù)、支持標準的HTML語言和XML語言，支持工業(yè)標準的MODBUS RS-485和MODBUS TCP/IP協(xié)議，采用模塊化、標準化設(shè)計，共有3類模塊：Tank Scanner、Data Concentrator和Host Link。這些模塊通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機連接在一起協(xié)同工作。
Tank Scanner接收一路從現(xiàn)場罐旁指示儀NRF590輸出的現(xiàn)場總線信號（如MODBUS RS-485總線，一條總線最多可連接15臺罐旁指示儀NRF590），采集各儲罐的液位、溫度、密度等現(xiàn)場信號，根據(jù)用戶定義的罐量計算標準、儲罐容積表、各信號報警點等，進行罐量計算、報警檢測、歷史數(shù)據(jù)存儲、報警與事件存儲、生成報表等，并通過內(nèi)置Web Server向外發(fā)布。也就是說，多臺上位計算機（Windows系統(tǒng)、Linux系統(tǒng)等）通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器（如IE、Firefox、Opera等）就能同時瀏覽Tank Scanner中各儲罐的實時信息。
Data Concentrator用于收集多個Tank Scanner的數(shù)據(jù)，如煉油廠罐區(qū)具有數(shù)十個Tank Scanner，上位計算機的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器只須訪問Data Concentrator，就能管理整個罐區(qū)。
如果需要把罐區(qū)數(shù)據(jù)送入DCS/PLC系統(tǒng)，就要用到Host Link，Host Link根據(jù)用戶定義的數(shù)據(jù)項采集各Tank Scanner中各儲罐的數(shù)據(jù)，通過MODBUS RS-232/485或MODBUS TCP/IP協(xié)議送入DCS/PLC系統(tǒng)。
TankVision同時集成了遠程調(diào)試與診斷技術(shù)，通過Internet或Intranet運行E+H公司新開發(fā)的企業(yè)資產(chǎn)管理軟件Fieldcare或調(diào)試軟件ToF Tool就能調(diào)試與診斷現(xiàn)場的罐區(qū)儀表如罐旁指示儀NRF590、各種雷達液位計、平均溫度計等。
五、結(jié)束語
當今世界石油資源越來越寶貴，在石油的煉制儲運過程中各環(huán)節(jié)的節(jié)能降耗就顯得非常重要，而我國的煉油企業(yè)對煉油裝置的相關(guān)技術(shù)改造的同時，對罐區(qū)的自動控制與管理也越來越重視。在這種背景下，從中國用戶的實際出發(fā)，結(jié)合世界工業(yè)自動化領(lǐng)域的先進技術(shù)，突出 “以人為本”的設(shè)計理念，貫徹本地化、專業(yè)化的思路大力推廣新型雷達測量系統(tǒng)在煉油廠罐區(qū)的應(yīng)用。本文是作者在實際工作中的一些經(jīng)驗所得，望起到“拋磚引玉”之功效，為我國煉油廠罐區(qū)的自動化測量水平更上一層樓而多做貢獻。
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