油罐的故事

Hans Westerlind和Melissa Ruths解释了最新的罐计量技术是如何帮助企业降低成本、提升效率和安全性的。

最新的罐计量技术可以帮助散装液体储存企业应付对效率、安全性和准确性日益增长的要求。

举例来说,开放式的系统架构可以让今天的设备安装更加容易,也可以在未来很方便地添加或者更换设备。这种灵活性保护了用户的投资,因此炼油厂和储油站的运行可以更加高效。更多的收益还包括更低的安装成本、高准确性和内置的安全性能。

测量数据的无线传输是另外一项可以带来成本节约的技术,它保证了高精度的灌计量,也意味着更好的库存管理,工厂的任何地点也更加安全,同时付出的成本比原来更少。

运营需求
自动化灌计量一般包括可以测量下列储罐数据的传感器:
• 液位
• 平均产品温度
• 压力(如果需要在线密度和质量)
• 自由水位(如果需要的话)。

这些数据一般通过人机界面(HMI)用于三个主要流程:
• 储罐终端操作监控(包括防止填装过满)
• 库存管理—计算储罐的净容量
• 交接—买卖散装液体

每一个流程都有具体的要求。对于终端运营来说,他们希望增加需求量;而罐体溶液的所有者则希望可以更快周转进而降低成本。如果有多个罐同时运营,报警功能和良好的操作员视野,对于安全和效率绝对必要。除此之外,历史数据趋势和打印报告也应该及时跟踪和建档。

对于库存和贸易交接等目的,体积测量的误差和不确定性都会带来很明显的经济影响。在一个大型原油储罐中,5毫米的液位测量误差和0.6摄氏度的温度误差,就意味着32立方米的原油。

 

在库存管理和贸易交接当中,体积测量的误差和不确定性都会带来很明显的财务影响。

考虑到交接量,在每年的运营当中一个储罐就会有数万美元的浪费。因此,精确计算出净体积,无论对于内部的财务还是外部纳税都是重要的库存数据。

此外,基于自动罐计量的贸易交接,需要转移的产品批次的非常精确的体积测量。很多国家都有专门机构对合法贸易交接中使用计量系统进行认证。这些机构中的大部分都接受根据OIML(国际计量法组织)标准的注册实验室认证和测试的计量设备。OIML标准的绩效要求是在参考环境下液位精度为大约1毫米,安装精度为2毫米。

雷达方式

因为雷达液位计量的可靠度非常高,没有移动元件,只需要在罐中部署天线/探头,它们在高精度的罐计量和流程液位测量中都广泛应用。

这种计量使用的仪表包括一个传感器探头和一个天线。在同一计量系列当中,一个传感器探头可以搭配多种天线,这样尽可能地减少了备件的数量。对于传感器探头和天线的搭配并不存在特别的压球,这也就意味着传感器探头可以在不开启罐体的情况下轻易更换。雷达液位测量方法的工作原理测量到产品表面的距离。使用在计量系统内存中存储的罐距离,然后计算液体表面的液位。现在主要使用两种调整技术:脉冲和调频连续波(FMCW)。

按照脉冲方法,雷达传感器将会测量一个脉冲从表面开始传送到返回的时间。时间差再转换成距离,就可以计算液位。注意,时间域反射计(TDR)技术是其中的一个特殊情况,它将一个低功率纳秒级脉冲从探头传送到流程介质表面,然后再返回。

而雷达液位计量使用的FMCW方法则可以获得很高的交接准确度。雷达计量向液体传送微波,微波信号的频率连续变化。当信号行进到液体表面然后返回到天线的时候,它会和此时正在传输的信号混合到一起。

FMCW方法意味着传输的雷达信号有一个线性的频率变化。从液体表面的反馈在频率上与接收反馈时天线发出的信号有一点差别,我们可以测量这个频率差别,差别的大小和天线到液体表面的距离成正比。这项技术测量的准确度非常高。

高端罐计量系统必须能够适应各种气候条件,各种温度情况。为了进一步加强准确度,可能会使用诸如数字参考和滴漏这些功能。

雷达计量需要一个内部参考,这样才能保证雷达扫描呈线性。这是因为线性带来的每一个偏差都会产生相应的不确定性,因为为了得到最高的精度,校准应该可以在线对传感器的频率进行调整。天线带有倾斜的抛光PTFE表面,这里发射微波不会受到冷凝水或者产品的影响。冷凝的水滴不会碰到天线的主动部分,对于雷达信号的强度影响也更小,因此提升了性能。

 

通过滴漏型天线,冷凝的水滴不会碰到天线的主动部分,对于雷达信号的强度影响很小。

为了实现高精确度,液位计量使用的雷达天线需要针对不同存储罐进行优化设计。

 

雷达天线类型:(l-r)抛物线型、喇叭形、静止管阵列、LPG/LNG。

抛物线天线

对于罐上安装的天线会采用优化设计,带有固定遮罩,没有静止管。这种抛物线型的天线设计对类似沥青这种粘稠状产品有极强的容忍能力。

抛物线型天线具有很高的天线增益和很高的信噪比,直径很大而量很窄,这就意味着它需要安装在津贴罐壁的位置上。抛物线型天线可以安装在现有的井盖上,典型的抛物线发射直径是440毫米,适用于标准的500毫米舱口。现在使用的罐体一般都可以安装这种天线。

喇叭形天线

喇叭形天线的设计是简化在200毫米或者更大喷嘴的固定顶棚罐体中的安装。它适用于除了沥青和上述抛物线天线适用的产品之外的很多油品和化学品。

静止管阵列天线

这种小型的阵列天线采用滴漏设计,带有一个倾斜的表面,可以安装在新的或者现有的静止管上面。典型的应用包括带有浮顶的原油储罐以及有或者没有浮顶的汽油/产品储罐。

为了实现最高的准确度,这种天线使用先进技术在管道中央传输雷达波。这几乎消除了由于管道中灰尘和产品沉积造成的信号和精确度下降的影响。静止管阵列天线有各种版本,可以安装在5、6、8、10和12寸管道当中,它还支持全管道尺寸产品采样或者人工验证。现在使用的罐体一般都可以安装这种天线。

LPG/LNG天线

LPG/LNG天线用于加压或者低温液化气的液位测量,比如LPG或者LNG。静止管中传输的雷达信号可以让计量有足够强的回音,即便是在表面已经沸腾的情况下。压力密封带有双阻断功能,包含有石英/陶瓷窗和防火球阀。

压力传感器可以实现由于蒸汽引起的体积误差修正,具有最佳的测量性能。参考设备功能还可以对现在使用的储罐进行测量验证。

连通

实施灵活系统架构的一种方式,就是围绕将罐上所有的测量设备连接到“罐中心”的Tankbus建立系统,这个所谓的中心一般位于罐的底部。通常,使用基于Modbus的现场总线向控制室传输数据。

 

基于Tankbus的灵活系统架构(右手边)可以将所有的测量设备与罐中心连接。

如果Tankbus基于诸如基金会现场总线这样的开放式工业标准,它就会集成所有支持这个通讯协议的设备。它可以自行配置,启动简单,因此不需要基金会现场总线的专业知识。系统可以包含很多类型的元件,建立小型或者大型的定制化罐计量系统。

因为采用模块化设计,系统以后可以轻易进行扩展和升级,适用于不同精度/绩效、功能或者系统输出的需求。系统还可以设计实现能耗最少,连接设备使用双线本安技术。这些设备稍后可以采用Tankbus驱动。这种解决方案的优势包括:

• 系统启动和运行的过程中更加安全
• 因为线缆更少,所有安装成本更低、更快、更简单
• 不需要昂贵的线缆导管

有效的灌区管理需要互操作功能和罐数据的远程接入。罐计量系统应该能够连接所有主流供应商的DCS、SCADA系统、工厂主机和终端自动化系统。

连接计量HMI软件的收益不仅仅是测量值,还包括可以传输计算的库存数据。通过OPC服务器或者Modbus还可以与办公室电脑和SCADA/DCS系统进行通讯。利用冗余功能,也有可能建立一个包括多台多服务器和带有罐计量HMI软件的客户端PC的网络。

防止溢出

所有的炼油厂、灌区和加油站都有责任保证不会发生溢出事件。根据需求的不同,罐计量设备应该按照IEC 61508-2和61508-3的要求进行认证。这个类型的系统可以提供高-高液位报警功能,具有分离的SIL-2或者SIL-3等级的继电器功能,报警电路可以触发安全继电器输出,驱动紧急停机系统(ESD)。

所谓的二合一解决方案,就是在一个传感器探头上包括两个电子封装,这样就可以安装液位计量仪,一个作为主要测量元件,另外一个作为备用;或者一个用作主要液位计量,另一个用作独立的雷达高-高液位报警。这种二合一解决方案与两台独立的计量仪不同,可以让机械和电子安装更加简单。

趋势是无线

很多罐储存设施都会从现代化非接触型计量设备中受益,这样就可以将陈旧的信号线缆从罐储存区域中移走。在这些工厂当中,计量系统的改造通常大量的资金和时间,因为储罐和控制室之间的距离一般都要超过一公里,这就意味着需要很多坑道和线缆。

因为预算的限制,很多工厂还在继续使用低水平的机械罐计量方式,会遇到很多维护上的问题。但是现在,通过创新的无线技术,新的雷达罐计量系统不再需要远程信号线缆,这就大大减少了物料和劳动力成本,同时也节约了工程和项目实施时间。

 

无线技术让新的雷达罐计量系统可以不再需要远程信号线缆。

将“无线适配器”连接到现有的罐计量系统上,使用无线Hart通讯可以将全部罐储存数据发送到控制室。自组织网络可以保证即便是在存在大型机械障碍(比如储罐)的情况下,也能实现不间断的数据通讯。

每一个无线适配器都可以充当网络连接器和后备连接器,这样就不会出现单一的失效点。所有的数据传输都受到一个128位加密保护,具有最佳的安全性能。控制室使用无线网关接收数据,然后传递给库存管理软件或者DCS系统。除此之外,还会传送所有来自多点温度传感器、压力传感器和水底液位传感器的数据。

无线罐计量也意味着,现在可以使用之前不可想象的偏远位置上的罐的存储数据。对于那些已经在使用无线网络的工厂,安装计量系统会更加容易,因为他们可以使用其他设备的网格节点。

Hans Westerlind是艾默生过程管理液位业务营销经理,Melissa Ruths是艾默生过程管理亚太地区液位业务发展经理。

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