馬志榮 李 勇 祝守麗 肖 剛 劉明川 傅俊義吳 波劉雙全田 雨 柳玉均

（1.克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學院石油工程系；2.中國石油天然氣股份有限公司新疆油田油氣儲運分公司；3.中國石油天然氣股份有限公司管道廊坊輸油氣分公司）

油罐液位計量是油罐儲油計量的主要方式，計量的準確性直接關系到國家的利益與安全［1］。雷達液位計的正常使用，對站隊收發(fā)油品、稠稀油配比、沉降放水及原油外輸?shù)绕鸬街陵P重要的作用，可以說雷達液位計是調(diào)度人員的“眼睛”。某外輸大型站庫主要完成原油來油儲存、稠稀油摻混調(diào)配及加熱加壓輸送等任務。該站現(xiàn)庫存油46萬方，儲油罐16座，油庫工藝復雜，切換流程頻繁，調(diào)度崗位人員可以通過分析羅斯蒙特雷達液位計（以下簡稱液位計）液位顯示系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)來迅速判斷流程切換是否有誤，一旦液位顯示系統(tǒng)故障就必須人工上罐檢查，增加了勞動強度和安全風險。因此，降低液位計液位顯示系統(tǒng)的故障率，關系到輸油生產(chǎn)的安全與油庫的平穩(wěn)運行。

1 液位計的工作原理

圖1 液位計工作原理

如圖1所示，液位計通過儲罐頂部的天線發(fā)射雷達信號來測量液體的液位。雷達信號被液面反射后，回波被天線接收。通過檢測該段空間的高度獲得罐內(nèi)空高，結(jié)合雷達安裝位置的實際高度就可以獲得罐內(nèi)的液位數(shù)據(jù)。通過現(xiàn)場通信單元（FCU）提供的連接上位計算機的RS485接口，可以傳輸液位等參數(shù)和報警信號，也可以通過上位計算機對智能雷達顯示儀進行控制［2］。

2 故障現(xiàn)場調(diào)查

2013～2017年，液位計故障率逐年上升 （圖2），查閱 2017年 1～12月《自動化、儀表故障登記表》和崗位交接班記錄，將液位計出現(xiàn)的故障情況匯總于表1。

圖2 液位計故障次數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

表1 液位計故障情況匯總

對2017年液位計現(xiàn)場故障情況進行進一步 歸納整理，統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 液位計故障統(tǒng)計結(jié)果

由表2可以看出，2017年，該站液位計出現(xiàn)故障共計16次，其中因雷達頭通信板燒壞、線路接頭損傷等造成的雷達數(shù)據(jù)傳輸故障多達7次，占總故障的43.75%；液位誤差故障共計6次，占總故障的37.50%。因此，數(shù)據(jù)傳輸故障與液位誤差故障是造成液位計顯示系統(tǒng)故障率高的主要因素。

3 故障原因分析

對上述故障的原因進行討論，并將故障成因的確認方法和標準列于表 3［3～6］。

表3 液位計數(shù)據(jù)傳輸故障和液位誤差故障原因確認

表3所列10個末端原因中，崗位人員技能培訓不到位、現(xiàn)場一次表失效、無法提供數(shù)據(jù)比對、雷達設備老化、系統(tǒng)軟件需更新、非接觸式雷達的局限性、上罐電纜老化、拆解維修過的雷達頭密封不嚴不是主要原因。液位計故障的主要原因有3個，分別是：液位偏差補償調(diào)整頻繁、混亂，軟件干擾回波處理失效，雷達波反射板腐蝕變形。

3.1 液位偏差補償調(diào)整頻繁、混亂

運行班組每月逢10、20、30日對靜態(tài)罐進行上罐量油盤庫，在每次盤庫后，站隊技術(shù)人員會對誤差較大、影響油位計算的液位進行偏差補償值修改，一般采取修改以回波從雷達頭發(fā)射到罐底的數(shù)值為基準的參考距離，按照上罐量油數(shù)據(jù)修正顯示液位的方式實現(xiàn)。2017年盤庫液位誤差記錄見表4。

綜合分析表4數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)液位誤差故障的始終是經(jīng)常修改誤差的 3#、4#、9#、12#罐， 偏差值見表5。

盤庫時對當時的靜態(tài)顯示液位進行罐高的“參考液位”修改，使之與人工量油所得數(shù)據(jù)顯示一致，此種方法其實并不妥當。由于不同液位下液位計的測量誤差不是定值，以一次盤庫結(jié)果修改罐的整體高度，無法從根本上消除實際油位與液位計顯示油位的誤差［7］。這就是修改過液位的油罐會一再發(fā)生液位誤差故障的原因。因此，要降低雷達液位系統(tǒng)液位顯示誤差，必須采取更合理的調(diào)整方法。

表4 盤庫時的液位誤差記錄

表5 常修改誤差罐液位誤差故障偏差值記錄 m

3.2 軟件干擾回波處理失效

當雷達液位顯示虛高或者錯誤液位時，可以在上位機系統(tǒng)找到該雷達頭的波形，越過藍線以上的雜亂曲線就是雜波與錯誤信號［8］（圖3）。

雷達液位系統(tǒng)利用軟件可以實現(xiàn)干擾回波處理、底波處理、空罐處理、滿罐處理、表面回波跟蹤和濾波6種高級功能。羅斯蒙特雷達液位計采用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）原理，比時間脈沖原理（PTOF）的儀表可靠性高，處理干擾回波能力強，精度可以達到±5mm。而在使用過程中，存在各種高溫、腐蝕等對液位測量的不利因素，導致儀表故障率高、使用周期短、信號變?nèi)跫俺霈F(xiàn)雜波等現(xiàn)象，需人工干預修改幅值門限值，并清理雜波［9］。

圖3 上位機系統(tǒng)雷達頭波形

3.3 雷達波反射板腐蝕變形

雷達液位測量應用在浮頂罐時必須使用一個反射板進行回波反射，《羅斯蒙特液位測量產(chǎn)品手冊》“非接觸式雷達安裝指南”中對進行液位測量的金屬反射板的選擇與安裝（圖4）提出了具體要求［10～12］。

圖4 液位測量金屬反射板的安裝示意圖

上罐對反射錯誤信號的雷達頭、反射板和線纜進行故障原因排除。分析得出反射板發(fā)生腐蝕變形的雷達液位顯示都不同程度地出現(xiàn)液位誤差故障和數(shù)據(jù)傳輸故障。

如圖5所示，變形嚴重的反射板板面彎曲，甚至無法測得其水平傾斜度，不符合產(chǎn)品手冊中關于金屬反射板的安裝要求，需要更換掉變形的雷達波反射板。

圖5 場站實際安裝反射板面變形情況

4 整改措施

4.1 優(yōu)化系統(tǒng)液位誤差調(diào)整方式

整改之前的修改方式可以簡單理解為通過修改罐高修正誤差，如圖6所示。

圖6 原油罐液位顯示偏差補償修改方式

經(jīng)研究，更改對油罐液位顯示誤差進行偏差補償修改的方式［13］。筆者提出的方法是：通過分析比對一個時間段內(nèi)某罐的誤差，找到平均偏差，僅修改“校準距離”，即僅對顯示液位進行誤差調(diào)整，將罐高的誤差修正清零，不影響標定的罐高數(shù)值，按照上罐量油的數(shù)據(jù)修正顯示液位［14］，如圖 7 所示。

圖7 筆者提出的油罐液位顯示偏差補償修改方式

同時，對崗位進行上罐量油操作的調(diào)度工做出如下要求：

a.每月10、20、30日對靜態(tài)罐進行上罐量油盤庫，嚴格遵守大罐量油操作規(guī)程，遵循計量油量的計算方法，量油數(shù)據(jù)要求將3次測量值取平均值，務必做到量油數(shù)據(jù)準確，具有參考價值［15］；

b.對于出現(xiàn)誤差的油罐和誤差數(shù)據(jù)要及時記錄，使液位修改有據(jù)可查，修改后能進行比對；

c.修改誤差值操作由專門的技術(shù)人員經(jīng)過數(shù)據(jù)分析比對后才能進行，崗位人員沒有修改權(quán)限。

4.2 干擾回波、雜波手動處理

4.2.1 用上位機液位顯示系統(tǒng)軟件調(diào)試回波

在雷達液位系統(tǒng)顯示虛高、誤差大等故障發(fā)生時，操作人員應在上罐量油并排除硬件故障之后，應用上位機液位顯示系統(tǒng)軟件對回波進行調(diào)試［16］。小組成員聯(lián)系廠家軟件工程人員，結(jié)合廠家技術(shù)人員指導，針對系統(tǒng)消除雜波、屏蔽錯誤信號步驟歸納出一套方法，具體如下：

a.右鍵點擊發(fā)生錯誤的雷達頭序列號，點擊properties屬性選項（圖 8a）；

b.選擇屬性框的configuration組態(tài)項，點擊tankScan雷達掃描，等待歷史數(shù)據(jù)進度讀取完畢（圖 8b）；

c.點擊右鍵 new amplitude threshold point，在反射峰處建立新的閾值點（圖8c）；

d.在新閾值點處按住左鍵，拉出選擇框放大調(diào)整區(qū)的波形圖，進行標記點微調(diào)修正回波，點擊“OK”保存并重啟該雷達（圖8d）。4.2.2 修改幅值門限值手動干擾回波

圖8 消除雜波、屏蔽錯誤信號的步驟

軟件干擾回波處理失效的解決辦法是修改幅值門限值，手動干擾回波，其具體的操作步驟如下：

a.右鍵點擊發(fā)生錯誤的雷達頭序列號，點擊properties屬性選項（圖 9a）；

b.選擇屬性框的configuration組態(tài)項，點擊tankScan雷達掃描，等待歷史數(shù)據(jù)進度讀取完畢（圖9b）；

c.干擾回波在門限值以內(nèi)，用戶定義干擾門限值，過濾掉弱的干擾回波（圖9c）；

d.在平靜條件下，設置門限值約為表面回波幅值的20%，以過濾、去除掉較弱的干擾回波（圖9d）。

圖9 修改幅值門限值手動干擾回波的步驟

4.3 修復或更換變形的反射板

對于雷達波反射板發(fā)生腐蝕變形的情況，采用以下方式修復或更換：

a.咨詢產(chǎn)品廠家，該反射板已屬淘汰產(chǎn)品，無法提供新品更換；

b.咨詢某公司技術(shù)人員，對方采用304不銹鋼制作反射板，所采購304不銹鋼板為1.2m×1.2m，用兩塊鋼板焊接，再切割成2m×1m的鋼板，但是焊接后的鋼板弧度大，無法達到金屬反射板的安裝要求［17］；

c.在優(yōu)選材料的過程中，自站內(nèi)廢舊物品中選取兩塊2m×1m的白板組合，通過水平設置使之能正確進行雷達波的發(fā)射。

整改措施實施后，確保了測量信號反射的通暢和正確傳輸，雷達液位終端能夠正常獲取數(shù)據(jù)。該方法成本低廉，而且信號反射強；但是，相較原產(chǎn)品鋁制信號板，使用周期更短，而且容易變形。

5 實施效果

2018年9月至2019年2月，再次統(tǒng)計現(xiàn)場雷達液位顯示系統(tǒng)的故障情況，詳見表6。可以看出，雷達液位顯示系統(tǒng)在維修前每月的平均故障率在1.33%，維修后降低到0.50%，故障率顯著降低。

表6 整改后液位顯示系統(tǒng)故障統(tǒng)計結(jié)果

5.1 經(jīng)濟效益

整改措施實施后，減少了雷達過程液位和信號傳輸故障發(fā)生的次數(shù)。由于該系統(tǒng)廠家指定維修人員常駐外市，一些故障需要指定維修人員解決，按一次往返路費200元計算，可節(jié)約費用為200元×13次=2600元。

現(xiàn)場維修次數(shù)減少。勞務支出按每人每天150元計算，工作量折合勞務支出費用節(jié)約了150元×2人×13次=3900元。

在數(shù)月時間里，共參與維修10套罐的雷達系統(tǒng)維護，解決故障12次，避免了出現(xiàn)故障后雷達頭的頻繁更換。通信板廠家報價每塊4萬元，雷達總成每只7萬元 （廠家雷達頭通信板不單賣，添置備件只能買一只總成雷達頭），可節(jié)約費用40萬元～70萬元。

維修2塊雷達波反射板，鋁皮反射板廠家報價每塊2萬元。小組使用站內(nèi)修舊利廢的白板4塊替代損件，共節(jié)約費用4萬元。

投入的一臺RTU控制系統(tǒng)電源柜價值3萬元；維修通信板費用30元×10個=300元。

綜上所述，此次維修更換液位計顯示系統(tǒng)，節(jié)約費用達到了41.62萬元～71.62萬元。

5.2 社會、安全與技術(shù)效益

2017年，該站年混油外輸量383萬噸，沒有因為處理液位計顯示系統(tǒng)故障中斷原油輸送工作，有力地配合了原油輸送任務的完成，產(chǎn)生了積極的社會效益。

本次整改，有效降低了液位計顯示系統(tǒng)故障發(fā)生的頻率，確保該站原油輸送工作的安全平穩(wěn)開展；同時保證了雷達液位系統(tǒng)的完好使用，避免員工爬罐量油帶來的安全風險隱患。

通過此次整改，對液位計的技術(shù)特性有了更進一步的認識，為今后的日常檢維修工作提供了技術(shù)保障。

6 建議

為了保障液位計顯示系統(tǒng)的精準運行，提出以下建議：

a.制定《雷達液位計維護與保養(yǎng)操作規(guī)程》，對該項制度進行貫徹，納入《油庫維修工崗位職責》，要求維修班進行定期維護保養(yǎng)；

b.嚴格檢查工作，將液位計的日常管理納入《運行班組交接班制度》，要求運行班組及時清理雨雪，確認數(shù)據(jù)正確；

c.要求調(diào)度工嚴格遵守 《大罐量油操作規(guī)程》，遵循計量油量計算方法，對出現(xiàn)的誤差進行及時計量，將站隊“逢十盤庫”要求細則納入《調(diào)度工崗位職責》。

7 結(jié)束語

在某庫，通過對羅斯蒙特雷達液位計顯示系統(tǒng)故障進行現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其故障原因主要有液位偏差補償調(diào)整頻繁、混亂，軟件干擾回波處理失效和雷達波反射板腐蝕變形3類，進行相應的整改措施后，經(jīng)濟效益、社會效益、安全效益與技術(shù)效益都得到了顯著提高，為日常檢維修工作提供了技術(shù)保障。