超声波液位计在原油储油罐中的应用

液位测量在工业测量中应用极为广阔，准确的液位测量是生产过程控制的重要手段，在石油工业的罐类检测中更是如此。目前常用的储罐液位测量主要采用人工检尺法、机械法和静压法。

原油储油罐的内部的液位工况十分复杂，原油的物理特性不仅随产地变化，而且和气候也有极大的关系；同时，罐内的压力变化，弥漫的水蒸气、各种油基类挥发气体也对液位测量的准确性产生很大的影响。针对这一特殊的环境，许多针对罐内原油液位测量的专业仪表不断涌现，但多数都存在价格昂贵，安装施工复杂，有介质条件限制或者运行维护强度高的缺点。一般的液位测量方法，如直接用于油罐内液位测量，一般都存在测量精度的问题，以超声波为例，超声方法简单而且价格较低，探头可不直接与介质接触，但是其缺点也是显而易见的，就是容易受粉尘，烟气等环境干扰。

本文针对以上问题，提出有效的改良方案，使用超声波液位计测量罐内液位，使测量的成本和精度得到很好的兼顾。

 

                   

超声波在介质中传播时，有较好的方向性，波速与普通声波相同，且具有传播过程中能量损失较少，遇到分界面时能形成反射的特性，故可用回波测距的原理来间接测量液位，其基

本原理如图1 所示。E 通常被称作空高，设超声波的空气中波速为V，发射时刻T0，收到回波时刻为T1，则液位H 可表示为：

由上可见超声波液位的测量还是基于时差法，稍有不同的是测得距离需要和空高E 做差才能得到所需的液位信号H。

 

1.2 超声波测量液位中的衰减

超声在介质中传播，其能量将随着距离的增加而减小，这种现象称为超声波的衰减。噪声衰减的因素主要有两类。一类是声束本身扩散，使单位面积上的能量下降，或反射，散射的结果，使能量不能再沿着原来的方向传播。在这一类事件中，声波的总能量并没有减少。另一类是，超声传播中，由于介质的吸收，将声能转换成为热能，因而使声能减小。后一类的机理比较复杂，主要有粘滞吸收；弛豫吸收、相对运动吸收及空化气泡吸收。对于给定的频率的超声波，其强度和压强幅度都随着距离的增大而按指数规律下降，可表示为：

衰减系数在很大程度上依赖于频率。从上述的公式也容易解释超声波在远距离测距时选用高频探头的原因。原油油罐内的液面并不十分平静，有时还伴有烟气，此时的超声波衰减更大，因此一定的声强是罐内液位准确测量的前提。

 

1.3 系统简介

确定了总体方案后，以盘锦油田某小型采油站为试点，对测量系统进行了构建。基本系统如图 2 所示:

  

考虑到原油中存在相当数量的可燃气体（如甲烷和各种挥发类物质），选用了本安型一体化防爆型超声波液位计，输出带有模拟量和RS485 串行信号。由于油罐距离采油站办公室较

远，实测400m，检测的液位信号与上位机通讯采用了无线传输的方式，载频433MHz，该频点无需申请，由于无线模块内部采用专业的射频芯片，并融入了锁相环技术，灵敏度极高，空旷地带理论传输距离可达1.2km，并且协议透明，无需二次编程，只需简单的设置即可投入运行。计算机终端使用VB 自编的监测、管理软件,承担着油罐群的液位巡检、记录显示、管理和打印任务。

 

    2.1 干扰因素

实际的小型原油储油罐的实际结构如图3 所示，多为圆形卧罐，除了罐体内的底部有高低错综复杂的盘管（输油管，加热管）外，为了保证罐体具备足够的强度，罐体内部还有许多加强用的拉筋（简图中未标出）。

 

如果利用传统的超声波液位检测系统进行液位测量时，会导致测量结果存在误差，这些测量误差主要来源于以下几个方面:

(1) 由于超声波是散射波，超声波探头具有一定的波束角，那么在较低液位时，液面面积变小，露出油面的盘管和拉筋对超声波具有很强的回波反射，这样液位计的输出的液位信号就失去了实际的意义。

（2）在实地考察中还发现，抽油机在抽油时，需对原油进行加热以降低其粘度，从而获得良好的流动性，降低抽油阻力。因此油罐内的水蒸气地成为不可小视的干扰源，当水蒸气聚集在超声波探头下方时，液位计的输出经常会有“虚高”现象发生，同时罐内的沸点较低的挥发类物质，由于加热而形成的烟气也会对液位检测产生明显的干扰。

下表为加装探头后，某日连续现场采集的对比数据，单位为米：

备注：*1：由盘管及拉筋造成的回波干扰。*2：由烟气造成的虚高。

 

2.2 抗干扰措施

经过反复设计实验，特实践了如下改进措施：

（1）测量中采用导波管。导波管是一刚性的、内壁十分光滑的圆筒，理论上其内径大于超声波换能器直径即可。导波管的长度接近油罐的直径，上端焊装在与油罐冒口相配的法兰上，

靠近端部，在换能器的上侧开有8 个呼气导压微孔，下端插入盘管的缝隙,并没入最低液位以下5-10cm。导波管的运用，使得超声波只能在管内传播和反射，大大降低了无用回波的干扰，同时由于导波管相对封闭，也在一定程度上杜绝了水蒸气的给液位计造成的“虚高”干扰。加装导波管的油罐如图5 所示：

             

实际测量中为了解决原油在导波管内的挂壁问题，也可采用双导波管结构，其结构是在大导波管内装入一较细、较短的同轴导波管，两管的上端平齐，小导波管的长度很短，另一端不

没入原油液面，并在双管夹层中固定填充一些石棉，用于吸收杂波。

（2）在保证低液面测量灵敏度的基础上，大幅度降低换能器的功率，同时降低接收灵敏度，使干扰回波的强度比换能器可识别的阈值低很多，这样被液位计识别的回波就只能是有用回波，即液面回波。

（3）在加装的导波内放置圆形隔离浮板，浮板的厚度适中，直径略小与导波管内径。加隔离浮板的目的在于增强有效回波反射，同时有效消除液面泡沫的吸收干扰。

 

经过设计和实际跟踪调试，证明所设计的超声波液位检测系统是可行的，部分薄弱的环节经过改善后，出现的大部分干扰被成功抑制，对露天油罐群的检测可以长期运行，同时对原油罐内复杂工况的液位测量做到了成本与精度的兼顾, 具有广阔的应用前景。

* 创新声明：本项目真题真做，使用超声波液位计，并结合改造的导波管技术，发挥了超声波非接触检测和维护强度极低的优点，系统性能稳定使用，在中小油田设备改造

中具有广阔的应用前景，对类似的复杂工况物位检测也具有借鉴意义。

本项目产生的直接经济效益不低于10 万元

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