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西门子煤仓料位计探讨

作者:秦皇岛发电有限责任公司燃料部 来源:本站 发表时间:2019-5-9 22:12:37 查看:

要:火力发电厂煤仓作为燃煤的储存设备,其料位计的准确是上煤量的主要依据。 煤仓料位测量一直是个难点,目前市场上可以选择的料位计种类和品牌非常繁多,参差不齐。 介绍了目前最先进的西门子公司提供的料位测量设备,该料位计主要以超声波和雷达物位计等非接触式物位测量技术为主。

关键词:超声波;雷达;声阻匹配;24GHz;FMCW


中图分类号:TP212.1

火力发电厂煤仓作为燃煤的储存设备, 其料位计是上煤量的主要依据。部分国产小企业的煤仓料位计测量误差大,时有丢波现象、死机数值不变化等故障。 笔者了解到秦皇岛发电有限责任公司原采用美国 KM 公司的料位计,使用已超过 15 年,应变片已发生变化,料位采集不准确,运行人员不能将料位计作为煤位的计量依据,煤位基本依靠值班员现场用强光手电观察估算。 输煤集控室人员不能准确了解煤仓煤位,曾发生过由于不清楚煤仓煤位造成烧空仓,致使锅炉灭火事故。 为此燃料部不得不每天派运行班长、巡操、管理人员下到现场检查煤仓煤位,以免再次发生烧空仓现象。20 个煤仓增加了很大的工作量和风险。 另外由于煤位不准确,现场的犁煤器一直手动运行, 程控抬、落犁煤器不敢投入运行,造成现场值班员劳动强度增大。 为改变设备现状,公司准备对煤仓料位计设备进行改造,并于改造前对设备进行调研。 分别从设备选型、安装方式、日常维护三方面进行了考察。

1 超声波料位计技术特点

1.1 原理及应用

超声波料位计基于回波测距原理。超声波料位计大多采用气介导声的方式,即利用在空气中传播的超声脉冲在被测物体上被反射, 并接收其回波,超声脉冲来回传播的时间与声脉冲传播距离成正比, 测出声脉冲行程时间,就可据之算出物位。

收稿日期:2010-08-02

文献标识码:A

超声波在粗糙的固态表面(包括颗粒状物料表面)上的反射状况与声波波长表面粗糙度 (颗粒状物料的粒径)有关。 当表面粗糙度与声波波长接近或大于波长时,声波会产生漫反射,类似光波在毛玻璃上的反射。 由于漫反射的作用, 超声波的大部份能量都散射了,返回的只是一小部份能量,经常会因此导致失波的现象(见图 1),故测量固态料面时,很多厂商会选择比测量同样距离的液面发射更强 (大一倍或更大量程)的超声波能量。

用最为广泛的一种技术。 据测试,采用声阻匹配技术的超声波探头比普通的超声波探头的性能要提高 5~6 倍。

1.2.2 矩阵式声源系统

当量程增加时,超声波探头的发射能量也需要大大的增加,同时也需要降低发射频率来减少超声波能量在长距离的传输中衰减。 但是采用以上技术,也会带来一些“副作用”:波束角增大;超声波能量发散;探头表面的“自清洁” 功能不明显,容易粘结物料(见图 2);较低的发射频率容易受到自然噪声的干

避免会产生一些粉尘;而粉尘会吸收超声波的能量,而使回波能量被衰减。 因此,超声波技术一般都用于测量颗粒度

用了一种声阻匹配的技术来作为测量固体料位的主要技术。 采用低密度的介质紧贴在超声波发射表面,以降低超声波探头声阻,使发生的超声波能量衰减到最小。 这也是目前所有的超声波固体测量技术中成本最低、 可靠性最高、应

PIONEERING WITH SCIENCE & TECHNOLOGY MONTHLY NO.10 2010 191


科技创业

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多个(不是一个)晶振作为发射源,相对于普通的超声波探头,它的发射频率更高、波束角更小(可至 6°)。

1.2.3 两线制连线方式

西门子公司的超声波探头一般都采用两线制模式,除了进行传输和识别超声波探头脉冲信号,同时也进行温度信号的传输以实现温度补偿的作用。 不同于常见的三线制模式,两线制模式既可以选择双绞屏蔽线作为传输线缆,也可以选择抗干扰能力更强的同轴电缆。它的优点是:传输距离最长可达 365m,最大程度地实现多点测量;最有效地克服来自环境的噪声,使回波信号更加可靠稳定。

2 雷达料位计技术特点

2.1 原理及应用

微波物位计和超声波物位计一样,也是基于回波测距原理的物位测量方式。 不同的是,它是一种电磁波,在传播的过程不需要传输媒介的传递,因此基本上不需要考虑挥发性气体和蒸汽、温

度、压力(真空)、甚至粉尘的影响。

微波和所有的电磁波一样在自由空间中是以光速 300 000 000m / s)传播,电磁波到达目标并经反射返回接收器这一来回所用的时间几乎是瞬间的。西门子推出的 Sitrans LR460 固体型雷达是专门用于测量粉状固体料位的雷达物位计,比如:电厂的飞灰仓、粉煤仓、石灰石粉仓等。

2.2 技术特点

2.2.1 K 波段高频技术

微波物位计的典型波段为 5.8GHZ 10GHZ、24GHZ 通常人们称为 5.8GHZ

(或 6.3GHZ 的频率为 C 波段微波; 10GHZ 的频率为 X 波段微波;24GHZ

(或 26GHZ)的频率为 K 波段微波。

在过去很长一段时间,非接触式雷达物位测量技术被认为只能测量液体介质。 西门子提出采用 K 波段(24GHZ)的雷达测量技术,能大大改善雷达波在固体表面的发射效果,从而达到测量固体料位的理论。

这是因为,根据波的特性公式波的速度=波的频率 X 波长, 高频的微波相对低频的微波而言, 具有更小的波长,在倾斜的粗糙度的固体表面能够形成更多的发射,使微波测量固体的可靠性

192 科技创业月刊 2010年第10期

西门子煤仓料位计探讨

也大大提高了,目前这一理论已经被各家雷达物位计生产商所接受,并成为固体型雷达料位计的标准。 另外,由于采用高频率的微波技术,根据雷达天线增益的公式:G=η*(π*D / λ)2,其中η为孔径系数,D 为天线的尺寸,λ为微波的波长。 可以推出,采用 K 波段的雷达物位计可以采用较小的喇叭口得到较大的增益值, 因此一般 24GHZ 的雷达一般只需要采用 4 寸的喇叭口天线就可以得到非常好的性能,使安装变得更加方便。

2.2.2 FMCW 工作原理

FMCW 微波物位计采用线性的调制的高频信号。 它是一种基于复杂数学公式的间接测量方法,由频谱计算出物位距离。 天线发射出被线性调制的连续高频微波信号并进行扫描,同时接收返回信号。 发射微波信号和返回的微波信号之间的频率差与到介质表面的距离成一定比例关系。

采用 FMCW 原理的微波物位计都具有连续自校准的处理功能。 被处理的信号与一个表示已知固定距离的内部参照信号进行比较。 任何差值会自动得到补偿,这样消除了由温度波动或变送器内部电子部件老化引起的可能的测量漂移。采用 FMCW 的工作原理的雷达物位计的精度、稳定性和可靠性一般都要优于脉冲方式的雷达物位计。

固体料面由于本身的形状和表面特性比较复杂,而且还处于不断地变化中。因此, 料位测量结果的稳定性和可靠性的提高对于系统控制来说至关重要。

2.2.3 四线制供电

在粉尘大、量程大、料面安息角较大而导致能量散射严重的工况中,经常会因为回波信号微弱而导致失波,甚至仪表工作“死机”。 采用四线制的供电方式保证了仪表的发射功率较一般的两线制的雷达要强得多,使其可靠性达到最理想的状态。

3 安装和调试

3.1 安装位置的选择

尽可能选择远离进料口的位置,以避免在进料状态时,超声波或雷达波束感应到物料而造成误动作。 尽量保证在超声波或雷达在有效测量范围内的波束不会“接触”到任何障碍物,比如:人梯、横梁、搅拌器等。 测量点最好选择能够准确反映平均料位的位置。 如进料口是在中心位置的话,物料会在进料时形成中间高四周低的形状,将测量点选择在中间不能反映真实可信的料位。

3.2 瞄准器

在测量固体料位时,通常料位计不会安装在中心位置,而进料口是在中间位置,一般都需要用到瞄准器来调整探头的角度, 一般都是选择瞄准出料口。因为大多数固体料仓的底部是锥形的,在空仓的情况下,如果探头的安装是垂直往下的,那么就可能会造成回波打在料仓底部无法回收。 如调整瞄准器的安装角度,则可从物料上收到最有效的漫反射回波, 保证测量得到最可靠的回波。 超声波料位的瞄准器需要另外配置, 也可以自己简单地制作。 Sitrans LR460 固体型雷达则将瞄准器作为标准配置,并且为了适应工况需要———很多混凝土料仓的仓顶较厚,将喇叭口天线设计地比较长,可以深入仓内,以避免由于仓顶过厚造成的干扰。 而且, Sitrans LR460 固体型还提供了延长管的设计,以满足过长的安装立管的要求

(见图3)。

 

3.3 方便的调试

西门子公司的物位计设计了更加人性化的安全的现场仪表调试方式,它可以通过一种红外手操器对仪表进行参数设定,而不需要直接接触仪表显示屏进行操作, 使操作工人更加方便,而且,手操器本身也提供了本质安全的防爆认证,即使在防爆区内,也同样可以进行调试操作。

参考文献

1 史登跃,薛梅花.雷达料位计的原理及应

用[J].中国计量,2004(8)

(责任编辑 芝)

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