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西門子煤倉料位計探討

作者:秦皇島發電有限責任公司燃料部 來源:本站 發表時間:2019-5-9 22:12:37 查看:

要:火力發電廠煤倉作為燃煤的儲存設備,其料位計的準確是上煤量的主要依據。 煤倉料位測量一直是個難點,目前市場上可以選擇的料位計種類和品牌非常繁多,參差不齊。 介紹了目前最先進的西門子公司提供的料位測量設備,該料位計主要以超聲波和雷達物位計等非接觸式物位測量技術為主。

關鍵詞:超聲波;雷達;聲阻匹配;24GHz;FMCW


中圖分類號:TP212.1

火力發電廠煤倉作為燃煤的儲存設備, 其料位計是上煤量的主要依據。部分國產小企業的煤倉料位計測量誤差大,時有丟波現象、死機數值不變化等故障。 筆者了解到秦皇島發電有限責任公司原采用美國 KM 公司的料位計,使用已超過 15 年,應變片已發生變化,料位采集不準確,運行人員不能將料位計作為煤位的計量依據,煤位基本依靠值班員現場用強光手電觀察估算。 輸煤集控室人員不能準確了解煤倉煤位,曾發生過由于不清楚煤倉煤位造成燒空倉,致使鍋爐滅火事故。 為此燃料部不得不每天派運行班長、巡操、管理人員下到現場檢查煤倉煤位,以免再次發生燒空倉現象。20 個煤倉增加了很大的工作量和風險。 另外由于煤位不準確,現場的犁煤器一直手動運行, 程控抬、落犁煤器不敢投入運行,造成現場值班員勞動強度增大。 為改變設備現狀,公司準備對煤倉料位計設備進行改造,并于改造前對設備進行調研。 分別從設備選型、安裝方式、日常維護三方面進行了考察。

1 超聲波料位計技術特點

1.1 原理及應用

超聲波料位計基于回波測距原理。超聲波料位計大多采用氣介導聲的方式,即利用在空氣中傳播的超聲脈沖在被測物體上被反射, 并接收其回波,超聲脈沖來回傳播的時間與聲脈沖傳播距離成正比, 測出聲脈沖行程時間,就可據之算出物位。

收稿日期:2010-08-02

文獻標識碼:A

超聲波在粗糙的固態表面(包括顆粒狀物料表面)上的反射狀況與聲波波長表面粗糙度 (顆粒狀物料的粒徑)有關。 當表面粗糙度與聲波波長接近或大于波長時,聲波會產生漫反射,類似光波在毛玻璃上的反射。 由于漫反射的作用, 超聲波的大部份能量都散射了,返回的只是一小部份能量,經常會因此導致失波的現象(見圖 1),故測量固態料面時,很多廠商會選擇比測量同樣距離的液面發射更強 (大一倍或更大量程)的超聲波能量。

用最為廣泛的一種技術。 據測試,采用聲阻匹配技術的超聲波探頭比普通的超聲波探頭的性能要提高 5~6 倍。

1.2.2 矩陣式聲源系統

當量程增加時,超聲波探頭的發射能量也需要大大的增加,同時也需要降低發射頻率來減少超聲波能量在長距離的傳輸中衰減。 但是采用以上技術,也會帶來一些“副作用”:波束角增大;超聲波能量發散;探頭表面的“自清潔” 功能不明顯,容易粘結物料(見圖 2);較低的發射頻率容易受到自然噪聲的干

避免會產生一些粉塵;而粉塵會吸收超聲波的能量,而使回波能量被衰減。 因此,超聲波技術一般都用于測量顆粒度

用了一種聲阻匹配的技術來作為測量固體料位的主要技術。 采用低密度的介質緊貼在超聲波發射表面,以降低超聲波探頭聲阻,使發生的超聲波能量衰減到最小。 這也是目前所有的超聲波固體測量技術中成本最低、 可靠性最高、應

PIONEERING WITH SCIENCE & TECHNOLOGY MONTHLY NO.10 2010 191


科技創業

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多個(不是一個)晶振作為發射源,相對于普通的超聲波探頭,它的發射頻率更高、波束角更小(可至 6°)。

1.2.3 兩線制連線方式

西門子公司的超聲波探頭一般都采用兩線制模式,除了進行傳輸和識別超聲波探頭脈沖信號,同時也進行溫度信號的傳輸以實現溫度補償的作用。 不同于常見的三線制模式,兩線制模式既可以選擇雙絞屏蔽線作為傳輸線纜,也可以選擇抗干擾能力更強的同軸電纜。它的優點是:傳輸距離最長可達 365m,最大程度地實現多點測量;最有效地克服來自環境的噪聲,使回波信號更加可靠穩定。

2 雷達料位計技術特點

2.1 原理及應用

微波物位計和超聲波物位計一樣,也是基于回波測距原理的物位測量方式。 不同的是,它是一種電磁波,在傳播的過程不需要傳輸媒介的傳遞,因此基本上不需要考慮揮發性氣體和蒸汽、溫

度、壓力(真空)、甚至粉塵的影響。

微波和所有的電磁波一樣在自由空間中是以光速 300 000 000m / s)傳播,電磁波到達目標并經反射返回接收器這一來回所用的時間幾乎是瞬間的。西門子推出的 Sitrans LR460 固體型雷達是專門用于測量粉狀固體料位的雷達物位計,比如:電廠的飛灰倉、粉煤倉、石灰石粉倉等。

2.2 技術特點

2.2.1 K 波段高頻技術

微波物位計的典型波段為 5.8GHZ 10GHZ、24GHZ 通常人們稱為 5.8GHZ

(或 6.3GHZ 的頻率為 C 波段微波; 10GHZ 的頻率為 X 波段微波;24GHZ

(或 26GHZ)的頻率為 K 波段微波。

在過去很長一段時間,非接觸式雷達物位測量技術被認為只能測量液體介質。 西門子提出采用 K 波段(24GHZ)的雷達測量技術,能大大改善雷達波在固體表面的發射效果,從而達到測量固體料位的理論。

這是因為,根據波的特性公式波的速度=波的頻率 X 波長, 高頻的微波相對低頻的微波而言, 具有更小的波長,在傾斜的粗糙度的固體表面能夠形成更多的發射,使微波測量固體的可靠性

192 科技創業月刊 2010年第10期

西門子煤倉料位計探討

也大大提高了,目前這一理論已經被各家雷達物位計生產商所接受,并成為固體型雷達料位計的標準。 另外,由于采用高頻率的微波技術,根據雷達天線增益的公式:G=η*(π*D / λ)2,其中η為孔徑系數,D 為天線的尺寸,λ為微波的波長。 可以推出,采用 K 波段的雷達物位計可以采用較小的喇叭口得到較大的增益值, 因此一般 24GHZ 的雷達一般只需要采用 4 寸的喇叭口天線就可以得到非常好的性能,使安裝變得更加方便。

2.2.2 FMCW 工作原理

FMCW 微波物位計采用線性的調制的高頻信號。 它是一種基于復雜數學公式的間接測量方法,由頻譜計算出物位距離。 天線發射出被線性調制的連續高頻微波信號并進行掃描,同時接收返回信號。 發射微波信號和返回的微波信號之間的頻率差與到介質表面的距離成一定比例關系。

采用 FMCW 原理的微波物位計都具有連續自校準的處理功能。 被處理的信號與一個表示已知固定距離的內部參照信號進行比較。 任何差值會自動得到補償,這樣消除了由溫度波動或變送器內部電子部件老化引起的可能的測量漂移。采用 FMCW 的工作原理的雷達物位計的精度、穩定性和可靠性一般都要優于脈沖方式的雷達物位計。

固體料面由于本身的形狀和表面特性比較復雜,而且還處于不斷地變化中。因此, 料位測量結果的穩定性和可靠性的提高對于系統控制來說至關重要。

2.2.3 四線制供電

在粉塵大、量程大、料面安息角較大而導致能量散射嚴重的工況中,經常會因為回波信號微弱而導致失波,甚至儀表工作“死機”。 采用四線制的供電方式保證了儀表的發射功率較一般的兩線制的雷達要強得多,使其可靠性達到最理想的狀態。

3 安裝和調試

3.1 安裝位置的選擇

盡可能選擇遠離進料口的位置,以避免在進料狀態時,超聲波或雷達波束感應到物料而造成誤動作。 盡量保證在超聲波或雷達在有效測量范圍內的波束不會“接觸”到任何障礙物,比如:人梯、橫梁、攪拌器等。 測量點最好選擇能夠準確反映平均料位的位置。 如進料口是在中心位置的話,物料會在進料時形成中間高四周低的形狀,將測量點選擇在中間不能反映真實可信的料位。

3.2 瞄準器

在測量固體料位時,通常料位計不會安裝在中心位置,而進料口是在中間位置,一般都需要用到瞄準器來調整探頭的角度, 一般都是選擇瞄準出料口。因為大多數固體料倉的底部是錐形的,在空倉的情況下,如果探頭的安裝是垂直往下的,那么就可能會造成回波打在料倉底部無法回收。 如調整瞄準器的安裝角度,則可從物料上收到最有效的漫反射回波, 保證測量得到最可靠的回波。 超聲波料位的瞄準器需要另外配置, 也可以自己簡單地制作。 Sitrans LR460 固體型雷達則將瞄準器作為標準配置,并且為了適應工況需要———很多混凝土料倉的倉頂較厚,將喇叭口天線設計地比較長,可以深入倉內,以避免由于倉頂過厚造成的干擾。 而且, Sitrans LR460 固體型還提供了延長管的設計,以滿足過長的安裝立管的要求

(見圖3)。

 

3.3 方便的調試

西門子公司的物位計設計了更加人性化的安全的現場儀表調試方式,它可以通過一種紅外手操器對儀表進行參數設定,而不需要直接接觸儀表顯示屏進行操作, 使操作工人更加方便,而且,手操器本身也提供了本質安全的防爆認證,即使在防爆區內,也同樣可以進行調試操作。

參考文獻

1 史登躍,薛梅花.雷達料位計的原理及應

用[J].中國計量,2004(8)

(責任編輯 芝)

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