雷达物位计

  雷达物位计在电力工业生产过程中主要测量固体和液体的物位, 种类繁多, 有块料、粉料、颗粒料, 有酸液、碱液等。这些物质的介电常数、容重、温度、压力等各不相同, 过去主要采用接触测量, 如导波缆、音叉、阻旋、重锤、浮球及电容等。在使用中由于被检测介质的物理状态及化学成分的变化出现各种问题, 如频繁的虚假料位、断缆、堵料及突变等, 且维护量、维护费用大。

  石灰石湿法烟气脱硫系统的维护正向日常化和监控组织的系统化迈进, 脱硫检测的各个环节会出现数据检测失真状态, 直接影响到系统运行, 加大了维护的频率。

  我厂脱硫腐蚀性液位测量和石灰石料位的测量工况是:锅炉燃烧后产生的烟气通过吸收塔时, 由石灰石浆液泵将混合的石灰石浆液打入吸收塔内喷淋, 将烟气中的酸性二氧化硫中和, 再将过滤后的烟气排出。从工艺上看, 烟气在进入吸收塔前的温度是相对比较高的。一般情况下, 出口处的温度在120℃左右, 其中还含有一定数量的粉煤灰。通过喷淋将烟气二氧化硫中和净化, 在吸收塔的底部经过搅拌后通过排出泵排出。吸收塔中的液位测量是控制浆液泵定时工作的主要依据。对该浆液池液位仪表的检测温度有一定要求, 过程检测温度应该在80℃左右, 仪表要具有一定的抗湿度防护功能, 反应速度快, 抗干扰能力强。

  另外, 我厂石灰石仓物位计采用导波雷达钢缆形式, 钢缆作为天线伸入料仓直到仓底。导波天线伸入容器中并和粉料接触, 属于接触式测量, 导波缆绳容易磨损甚至被拉断, 在上下料、负压风机运行时, 导波缆绳摆动, 经常出现虚假料位问题。如果导波缆绳掉进仓内, 会直接影响设备的运行, 对正常生产和测量造成不利影响。下面介绍非接触测量物位计———脉冲雷达物位计在脱硫生产工艺中的应用。

  随着传感器及软件技术的发展, 20世纪90年代末, 工业测控开始逐渐使用雷达测距技术。它抗干扰能力强, 测量准确。雷达的微波技术***早应用于军工, 随着微波技术的不断发展, 雷达技术已在通信及工业测控中广泛应用。通过对不同微波频率段的研究, 在工业生产中形成一套有效的雷达测距技术的解决方案。微波又叫电磁波, 频率范围为300 MHz~300 GHz, 传播速度为3×108m/s, 其穿透力强, 传播速度不受粉尘、蒸汽影响, 衰减也很小, 物料的温度、压力、密度几乎不影响其测量的准确性。工业雷达利用微波的吸收和反射原理, 根据被测量介质的介电常数来界定雷达的使用形式, 分为不同微波频率段的微波雷达物位计, 其中有300 MHz~1.5 GHz的导波缆式雷达 (接触式) 、6 GHz的非接触式雷达及26GHz小角度的高频非接触雷达。我们在使用时是根据被测介质的物理状态 (比如蒸汽、粉尘、吸附、温度、压力、酸碱性) 来确定哪种形式的雷达物位计测量有效准确和免维护。

  雷达是可以穿透被测介质的, 空气的介电常数ε=1, 水的ε=4~88, 100℃时水ε=55.1, 水蒸气ε=1.007 85, 碳酸钙ε=6.1~9.1, 煤 (粉末、精细) ε=2~4。因此, 微波对被检测介质是有一定要求的。使用哪种频率段的微波和使用哪种形式测量效果更好是我们需要探索的, 同时要消除由于现场实际安装情况给雷达带来不稳定的因素。

  雷达物位计是靠检测被测介质反射回波从而检测出液位的高度的。被检测介质水的介电常数ε为50~80, 微波很难被吸收, 因此检测的效果是很明显的。微波的传输速度为光速, 因此压力和温度对微波穿射速度的影响非常小, 可以忽略, 它是一种很理想的检测工具。

  在吸收塔、己二酸池中, 水流比较湍急, 容易造成接触式仪表在长期使用中由于磨损而发生故障。被测介质有一定酸性或碱性, 长期浸泡在这种液体中, 金属的氧化速度会加快, 因此, 接触式仪表不适用, 应选择非接触仪表。非接触的液位仪表有超声波式液位和雷达式液位两种。超声波式液位仪表的检测液位高度是靠变送器前面的换能器发出声纳波反射测量的, 影响该声纳速度的外界条件很多, 上传的数据不稳定。仪表对声纳波的接收是不容易识别的, 因此它不太适应。

  6 GHz雷达液位仪表的优越性比较突出。雷达的天线材料有PP、PVDF、PTFE多种材质, 可以满足不同介质、酸碱液体的带压测量。由于水的反射性太好, 因此安装时也比较简单。水蒸气本身是水, 在蒸汽较大时水蒸气会把微波反射回去, 会出现检测不到液面等情况。因此, 在选择雷达液位仪表时这点必须谨慎。如果出现类似的液位测量, 应该根据微波的特性选择不同频率段的雷达物位计来进行检测。应选择低频、波长较长的雷达物位计, 比如6 GHz的微波频率。雷达液位仪表的反应时间很快, 抗干扰能力强, 缺点是测量数据容易突变。

  为了避免出现数值的突变与跳动, 安装时应回避出入水口, 池、槽中间有搅拌和抽水泵时应选择水流相对平稳的工作区。其安装位置如图1所示。下面以我厂己二酸池液位测量仪———古大GDRD51脉冲雷达物位计为例, 介绍雷达液位仪表的使用方法。

  该仪表特别适用于腐蚀性液体场合。它通过天线发射极窄的微波脉冲, 以光速在空间传播, 碰到被测介质表面其部分能量被反射回来, 被同一天线接收。发射脉冲与接收脉冲的时间间隔与天线到被测介质表面的距离成正比。由于电磁波的传播速度极高, 存在测量盲区, 但可以通过调整安装法兰高度有效避开盲区问题。盲区示意图如图2所示。图2中, 测量的基准面是螺纹或法兰的密封面。使用雷达液位计时, 务必保证***高料椚不能进入测量盲区。

图1 安装位置

图2 盲区示意图

  GDRD5X系列产品采用特殊的解调技术, 可以准确识别发射脉冲与接收脉冲的时间间隔, 从而计算出天线到被测介质表面的距离。由于采用了先进的微处理器和独特的CHODIS-COVERY回波处理技术, 其可以应用于各种复杂工况。它在多个虚假回波的工况下可以正确确认真实回波, 获得准确的测量结果。其多种过程连接方式和天线型式适用于各种复杂工况, 如高温、高压、小介电常数介质的测量。它采用脉冲工作方式, 发射功率极低, 适用于各种金属、非金属容器, 对人体和环境均无伤害。全铝外壳质量轻, 硅橡胶密封可以全部浸泡于液体中。
  天线材料选用PTFE材料, 严密防腐。全中文菜单使调整轻松简单。两线、四线接线方式, 具有更广泛的选择。调整模拟量4~20 m A时可通过现场显示调整模块对现场的低位、高位进行设定, 同时与系统的距离相对应, 保证输出线性的稳定。它可针对不同被测介质的表面状态 (是否有波动、有泡沫) 进行相应调整, 对很不平稳的搅拌液体、表面有杂物的液体进行检测 (使用导波管测量) 。在测量时会出现仪表量程的4~20 m A小于被测液体的实际量程, 因此就需要扩大仪表的检测范围。仪表所有的调试步骤均有中文菜单提示操作, 简单方便。对传感器的工作状态, 仪表现场的显示形式有空高值、料高值、百分比、电流输出等。仓内或槽内的物料状态可通过现场曲线回波进行观察。

  固体料位仪表的使用和选型比较复杂, 因为被检测的介质是不规则物理形态。我厂使用的碳酸钙属于强粉尘固体, 如果按照常规的方法选择料位仪表, 导波雷达测量不太理想 (会出现粘合吸附问题) 。用超声波测量, 其声纳波是直线传播的, 碰到障碍物会反射, 对比较平稳的液体还可以, 如果是凹凸不平的堆料和凹角下料就不可以了。其他可选仪表有雷达物位计 (接触式与非接触式) 和电容射频导纳式仪表 (接触式) 。碳酸钙为粉灰状固体, 有时中间会含有块料, 对接触式仪表的电极和导波缆绳的磨损和拉力很大。
  导纳式电容仪表安装时, 绝缘很重要。在实际碳酸钙灰库下料过程中, 粉尘会很大, 会把雷达的导波缆绳和导纳电容仪表的电极粘住, 以至于雷达会传出虚假信号, 射频导纳电容的电容量会突变或不变化。因此, 接触式仪表不太适合强粉尘固态物料的检测。碳酸钙粉的介电常数ε=7, 对雷达料位仪表的选型上有一定的要求。低频导波式雷达是不适用的, 6 GHz的普通非接触式雷达也是不可取的。微波频率低会影响到天线的发射角大小。雷达液位仪表的天线开角为25°, 适用于水, 不可以测量小介电常数的强粉尘固体, 即使大喇叭天线的发射开角也仅为14°, 也不可以。微波天线开角会增大被检测介质在仓底的覆盖面积, 能量很分散, 干扰回波很凌乱 (由仓内的固定障碍物和上下料的干扰形成) , 无法集中微波的功率, 得不到有效的雷达回波。
  即使有回波, 也会在屏幕上出现锯齿状波形, 把有效回波的峰值给分散了, 检测时会很不稳定。通过现场的实际分析, 考察相关强粉尘的雷达物位仪表的使用效果, ***终我们选择使用26 GHz高频雷达物位仪表测量碳酸钙粉。26 GHz雷达的微波天线发射开角是8°, 可有效检测不规则的料面, 同时可躲避影响测量效果的障碍物。微波覆盖面积小, 能量集中, 可有效穿透粉尘。8°天线开角的正切值为0.14, 在12 m测量距离的微波仓底覆盖面积为1.68 m2, 还是很容易躲避上下料流对仪表的干扰的。安装时, 由于天线的尺寸很小, 可安装旋转式万向节, 可在仓上随意选择安装位置。万向节旋转示意图如图3所示。安装应回避出入料口, 注意密封。如果法兰安装密封不好, 上料和下料时的粉尘会从仪表周围扩散, 时间长了会出现堵住天线口的问题。

图3 万向节旋转示意图

  我厂石灰石仓料位计采用GDRD58系列26 GHz型, 它特别适合强粉尘、易结晶、结露场合, 其波束角小, 能量集中, 抗干扰能力强, 具有极高的测量准确度和可靠性。它天线尺寸小, 便于安装和加装防尘罩等天线防护设施;测量盲区更小, 对小罐测量也能取得良好的效果;波长更短, 对小颗粒物质的料位测量更加适合。它采用先进的微处理器和独特的ECHODIHYOVERY回波处理技术, 可以应用于各种复杂工况。

  采用脉冲工作方式, 发射功率极低, 适用于各种金属、非金属容器, 对人体和环境均无伤害。全铝外壳质量轻, 硅橡胶密封可以全部浸泡于液体中。有两线、四线接线方式可选择, 万向节设计使测量应对自如。全中文菜单使调整轻松简单。

  物料的性质、状态可调整。在回波曲线中如果出现峰值比较高且是空料的情况, 可以断定仓内存有固定障碍物或仓内有高的堆积料位, 认定该显示为虚假料位。这时把人工实测的数值输入到虚假数值中进行修改和更新曲线。如果没有回波或传感器屏幕上显示如图4所示的正常回波波形, 则应该检查天线是否给堵住了或有其他干扰情况。强粉尘的工矿仪表应密封安装, 避免出现安装孔出现粉尘堆积现象。

图4 正常回波示意图

  我厂原料位系统结构如图5所示, 为导波缆绳式料位, 运行一段时间后缺陷频繁。钢缆作为天线伸入料仓仓底, 属于接触式测量。介质石灰石粉是强粉尘固体, 缆绳吸附介质, 出现不变化料位、在上下料和负压风机运行时摆动的假料位。

  在实际下料过程中, 由于粉尘很大, 常把导波缆绳粘住, 以至于传出满仓的虚假信号或信号不变化。

图5 料位系统结构

  我们取消了导波钢缆天线, 控制板改造为26 GHz高频雷达模块, 天线尺寸小, 带有旋转万向节, 可在仓上随意选择安装位置。微波天线发射开角定为8°, 可有效检测不规则料面, 躲避影响测量效果的障碍物。微波能量集中, 可有效穿透粉尘。8°天线开角的正切值为0.14, 在12 m的测量距离微波仓底覆盖面积为1.68 m2, 可躲避上下料流对仪表的干扰。
  对于锥形平顶仓, 料位计的***佳安装位置在顶部中央, 可以保证准确测量到容器底部。要回避出入料口, 做好密封工作。天线伸出方仓顶部出口大于10 mm, 保证回波不遇到障碍物。针对室外安装特点, 为了防潮, 拧紧电缆密封套, 在电缆进线口处使电缆向下弯曲。维护方面, 做好料位法兰安装时的良好密封, 并定期检查。加强接线检查, 做好石灰石仓防水工作, 避免块料堆积。加强人员培训, 可通过回波曲线判断设备问题。

  现场选取相应的非接触式物位计作为脱硫生产工艺的连续检测、高低位检测。结果证明, 改造是可行的, 效果理想, 降低了石灰石仓料位缺陷, 且使脱硫系统稳定运行。下一步将引入一路压缩空气进行料位天线自动吹扫维护。