雷達物位計在電力工業生產過程中主要測量固體和液體的物位, 種類繁多, 有塊料、粉料、顆粒料, 有酸液、堿液等。這些物質的介電常數、容重、溫度、壓力等各不相同, 過去主要采用接觸測量, 如導波纜、音叉、阻旋、重錘、浮球及電容等。在使用中由于被檢測介質的物理狀態及化學成分的變化出現各種問題, 如頻繁的虛假料位、斷纜、堵料及突變等, 且維護量、維護費用大。

  石灰石濕法煙氣脫硫系統的維護正向日常化和監控組織的系統化邁進, 脫硫檢測的各個環節會出現數據檢測失真狀態, 直接影響到系統運行, 加大了維護的頻率。

  我廠脫硫腐蝕性液位測量和石灰石料位的測量工況是:鍋爐燃燒后產生的煙氣通過吸收塔時, 由石灰石漿液泵將混合的石灰石漿液打入吸收塔內噴淋, 將煙氣中的酸性二氧化硫中和, 再將過濾后的煙氣排出。從工藝上看, 煙氣在進入吸收塔前的溫度是相對比較高的。一般情況下, 出口處的溫度在120℃左右, 其中還含有一定數量的粉煤灰。通過噴淋將煙氣二氧化硫中和凈化, 在吸收塔的底部經過攪拌后通過排出泵排出。吸收塔中的液位測量是控制漿液泵定時工作的主要依據。對該漿液池液位儀表的檢測溫度有一定要求, 過程檢測溫度應該在80℃左右, 儀表要具有一定的抗濕度防護功能, 反應速度快, 抗干擾能力強。

  另外, 我廠石灰石倉物位計采用導波雷達鋼纜形式, 鋼纜作為天線伸入料倉直到倉底。導波天線伸入容器中并和粉料接觸, 屬于接觸式測量, 導波纜繩容易磨損甚至被拉斷, 在上下料、負壓風機運行時, 導波纜繩擺動, 經常出現虛假料位問題。如果導波纜繩掉進倉內, 會直接影響設備的運行, 對正常生產和測量造成不利影響。下面介紹非接觸測量物位計———脈沖雷達物位計在脫硫生產工藝中的應用。

  隨著傳感器及軟件技術的發展, 20世紀90年代末, 工業測控開始逐漸使用雷達測距技術。它抗干擾能力強, 測量準確。雷達的微波技術***早應用于軍工, 隨著微波技術的不斷發展, 雷達技術已在通信及工業測控中廣泛應用。通過對不同微波頻率段的研究, 在工業生產中形成一套有效的雷達測距技術的解決方案。微波又叫電磁波, 頻率范圍為300 MHz~300 GHz, 傳播速度為3×108m/s, 其穿透力強, 傳播速度不受粉塵、蒸汽影響, 衰減也很小, 物料的溫度、壓力、密度幾乎不影響其測量的準確性。工業雷達利用微波的吸收和反射原理, 根據被測量介質的介電常數來界定雷達的使用形式, 分為不同微波頻率段的微波雷達物位計, 其中有300 MHz~1.5 GHz的導波纜式雷達 (接觸式) 、6 GHz的非接觸式雷達及26GHz小角度的高頻非接觸雷達。我們在使用時是根據被測介質的物理狀態 (比如蒸汽、粉塵、吸附、溫度、壓力、酸堿性) 來確定哪種形式的雷達物位計測量有效準確和免維護。

  雷達是可以穿透被測介質的, 空氣的介電常數ε=1, 水的ε=4~88, 100℃時水ε=55.1, 水蒸氣ε=1.007 85, 碳酸鈣ε=6.1~9.1, 煤 (粉末、精細) ε=2~4。因此, 微波對被檢測介質是有一定要求的。使用哪種頻率段的微波和使用哪種形式測量效果更好是我們需要探索的, 同時要消除由于現場實際安裝情況給雷達帶來不穩定的因素。

  雷達物位計是靠檢測被測介質反射回波從而檢測出液位的高度的。被檢測介質水的介電常數ε為50~80, 微波很難被吸收, 因此檢測的效果是很明顯的。微波的傳輸速度為光速, 因此壓力和溫度對微波穿射速度的影響非常小, 可以忽略, 它是一種很理想的檢測工具。

  在吸收塔、己二酸池中, 水流比較湍急, 容易造成接觸式儀表在長期使用中由于磨損而發生故障。被測介質有一定酸性或堿性, 長期浸泡在這種液體中, 金屬的氧化速度會加快, 因此, 接觸式儀表不適用, 應選擇非接觸儀表。非接觸的液位儀表有超聲波式液位和雷達式液位兩種。超聲波式液位儀表的檢測液位高度是靠變送器前面的換能器發出聲納波反射測量的, 影響該聲納速度的外界條件很多, 上傳的數據不穩定。儀表對聲納波的接收是不容易識別的, 因此它不太適應。

  6 GHz雷達液位儀表的優越性比較突出。雷達的天線材料有PP、PVDF、PTFE多種材質, 可以滿足不同介質、酸堿液體的帶壓測量。由于水的反射性太好, 因此安裝時也比較簡單。水蒸氣本身是水, 在蒸汽較大時水蒸氣會把微波反射回去, 會出現檢測不到液面等情況。因此, 在選擇雷達液位儀表時這點必須謹慎。如果出現類似的液位測量, 應該根據微波的特性選擇不同頻率段的雷達物位計來進行檢測。應選擇低頻、波長較長的雷達物位計, 比如6 GHz的微波頻率。雷達液位儀表的反應時間很快, 抗干擾能力強, 缺點是測量數據容易突變。

  為了避免出現數值的突變與跳動, 安裝時應回避出入水口, 池、槽中間有攪拌和抽水泵時應選擇水流相對平穩的工作區。其安裝位置如圖1所示。下面以我廠己二酸池液位測量儀———古大GDRD51脈沖雷達物位計為例, 介紹雷達液位儀表的使用方法。

  該儀表特別適用于腐蝕性液體場合。它通過天線發射極窄的微波脈沖, 以光速在空間傳播, 碰到被測介質表面其部分能量被反射回來, 被同一天線接收。發射脈沖與接收脈沖的時間間隔與天線到被測介質表面的距離成正比。由于電磁波的傳播速度極高, 存在測量盲區, 但可以通過調整安裝法蘭高度有效避開盲區問題。盲區示意圖如圖2所示。圖2中, 測量的基準面是螺紋或法蘭的密封面。使用雷達液位計時, 務必保證***高料椚不能進入測量盲區。

  GDRD5X系列產品采用特殊的解調技術, 可以準確識別發射脈沖與接收脈沖的時間間隔, 從而計算出天線到被測介質表面的距離。由于采用了先進的微處理器和獨特的CHODIS-COVERY回波處理技術, 其可以應用于各種復雜工況。它在多個虛假回波的工況下可以正確確認真實回波, 獲得準確的測量結果。其多種過程連接方式和天線型式適用于各種復雜工況, 如高溫、高壓、小介電常數介質的測量。它采用脈沖工作方式, 發射功率極低, 適用于各種金屬、非金屬容器, 對人體和環境均無傷害。全鋁外殼質量輕, 硅橡膠密封可以全部浸泡于液體中。
  天線材料選用PTFE材料, 嚴密防腐。全中文菜單使調整輕松簡單。兩線、四線接線方式, 具有更廣泛的選擇。調整模擬量4~20 m A時可通過現場顯示調整模塊對現場的低位、高位進行設定, 同時與系統的距離相對應, 保證輸出線性的穩定。它可針對不同被測介質的表面狀態 (是否有波動、有泡沫) 進行相應調整, 對很不平穩的攪拌液體、表面有雜物的液體進行檢測 (使用導波管測量) 。在測量時會出現儀表量程的4~20 m A小于被測液體的實際量程, 因此就需要擴大儀表的檢測范圍。儀表所有的調試步驟均有中文菜單提示操作, 簡單方便。對傳感器的工作狀態, 儀表現場的顯示形式有空高值、料高值、百分比、電流輸出等。倉內或槽內的物料狀態可通過現場曲線回波進行觀察。

  固體料位儀表的使用和選型比較復雜, 因為被檢測的介質是不規則物理形態。我廠使用的碳酸鈣屬于強粉塵固體, 如果按照常規的方法選擇料位儀表, 導波雷達測量不太理想 (會出現粘合吸附問題) 。用超聲波測量, 其聲納波是直線傳播的, 碰到障礙物會反射, 對比較平穩的液體還可以, 如果是凹凸不平的堆料和凹角下料就不可以了。其他可選儀表有雷達物位計 (接觸式與非接觸式) 和電容射頻導納式儀表 (接觸式) 。碳酸鈣為粉灰狀固體, 有時中間會含有塊料, 對接觸式儀表的電極和導波纜繩的磨損和拉力很大。
  導納式電容儀表安裝時, 絕緣很重要。在實際碳酸鈣灰庫下料過程中, 粉塵會很大, 會把雷達的導波纜繩和導納電容儀表的電極粘住, 以至于雷達會傳出虛假信號, 射頻導納電容的電容量會突變或不變化。因此, 接觸式儀表不太適合強粉塵固態物料的檢測。碳酸鈣粉的介電常數ε=7, 對雷達料位儀表的選型上有一定的要求。低頻導波式雷達是不適用的, 6 GHz的普通非接觸式雷達也是不可取的。微波頻率低會影響到天線的發射角大小。雷達液位儀表的天線開角為25°, 適用于水, 不可以測量小介電常數的強粉塵固體, 即使大喇叭天線的發射開角也僅為14°, 也不可以。微波天線開角會增大被檢測介質在倉底的覆蓋面積, 能量很分散, 干擾回波很凌亂 (由倉內的固定障礙物和上下料的干擾形成) , 無法集中微波的功率, 得不到有效的雷達回波。
  即使有回波, 也會在屏幕上出現鋸齒狀波形, 把有效回波的峰值給分散了, 檢測時會很不穩定。通過現場的實際分析, 考察相關強粉塵的雷達物位儀表的使用效果, ***終我們選擇使用26 GHz高頻雷達物位儀表測量碳酸鈣粉。26 GHz雷達的微波天線發射開角是8°, 可有效檢測不規則的料面, 同時可躲避影響測量效果的障礙物。微波覆蓋面積小, 能量集中, 可有效穿透粉塵。8°天線開角的正切值為0.14, 在12 m測量距離的微波倉底覆蓋面積為1.68 m2, 還是很容易躲避上下料流對儀表的干擾的。安裝時, 由于天線的尺寸很小, 可安裝旋轉式萬向節, 可在倉上隨意選擇安裝位置。萬向節旋轉示意圖如圖3所示。安裝應回避出入料口, 注意密封。如果法蘭安裝密封不好, 上料和下料時的粉塵會從儀表周圍擴散, 時間長了會出現堵住天線口的問題。

  我廠石灰石倉料位計采用GDRD58系列26 GHz型, 它特別適合強粉塵、易結晶、結露場合, 其波束角小, 能量集中, 抗干擾能力強, 具有極高的測量準確度和可靠性。它天線尺寸小, 便于安裝和加裝防塵罩等天線防護設施;測量盲區更小, 對小罐測量也能取得良好的效果;波長更短, 對小顆粒物質的料位測量更加適合。它采用先進的微處理器和獨特的ECHODIHYOVERY回波處理技術, 可以應用于各種復雜工況。

  采用脈沖工作方式, 發射功率極低, 適用于各種金屬、非金屬容器, 對人體和環境均無傷害。全鋁外殼質量輕, 硅橡膠密封可以全部浸泡于液體中。有兩線、四線接線方式可選擇, 萬向節設計使測量應對自如。全中文菜單使調整輕松簡單。

  物料的性質、狀態可調整。在回波曲線中如果出現峰值比較高且是空料的情況, 可以斷定倉內存有固定障礙物或倉內有高的堆積料位, 認定該顯示為虛假料位。這時把人工實測的數值輸入到虛假數值中進行修改和更新曲線。如果沒有回波或傳感器屏幕上顯示如圖4所示的正常回波波形, 則應該檢查天線是否給堵住了或有其他干擾情況。強粉塵的工礦儀表應密封安裝, 避免出現安裝孔出現粉塵堆積現象。

  我廠原料位系統結構如圖5所示, 為導波纜繩式料位, 運行一段時間后缺陷頻繁。鋼纜作為天線伸入料倉倉底, 屬于接觸式測量。介質石灰石粉是強粉塵固體, 纜繩吸附介質, 出現不變化料位、在上下料和負壓風機運行時擺動的假料位。

  在實際下料過程中, 由于粉塵很大, 常把導波纜繩粘住, 以至于傳出滿倉的虛假信號或信號不變化。

  我們取消了導波鋼纜天線, 控制板改造為26 GHz高頻雷達模塊, 天線尺寸小, 帶有旋轉萬向節, 可在倉上隨意選擇安裝位置。微波天線發射開角定為8°, 可有效檢測不規則料面, 躲避影響測量效果的障礙物。微波能量集中, 可有效穿透粉塵。8°天線開角的正切值為0.14, 在12 m的測量距離微波倉底覆蓋面積為1.68 m2, 可躲避上下料流對儀表的干擾。
  對于錐形平頂倉, 料位計的***佳安裝位置在頂部中央, 可以保證準確測量到容器底部。要回避出入料口, 做好密封工作。天線伸出方倉頂部出口大于10 mm, 保證回波不遇到障礙物。針對室外安裝特點, 為了防潮, 擰緊電纜密封套, 在電纜進線口處使電纜向下彎曲。維護方面, 做好料位法蘭安裝時的良好密封, 并定期檢查。加強接線檢查, 做好石灰石倉防水工作, 避免塊料堆積。加強人員培訓, 可通過回波曲線判斷設備問題。

  現場選取相應的非接觸式物位計作為脫硫生產工藝的連續檢測、高低位檢測。結果證明, 改造是可行的, 效果理想, 降低了石灰石倉料位缺陷, 且使脫硫系統穩定運行。下一步將引入一路壓縮空氣進行料位天線自動吹掃維護。