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双雷达物位计测量法在干式煤气柜柜位测量上的应用

作者: 来源: 发布时间:2020-09-10 11:24:48

 摘要: 雷达物位计是一种利用微波信号的传输来测量物位的非接触式物位计。该文通过双雷达物位计在煤气柜柜位测量上的应用,针对应用过程中存在的问题,通过优化煤气柜雷达物位计安装以及对物位计杂波、虚假波进行过滤、消除干扰等措施,解决了 2 台雷达物位计对同一测量对象同时工作时雷达波的相互交叉干扰问题,提高了雷达物位计测量准确性。

 
引言
目前酒钢公司本部和异地分子公司有 9 座干式煤气柜,酒钢本部共计使用 4 座高、焦、转炉干式煤气柜,分别为转煤 5 万 m3和转煤 8 万 m3煤气柜、 16. 5万 m3高炉煤气柜、10 万 m3焦炉煤气柜,榆钢共计装有 5 座干式煤气柜,分别为 2 座转炉煤气柜、 2 座高炉煤气柜、1 座焦煤煤气柜。煤气柜柜位测量都使用光纤柜位计和差压变送器静压法共同实现对柜位高度的连续测量和联锁保护。光纤柜位计的工作原理为: 将钢丝绳的一端连接到气柜的活塞上面,当被测气柜柜位变化时,测量钢丝绳随柜顶运动,并带动光纤传感器内大绳轮转动。
 
光纤传感器将柜位变化值转变为光脉冲信号,经光缆传输到光电转换器,转换成电信号后送给二次仪表,处理计算后在二次仪表上显示,同时可将数据传送给后级计算机,实现自动、连续地跟踪气柜的柜位变化。整个光纤柜位计由滑轮组、光纤传感器、传输光缆、仪表单元组成。滑轮组包括钢丝绳、导向轮、绳 轮、磁力耦合器、重锤等,均安装在现场,完成柜位的检测任务。光纤传感器是将检测到的柜位信号转换为光信号,也安装在现场[1]。传输光缆是将柜位光信号传输至控制室的仪表单元。仪表单元包括光电转换器、二次仪表等,均安装在控制室内,完成信号的转换、计算等任务。
 
光纤柜位计的优势是测量数据可靠。光纤柜位计采用磁力耦合技术及大小绳轮力矩平衡技术,并采用了固定柔性钢丝绳缠绕路径、卡具防风来防止钢丝绳跳槽等措施,使原始数据能够准确传递到二次仪表上,数据可靠性更高[2]。但由于光纤柜位计已连续在线运行多年,其机械转动部件磨损,性 能 劣 化 严 重,测 量 误 差 大,故 障 率 高。冬季运行时机械部件易结冰卡滞,钢丝绳容易断裂,每年需要定期更换 2 次钢丝绳,并且没有更换光纤柜位计钢丝绳的检修作业标准及安全防护措施,容易造成人员高空坠落,作业非常危险,日常维护也需要投入大量人力物力,而且更换钢丝绳时需要停止外送煤气,影响工序正常生产,引起煤气柜煤气无法正常回收及造成柜内煤气放散等一系列问题。针对光纤柜位计存在的问题采用了雷达物位计测量技术替代光纤柜位计测量,为了使雷达物位计能够在干式煤气柜上得到应用[3],经过仔细的分析和研究,采取了一系列的解决措施,从而使新型测量技术的雷达物位计得到了很好的应用,同时具有很广泛的推广应用价值。 
 
1 雷达物位计的测量原理
物位测量技术经历了结构上从机械式仪表向电子式仪表发展,在工作方式上由接触式向非接触式发展[4]。近几年来发展较快的是 ToF ( Time of Flight) 行程时间或传播时间测量原理,又称回波测距原理,是非接触测距的一种方法,产品的推出及应用发展都非常快[5]。雷达式物位计具有连续准确测量的特点,其不受温度、压力、气体的影响,与介质表面无接触,可快速且精确地测量不同介质的物位。同时,雷达物位计几乎可以测量所有介电常数大于1. 5 的介质。空气的介电常数是 1,尽管介质的导电性不是很好,也能被很准确地测量[6]。雷达物位计工作原理示意图如图 1 所示。安装在料仓顶部的探头向仓内发射能量波,当能量波传播到被测物料面上时,在物料面上被反射,并且返回到探头上被接收。能量波的来回传播时间就是波传播距离的量度[7]。
 
测量物位的计算公式为:
h = ( 1 /2) C·t
式中: h 为探头到物料面的距离,C 为能量波在空气中传播的速度,t 为能量波来回传播的时间。如果已知料仓高度 L,就可据之计算出料仓内物位高度
H = L - h = L - ( 1 /2) C·t
 
2 双雷达测量在煤气柜柜位测量上的应用及改进措施
由于机械柜位计存在测量失准、人工维护量大、维护成本高等实际问题,对8 万 m3 煤气柜柜位测量进行了技术改造,在煤气柜顶部安装 2 台 PULS68型德国 Vega 雷达物位计,实现了对煤气柜柜位的连续测量及联锁保护[9]。雷达物位计的测量精度为± 15 mm,测量范围为 70 m,取代了原来安装的光纤柜位计和静压柜位计。新安装的 2 台 Vega 雷达物位计测量信号在计算机下位机逻辑中进行高选逻辑判断,当任何 1 台雷达物位计测量信号达到 28 m 条件时直接联锁三通阀煤气放散和风机跳机,双冗余测量有效地防止了联锁保护的拒动作和误动作。但由于煤气柜内顶部圆弧型活塞柜顶造成雷达物位计的雷达波散射及 2 台雷达物位计对同一测量对象同时工作时雷达波的相互交叉干扰等原因造成测量失准,且缺乏对 2 台雷达物位计同时测量同一物位时交叉干扰波的消除方法[10],造成了测量信号经常在一定范围内出现波动,致使双雷达物位计在煤气柜位测量上一直不理想,严重影响了煤气柜位的测量准确性。通过对现场 2 台雷达物位计相互干扰来源的分析,查找干扰因素,zui终采用以下 2 步五点滤波法可消除这 2 台雷达物位计雷达波散射和相互干扰问题[11]。 
 
2. 1 提高回波强度,消除雷达波散射
在煤气柜活塞顶水平安装 2 块规格为( 1000 × 1000 × 5) mm 的金属反射板,使其垂直于雷达物位计探头发射的雷达波中心线,从而使回波强度达到zui大峰值,避免了由于煤气柜活塞顶圆弧形受波面造成的雷达波向四周散射等现象,保证了测量的准确性,如图 2 所示。
 
2. 2 五点法消除干扰波
采用 PACTWARE4. 1 人机界面软件用五点法进行杂波滤除[12],即分别在 0 m( 空仓) ,7. 5 m,15 m, 22. 5 m,30 m 处进行干扰波及杂波滤除。在 2 台雷达物位计同时投入运行半小时后,分别将 2 台雷达物位计的回波强度调整至zui大峰值( ≥65 dBz) ,对 2 台运行的雷达物位计分别采用 RS232 通信方式连接适配器,然后对雷达物位计进行五点杂波滤除,如 图 3 所示。
 
2. 2. 1 操作流程
1) 利用计算机分别与雷达物位计进行通信,收集现场仪表发射、接收雷达波趋势图,观察是否存在异常回波;
2) 对收集到的趋势图进行仔细比对分析,判断干扰因素的来源。有些干扰因素是长期存在的,这样的干扰很容易被排除解决,而大多数干扰因素都是随机出现的,这种情况下就要对工艺的生产状况有非常深入的了解和掌握,并结合生产工艺采取相应措施[13]; 
3) 根据分析结果对杂波、虚假波进行过滤,消除干扰。对于固定的干扰源,可采取软件屏蔽波的方法消除干扰; 对于随机性的干扰源,则要根据实际情况对测量地点、测量方式进行改造,或者对生产工艺提出改进意见; 
4) 对屏蔽波段根据分析结果不断进行优化,做到屏蔽区域不会影响正常的测量范围,zui终符合工艺生产需要,有效提高仪表设备稳定运行的时间。 
 
2. 2. 2 五点法校验操作步骤
五点法校验操作步骤如图 4 所示。位由 0% - 100% 之间来回变化,无测量失准情况发生即为调校工作完成。经过 2 步五点滤波法,对同时投入工作的双雷达物位计进行滤波后,有效的保证了双雷达物位计测量柜位的准确性,又避免了由于柜位计故障和柜位计测量不准确导致的高柜位煤气放散及风机跳机事故,每年节约高、焦、转炉煤气回收损耗费用 150 万元,柜位测量故障率降低节省了人力及备品备件费用 50 万元,共计创经济效益 200 余万元。更重要的是保证了人员作业安全,还减轻了由于转炉煤气放散给环境造成的污染。
 
3 结语
物位测量技术经历了结构上从机械式仪表向电子式仪表发展,在工作方式上由接触式向非接触式发展。近几年来发展较快的是 ToF( Time of Flight)行程时间或传播时间) 测量原理,又称回波测距原理,是非接触测距的一种方法,产品的推出及应用的发展都非常快。雷达物位计正是利用了该测量原理进行现场在线物位测量[14]。双雷达物位计煤气柜位应用在国内外尚属首次应用,由于 2 支雷达波互相干扰等原因,一直制约着雷达技术在煤气柜柜位测量上的应用,该方案的实施,解决了由于雷达波散射及双雷达波互相干扰的一系列问题,在煤气柜柜位以及其他相关领域都具有较好的推广价值。

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