西門子LR400雷達(dá)物位計(jì)測(cè)量技術(shù)在臺(tái)山發(fā)電廠的成功應(yīng)用

臺(tái)山發(fā)電廠坐落在全國(guó)僑鄉(xiāng)臺(tái)山市銅鼓灣,廠區(qū)三面環(huán)山,南面臨海,與廣東省的旅游勝地上、下川島隔海相望。該電廠整體工程分兩期建設(shè),一期工程5臺(tái)機(jī)組總?cè)萘繛?000MW,第二期工程6臺(tái)機(jī)組為6000MW，zui終容量可達(dá)9000MW，1、2號(hào)機(jī)組分別于2003年12月9日及2004年4月9日投產(chǎn)。臺(tái)電又是廣東省重點(diǎn)工程之一，也是亞洲目前規(guī)劃建設(shè)規(guī)模zui大的火力發(fā)電廠。

臺(tái)電的建成將大大緩解廣東用電緊張的壓力，成為廣東省zui可靠的電源支撐點(diǎn)之一。為了更好地實(shí)現(xiàn)臺(tái)電的定位標(biāo)準(zhǔn)，即以更安全為基礎(chǔ)，更可靠為依據(jù)，更先進(jìn)為動(dòng)力，更經(jīng)濟(jì)為宗旨，更規(guī)范為保障，更環(huán)保為標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)*電廠。在每一臺(tái)設(shè)備的選擇上，臺(tái)電本著安全可靠的原則，均選擇了成熟可靠的產(chǎn)品解決方案。

長(zhǎng)期以來，在電廠各個(gè)環(huán)節(jié)的固體料倉(cāng)的料位測(cè)量一直是個(gè)難點(diǎn)，比如：煤倉(cāng)、飛灰倉(cāng)、石灰石粉倉(cāng)等。目前市場(chǎng)可以選擇料位計(jì)種類和品牌非常繁多，參差不齊。

二、解決方案及技術(shù)特點(diǎn)

在經(jīng)過大量市場(chǎng)的調(diào)查和研究，以及與各物位計(jì)生產(chǎn)廠商的技術(shù)交流之后，zui終在臺(tái)電的一期工程的五臺(tái)600MW機(jī)組上選擇了西門子公司提供的料位測(cè)量解決方案，該解決方案主要以超聲波和雷達(dá)物位計(jì)等非接觸式物位測(cè)量技術(shù)為主。

1、超聲波物位測(cè)量解決方案及特點(diǎn)

原理及應(yīng)用：

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

 超聲波在粗糙的固態(tài)表面（包括顆粒狀物料表面）上的反射狀況與聲波波長(zhǎng)表面粗糙度（顆粒狀物料的粒徑）有關(guān)。當(dāng)表面粗糙度與聲波波長(zhǎng)接近或大于波長(zhǎng)時(shí)，聲波會(huì)產(chǎn)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(jīng)常會(huì)因此導(dǎo)致失波的現(xiàn)象（如圖2），故測(cè)量固態(tài)料面時(shí)，很多廠商會(huì)選擇比測(cè)量同樣距離的液面發(fā)射更強(qiáng)（大一倍或更大量程）的超聲波能量。

另外，在固體的料位測(cè)量中，不可避免會(huì)產(chǎn)生一些粉塵；而粉塵會(huì)吸收超聲波的能量，而使回波能量被衰減。因此，超聲波技術(shù)一般都用于測(cè)量顆粒度較大的固體料位，比如：原煤倉(cāng)等。 

技術(shù)特點(diǎn)：

聲阻匹配技術(shù)。

   不同于其他公司的產(chǎn)品，西門子采用了一種聲阻匹配的技術(shù)來作為測(cè)量固體料位的主要技術(shù)。采用低密度的介質(zhì)緊貼在超聲波發(fā)射表面，以降低超聲波探頭聲阻，使發(fā)生的超聲波能量衰減大到zui小。這也是目前所有的超聲波固體測(cè)量技術(shù)中成本zui低、可靠性zui高、應(yīng)用的一種技術(shù)。據(jù)測(cè)試，采用聲阻匹配技術(shù)的超聲波探頭比普通的超聲波探頭的性能要提高5~6倍。

矩陣式聲源系統(tǒng)。

當(dāng)量程增加時(shí)，超聲波探頭的發(fā)射能量也需要大大的增加，同時(shí)也需要降低發(fā)射頻率來減少超聲波能量在長(zhǎng)距離的傳輸中衰減。但是采用以上技術(shù)，也會(huì)帶來一些“副作用”：波束角增大；超聲波能量發(fā)散；探頭表面的“自清潔”功能不明顯，容易粘結(jié)物料（如圖3）；較低的發(fā)射頻率容易受到自然噪聲的干擾；精度低等一系列問題。

西門子公司采用矩陣式聲源系統(tǒng)克服了上述技術(shù)的缺點(diǎn)。它選擇使用了多個(gè)（不是一個(gè)）晶振作為發(fā)射源；相對(duì)于普通的超聲波探頭，它的發(fā)射頻率更高，波束角更?。芍?/span>6º），表面的震動(dòng)能量更大，“自清潔”的作用更明顯；抵御環(huán)境噪聲的能力也更強(qiáng)。

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(jìn)行傳輸和識(shí)別超聲波探頭脈沖信號(hào)，同時(shí)也進(jìn)行溫度信號(hào)的傳輸以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩２煌诔Ｒ姷娜€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(qiáng)的同軸電纜。它的優(yōu)點(diǎn)是：傳輸距離zui長(zhǎng)可達(dá)365m，zui大程度地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量；zui有效地克服來自環(huán)境的噪聲，使回波信號(hào)更加可靠穩(wěn)定。

2、雷達(dá)物位測(cè)量解決方案及特點(diǎn)

原理及應(yīng)用：

微波物位計(jì)和超聲波物位計(jì)一樣，也是基于回波測(cè)距原理的物位測(cè)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(fā)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(dá)目標(biāo)并經(jīng)反射返回接收器這一來回所用的時(shí)間幾乎是瞬間的。

西門子推出的Sitrans LR400固體型雷達(dá)是專門用于測(cè)量粉狀固體料位的雷達(dá)物位計(jì)，比如：電廠的飛灰倉(cāng)、粉煤倉(cāng)、石灰石粉倉(cāng)等。

技術(shù)特點(diǎn)：

K波段高頻技術(shù)。

微波物位計(jì)的典型波段為 5.8 GHz、10GHz、24GHz。通常我們稱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(zhǎng)一段時(shí)間，非接觸式雷達(dá)物位測(cè)量技術(shù)被認(rèn)為只能測(cè)量液體介質(zhì)。西門子提出采用K波段（24GHz）的雷達(dá)測(cè)量技術(shù)，能大大改善雷達(dá)波在固體表面的發(fā)射效果，從而達(dá)到測(cè)量固體料位的理論。

這是因?yàn)椋焊鶕?jù)波的特性公式：波的速度=波的頻率X波長(zhǎng)，高頻的微波相對(duì)低頻的微波而言，具有更小的波長(zhǎng)，在傾斜的粗糙的固體表面能夠形成更多的發(fā)射，使微波測(cè)量固體的可靠性也大大地提高了。目前，這一理論已經(jīng)被各家雷達(dá)物位計(jì)生產(chǎn)商所接受，并成為固體型雷達(dá)料位計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。

另外，由于采用高頻率的微波技術(shù)，根據(jù)雷達(dá)天線增益的公式： 

其中：η為孔徑系數(shù)；

      D為天線的尺寸；

      λ為微波的波長(zhǎng)。

可以推出，采用K波段的雷達(dá)物位計(jì)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(dá)一般只需要采用4”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。

FMCW工作原理。

FMCW微波物位計(jì)采用線性的調(diào)制的高頻信號(hào)。它是一種基于復(fù)雜數(shù)學(xué)公式的間接測(cè)量方法，由頻譜計(jì)算出物位距離。天線發(fā)射出被線性調(diào)制的連續(xù)高頻微波信號(hào)并進(jìn)行掃描，同時(shí)接收返回信號(hào)。發(fā)射微波信號(hào)和返回的微波信號(hào)之間的頻率差與到介質(zhì)表面的距離成一定比例關(guān)系。

采用FMCW原理的微波物位計(jì)都具有連續(xù)自校準(zhǔn)的處理功能。被處理的信號(hào)與一個(gè)表示已知固定距離的內(nèi)部參照信號(hào)進(jìn)行比較。任何差值會(huì)自動(dòng)得到補(bǔ)償，這樣消除了由溫度波動(dòng)或變送器內(nèi)部電子部件老化引起的可能的測(cè)量漂移。采用FMCW的工作原理的雷達(dá)物位計(jì)的精度、穩(wěn)定性和可靠性一般都要優(yōu)于脈沖方式的雷達(dá)物位計(jì)。

固體料面由于本身的形狀和表面特性比較復(fù)雜，而且還處于不斷地變化中。因此，料位測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性的提高對(duì)于系統(tǒng)控制來說至關(guān)重要。

四線制供電。

    在粉塵大、量程大、料面安息角較大而導(dǎo)致能量散射嚴(yán)重的工況中，經(jīng)常會(huì)因?yàn)榛夭ㄐ盘?hào)微弱而導(dǎo)致失波，甚至儀表工作“死機(jī)”。采用四線制的供電方式保證了儀表的發(fā)射功率較一般的兩線制的雷達(dá)要強(qiáng)得多，使其可靠性達(dá)到的狀態(tài)。

三、安裝和調(diào)試

安裝位置的選擇

1、盡可能選擇遠(yuǎn)離進(jìn)料口的位置，以避免在進(jìn)料狀態(tài)時(shí)，超聲波或雷達(dá)波束感應(yīng)到物料而造成誤動(dòng)作。

2、盡量保證在超聲波或雷達(dá)在有效測(cè)量范圍內(nèi)的波束不會(huì)“接觸”到任何障礙物，比如：人梯、橫梁、攪拌器等。

3、測(cè)量點(diǎn)選擇能夠準(zhǔn)確反映平均料位的位置。如進(jìn)料口是在中心位置的話，物料會(huì)在進(jìn)料時(shí)形成中間高四周低的形狀，將測(cè)量點(diǎn)選擇在中間不能反映真實(shí)可信的料位。

瞄準(zhǔn)器

在測(cè)量固體料位時(shí)，通常料位計(jì)不會(huì)安裝在中心位置，而進(jìn)料口是在中間位置，一般都需要用到瞄準(zhǔn)器來調(diào)整探頭的角度，一般都是選擇瞄準(zhǔn)出料口。因?yàn)榇蠖鄶?shù)固體料倉(cāng)的底部是錐形的，在空倉(cāng)的情況下，如果探頭的安裝是垂直往下的，那么就可能會(huì)造成回波打在料倉(cāng)底部無法回收。如調(diào)整瞄準(zhǔn)器的安裝角度，則可從物料上收到zui有效的漫反射回波，保證測(cè)量得到zui可靠的回波。

超聲波料位的瞄準(zhǔn)器需要另外配置，也可以自己簡(jiǎn)單地制作。Sitrans LR400固體型雷達(dá)則將瞄準(zhǔn)器作為標(biāo)準(zhǔn)配置，并且為了適應(yīng)工況需要 -- 很多混凝土料倉(cāng)的倉(cāng)頂較厚，將喇叭口天線設(shè)計(jì)地比較長(zhǎng)，可以深入倉(cāng)內(nèi)，以避免由于倉(cāng)頂過厚造成的干擾。而且，Sitrans LR400固體型還提供了延長(zhǎng)管的設(shè)計(jì)，以滿足過長(zhǎng)的安裝立管的要求。

方便的調(diào)試

    西門子公司的物位計(jì)設(shè)計(jì)了更加人性的安全的現(xiàn)場(chǎng)儀表調(diào)試方式，它可以通過一種紅外手操器對(duì)儀表進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，而不需要像很多儀表一樣，需要直接接觸儀表顯示屏進(jìn)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(zhì)安全的防爆認(rèn)證，即使在防爆區(qū)內(nèi)，也同樣可以進(jìn)行調(diào)試操作。

四、使用效果

    臺(tái)山發(fā)電廠先后在1期工程的5個(gè)機(jī)組中，分別采用超聲波和雷達(dá)料位計(jì)來解決料位測(cè)量的問題。經(jīng)過廠家的安裝指導(dǎo)和調(diào)試后，這些儀表的使用效果令人滿意。和以往的料位測(cè)量方式相比，西門子公司的提供的物位解決方案相當(dāng)可靠，基本上不需要維護(hù)。