孔板流量計(jì)在高溫鍋爐中應(yīng)用

0引言
柳鋼現(xiàn)有8座高爐,年產(chǎn)鐵水約600萬(wàn)t,大部分高爐使用的是無(wú)料鐘爐頂方式,在高爐生產(chǎn)中,高爐料位、高爐布料倉(cāng)料位和魚雷罐液位等都是非常重要的數(shù)據(jù),它們對(duì)于保證高爐爐況的順行、提高生產(chǎn)效率和提高生產(chǎn)安全性起著非常重要的作用。由于高爐爐內(nèi)溫度非常高（一般都超過300e）,因此,高爐物位測(cè)量一直是個(gè)難題。過去高爐的料位都采用了機(jī)械式的料位測(cè)量,安裝復(fù)雜,維護(hù)困難,測(cè)量的數(shù)據(jù)精度不夠準(zhǔn)確,隨著一些新技術(shù)的應(yīng)用,一些鋼鐵公司一直致力于尋找一種使用壽命長(zhǎng)、性能可靠、維護(hù)量低、測(cè)量度高的經(jīng)濟(jì)性的解決方案。
高爐生產(chǎn)中,為了保證魚雷罐和鐵路的安全,還需要測(cè)量魚雷罐車的鐵水液位,使操作工能及時(shí)了解魚雷罐內(nèi)鐵水的容量。
經(jīng)過幾年的實(shí)踐,柳鋼的高爐生產(chǎn)逐步采用了多種孔板流量計(jì)進(jìn)行鐵水罐位的測(cè)量,并取得了較好的測(cè)量效果。本文以孔板流量計(jì)為例,介紹孔板流量計(jì)在柳鋼高爐的應(yīng)用。
1測(cè)量原理
柳鋼魚雷罐液面測(cè)量采用了孔板流量計(jì),它是專門針對(duì)粉狀固體的測(cè)量特點(diǎn)而研發(fā)的非接觸式孔板流量計(jì),使用24GHz微波作為測(cè)量信號(hào),其波長(zhǎng)較其他頻段的雷達(dá)波的波長(zhǎng)要短得多。一般來(lái)講,固體料面的形狀傾斜而且粗糙,較小的波長(zhǎng)可以zui大程度保證發(fā)射出去的雷達(dá)波能夠在粗糙的固體表面zui大程度地被反射回雷達(dá)探頭。
孔板流量計(jì)采用FMCW連續(xù)調(diào)頻的工作方式,如圖1所示。其基本測(cè)量原理是,探頭同時(shí)進(jìn)行雷達(dá)波的發(fā)射和接收,類似通信中的全雙工;LR400采用了波形為鋸齒型的微波,發(fā)射波及經(jīng)固體表面反射后形成的回波之間產(chǎn)生一個(gè)相位差,這個(gè)相位差通過快速傅里葉轉(zhuǎn)換后,形成一個(gè)頻譜,這個(gè)頻譜與雷達(dá)物位計(jì)測(cè)量的距離呈線性關(guān)系。因此,通過對(duì)鋸齒波相位的檢測(cè)即可得到一個(gè)高精度的物位信號(hào)。依據(jù)FMCW測(cè)量原理,雷達(dá)波能夠*地/射0向測(cè)量介質(zhì),使其抗*力加強(qiáng),失波的可能性降到zui低,從而提高了它的可靠性。

孔板流量計(jì)采用四線制設(shè)計(jì)。四線制的設(shè)計(jì)保證了儀表有足夠的功率,發(fā)射足夠強(qiáng)的能量來(lái)滿足惡劣的測(cè)量條件,LR400能夠測(cè)量介電常數(shù)低至1.5的介質(zhì)（自然界絕大部分介質(zhì)的介電常數(shù)大于115）,zui大量程50m。
由于使用高頻信號(hào),因此,發(fā)射角度zui小可到8b,能夠zui大程度地避開固定干擾的影響。
推出的固體型LR400雷達(dá)在以往的基礎(chǔ)上,作了很多改進(jìn),這些改進(jìn)是:
（1）新瞄準(zhǔn)器,將瞄準(zhǔn)器作為新的固體型雷達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)配置。瞄準(zhǔn)器可保證LR400即使用于介質(zhì)表面傾斜角度較大的工況,介電常數(shù)較低的化學(xué)品粉末也能得到較強(qiáng)的信號(hào)。
（2）提供了2,3,4英寸（518,7162,10116cm）三種不同尺寸的喇叭天線的選擇,能夠滿足不同的現(xiàn)場(chǎng)要求。
（3）改進(jìn)了LR400的固體算法,能夠?qū)ｉT適用于各種復(fù)雜的固體測(cè)量。
（4）采用了新的算法,導(dǎo)波性能得到很大提高,增加了延長(zhǎng)管（zui長(zhǎng)至592mm的天線設(shè)計(jì)）的選項(xiàng),使其能夠滿足一些安裝立管較長(zhǎng)、倉(cāng)頂過厚的安裝條件。
（5）設(shè)計(jì)了新的PTFE平面防塵窗口,在粉塵揚(yáng)氣非常大的工況工作也能非常穩(wěn)定。
值得一提的是,現(xiàn)場(chǎng)的工況比較惡劣,常有礦石掉落在現(xiàn)場(chǎng),由于LR400的標(biāo)準(zhǔn)配置是堅(jiān)實(shí)的鋁外殼設(shè)計(jì),因此即使在惡劣的現(xiàn)場(chǎng)工況,LR400也能正常工作
2在高爐上的應(yīng)用
高爐的料位測(cè)量有三部分
（1）高爐料面測(cè)量。需要使用物位計(jì)測(cè)量準(zhǔn)備添加到高爐內(nèi)的礦料,料位控制需要保證料位維持在一定的高度,這一測(cè)量點(diǎn)需要的測(cè)量范圍zui大約為5~6m。
（2）高爐布料倉(cāng)的礦渣料位測(cè)量的主要的困難是,倉(cāng)頂頂部的溫度非常高,一般超過600e,倉(cāng)頂頂部厚度較大,約在1~115m左右。
（3）對(duì)魚雷罐鐵水液面的測(cè)量。鐵水溫度達(dá)1000e以上。被測(cè)量的介質(zhì)是液體,因此主要問題是如何解決高溫問題。
以魚雷罐鐵水液面測(cè)量為例,應(yīng)用孔板流量計(jì)嘗試了三種不同的方法解決高溫問題,均取得良好效果。
（1）在加長(zhǎng)的安裝立管上安裝氮?dú)馔ǖ?注入氮?dú)庖越档涂装辶髁坑?jì)的喇叭天線口過程溫度。
（2）采用導(dǎo)波彎管的設(shè)計(jì),避開由于輻射引起的超高溫。利用LR400的導(dǎo)波特性,設(shè)計(jì)制作導(dǎo)波彎管來(lái)避開倉(cāng)頂安裝出口處的高溫氣體,為了降低傳導(dǎo)熱的影響,整個(gè)導(dǎo)波管的長(zhǎng)度超過2m,使管內(nèi)高溫氣體能夠得到足夠的降低。安裝了導(dǎo)波彎管后,安裝法蘭口的溫度小于100e,經(jīng)過2~3星期的現(xiàn)場(chǎng)使用,物位測(cè)量結(jié)果基本準(zhǔn)確,見圖2。

（3）由于LR400具有很小的發(fā)射角度8b,因此,使LR400的喇叭天線與安裝口保持一定的距離,以降低過程中的超高溫。
3方案優(yōu)化
在魚雷罐鐵水液面的測(cè)量中,由于罐口結(jié)渣以后可視面積比較小,會(huì)造成導(dǎo)波管無(wú)法對(duì)準(zhǔn)罐口進(jìn)行測(cè)量;并且由于魚雷罐車進(jìn)料口不斷揚(yáng)起的灰塵容易粘附在導(dǎo)波彎管管口上,造成儀表在使用一段時(shí)間后,出現(xiàn)信號(hào)漂移直至出現(xiàn)高位報(bào)警的現(xiàn)象。
如果制作一個(gè)帶大喇叭口的導(dǎo)波彎管從理論上講,是可以解決如上問題,但是制作帶喇叭口的導(dǎo)波彎管難度較大（不允許有明顯的焊縫）,且費(fèi)用較高。
因此,通過對(duì)西門子Sitrans系列雷達(dá)液位計(jì)的了解,西門子雷達(dá)液位計(jì)集成了的聲智能回波處理技術(shù),可以通過對(duì)復(fù)雜的回波修正的方式來(lái)消除雜波的干擾。因此,可以考慮直接在除塵罩上安裝雷達(dá)物位計(jì),把探頭至罐口這段距離的干擾回波通過西門子PDM軟件來(lái)消除,直接讀取罐口以下的波形進(jìn)行測(cè)量。這種優(yōu)化的方案相對(duì)而言,具有使用和安裝成本低,無(wú)需壓縮氣體吹掃,提高了系統(tǒng)的可靠性等優(yōu)點(diǎn)。
4結(jié)束語(yǔ)
高爐料位的測(cè)量比較特殊,很多單位使用過不同的測(cè)量方法,從柳鋼的測(cè)量效果看,孔板流量計(jì)在高爐上的應(yīng)用可以充分發(fā)揮固體型雷達(dá)的特點(diǎn),減少維護(hù)工作量,保證高爐的安全生產(chǎn)。