大型火力发电厂“飞灰/底渣岛”物位测量传感器的选型设计与应用

电力18讯：    作者：梁国建　

摘要：大型火力发电厂"飞灰/底渣岛"灰库、脱水仓的物位检测是当今世界物位制造厂商共同面临的难题之一，因其应用场合较特殊，很难捕捉温度、压力、输料速率、介电常数等工质变化规律，且没有现成的控制模式可参照。所以说要真正选型设计好、应用好物位测量传感器仍是一件不容易的事。本文以600MW大型火力发电厂"飞灰/底渣岛"的生产现场应用实例为背景，从物位测量传感器的测量原理，选型设计、新技术应用、PLC / DCS接口等多角度去判断、分析、解决实际问题，提出新的思路与建议，与广大工程技术人员共同探讨。
关键词：物位测量　应用技术　选型设计
   随着自动控制高新技术的发展，连续式物位测量传感器在电站、石化、油田等工业领域得到广泛的应用。固体颗粒、灰粉和泥浆混合物的料（液）位测量，特别是非接触式连续测量一直是物位测量技术的难题，应用在火力发电厂"飞灰/底渣岛"灰库、脱水仓料位检测的问题更加突出。它始终存在粉尘粘性大、温度偏高、介电常数小等问题；如何合理选型设计好适用于电厂灰库、脱水仓的新型物位测量传感器，并应用成功已成为关键。物位测量传感器作为一种特殊的测量传感器可测量不同介质的物位势能。它在PLC / DCS系统接口中有着非常重要的地位。
   1　物位测量传感器的分类及其原理
   物位测量传感器可分两大类：一类是测量物位连续变化的传感器：另一类是测量以状态为目标的开关式传感器（即物位开关）。连续式测量传感器主要用于连续控制的料仓、灰库等方面，有时也可用于多点报警系统；开关式物位测量传感器主要用于顺序控制的限位, 报警等。下面主要介绍三种连续式物位测量传感器的基本原理、PLC/DCS接口及应用技术。
   1.1　雷达测量原理
   雷达测量应用"发射－反射－接收"测量原理。雷达传感器的天线以波束的形式发射最小5.8GHZ的雷达信号，反射回来的回波信号仍由天线接收；雷达脉冲信号从发射到接收的运行时间与测量传感器到介质表面的距离以及物位成比例。（见图1）一束雷达脉冲的发射时间为1ns，每隔277ns天线系统发射一束脉冲信号。脉冲波束的频率是3.6MHZ，在发射间隔时间内，天线系统作为接收装置使用；传感器分析处理运行时间 < 十亿分之一秒的回波信号，并在极短的一瞬间分析处理回波图。
   1.2　相位跟踪测量原理
   相位跟踪原理利用高频传输线作为探头。探头由两根平行导线组成，垂直悬挂在贮罐内。（见图2）电子部件沿测量传感器发送一个高频正弦波，这一正弦波产生一个电磁场。电磁场同时绕两根导线移动。这一信号以一个恒定的速度向料面移动，到达料面处，该信号被反射并以相同的速度往回移动。该信号之所以会从料面反射回来，是因为测量传感器的阻抗在空气与物料的介面处发生了突变。因为电磁场延伸到测量传感器两根导线的外部，所以探头的阻抗取决于周围介质的介电常数ε。
   1.3　超声波测量原理    
   它是一种非接触式的物位测量传感器，其原理是工作时向液面或粉体表面发射一束超声波，被其反射后，测量传感器再接收此反射波。（见图3）设声速一定，根据声波往返的时间就可以计算出测量传感器到液面（粉体表面）所距离，即测量出液面（粉体表面）位置。其传感元件有二种，一种是由线圈、磁铁和膜构成的，另一种是由压电式磁致伸缩材料构成的。前者产生10KHZ的超声波，后者产生20－40KHZ的超声波。超声波的频率愈低，距离的衰减愈小，但反射效率也小。
一般地说，在空气（或真空中），介电常数等于1，在所有其物料中，介电常数总是比1大。因此，在空气与物料的介面上，由于介电常数的差别，总会产生一个回波。最小介电常数之差约为0.5，即物料的最小介电常数约为1.5。
   2　三种新型连续物位测量传感器的功能特点、PLC接口技术的分析比较
   2.1　雷达测量传感器的功能分析及PLC接口
   2.2.1　功能特点：
   雷达传感器连续，非接触测量传感器探头到介质表面的距离。不同的距离对应不同的物位。应用特殊的"调整间隔时间"技术，将每秒种3，600，000个回波图放大、定位，然后分别进行整合、判断，以每0.1秒精确地分析处理这些被放大的回波信号，节省分析频率的时间。雷达信号是一种特殊形式的电磁波，其物理特性与可见光相似。根据量子论观点：雷达信号可以穿透空间，传播速度相当于光速。
雷达信号是否可以被反射，取决于两个因素：①。被测介质的导电性；②。被测介质的介电常数；所有导电的介质都能很好地反射雷达信号，尽管介质的导电性不是很好，也能被很准确地测量。
雷达测量传感器可以测量所有介质电常数>1.5的介质（空气的介电常数是1）。介质的导电性越好或介电常数<