雷達(dá)物位計(jì)在石灰窯生產(chǎn)中的應(yīng)用

趙振旺，安 永，郭志剛

(唐山三友集團(tuán)有限公司，河北 唐山 063305)

在大型混料豎式石灰窯的生產(chǎn)過(guò)程中，為了使石灰窯窯況盡可能達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀況，需要依據(jù)多項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)的變化情況來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)?，F(xiàn)有的石灰窯操作控制調(diào)整體系主要是由出氣出灰溫度、進(jìn)風(fēng)壓力、出氣壓力、進(jìn)風(fēng)流量、石層料位等幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)構(gòu)成。其中石層料位是平衡石灰窯生產(chǎn)負(fù)荷的重要指標(biāo)，石灰窯的生產(chǎn)需要將石層料位穩(wěn)定控制在一定的范圍，起到平穩(wěn)工況及提高生產(chǎn)負(fù)荷的目的，石層料位過(guò)高或是過(guò)低都會(huì)對(duì)石灰窯的生產(chǎn)工況造成嚴(yán)重的影響。

目前國(guó)內(nèi)石灰窯的石層料位測(cè)量手段大多數(shù)是采用的機(jī)械滑輪探尺通過(guò)人工來(lái)進(jìn)行測(cè)量，由于機(jī)械滑輪探尺桿本身的重力較大，以及與物料的接觸為點(diǎn)接觸式，接觸面積偏小，導(dǎo)致在工作測(cè)量的時(shí)候誤差較大，準(zhǔn)確性差；同時(shí)機(jī)械滑輪探尺桿處于石灰窯內(nèi)，因受物料的頻繁沖刷、磨損和長(zhǎng)期高溫環(huán)境等因素，需要定期由人工去窯氣密集的石灰窯頂部的危險(xiǎn)區(qū)域，對(duì)探尺桿進(jìn)行檢查校對(duì)，也大大的增加了誤差幾率以及作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)。這種傳統(tǒng)的測(cè)量方式還因缺少數(shù)據(jù)的及時(shí)性及準(zhǔn)確性，造成石灰窯操作調(diào)整的滯后，影響了石灰窯生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在公司多年的生產(chǎn)過(guò)程中，多次出現(xiàn)因石層料位數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，導(dǎo)致窯內(nèi)物料高度變化較大，石灰窯煅燒區(qū)位置發(fā)生改變，造成了出氣出灰溫度、窯氣濃度等指標(biāo)的大幅波動(dòng)，工況紊亂，使石灰窯在短則幾天多則十幾天內(nèi)處于故障狀態(tài)，嚴(yán)重制約了系統(tǒng)的穩(wěn)定生產(chǎn)。為此公司經(jīng)過(guò)多方的技術(shù)考察結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以及生產(chǎn)現(xiàn)狀，決定采用凌克雷達(dá)物位計(jì)來(lái)替代人工進(jìn)行石灰窯的石層料位測(cè)量。

1 雷達(dá)物位計(jì)原理

雷達(dá)物位計(jì)是基于時(shí)間行程原理來(lái)實(shí)現(xiàn)物位測(cè)量的儀表，工作時(shí)物位計(jì)的雷達(dá)波會(huì)以光速來(lái)運(yùn)行，運(yùn)行的時(shí)間通過(guò)電子部件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成距離的物位信號(hào)。物位計(jì)探頭發(fā)出高頻脈沖并沿纜繩傳播，當(dāng)脈沖遇到物料表面時(shí)反射回來(lái)被儀表內(nèi)的接收器接收，并將距離信號(hào)轉(zhuǎn)化為物位信號(hào)。

2 凌克雷達(dá)物位計(jì)的特點(diǎn)

我公司使用的是凌克雷達(dá)物位計(jì)，該物位計(jì)是采用國(guó)外進(jìn)口超高頻連續(xù)調(diào)頻波(FMCW)的雷達(dá)物位計(jì)，定制款LK-MC600系列是一種2/4線(xiàn)制140GHzFMCW連續(xù)調(diào)頻波雷達(dá)物位變送器，發(fā)射頻率140 GHz、精度±1 mm、信號(hào)輸出4-20 mA 、2線(xiàn)制(4線(xiàn)制可選)，同時(shí)還具備冬天自動(dòng)加熱、防結(jié)塵結(jié)露、遠(yuǎn)程調(diào)試等特殊功能。該物位計(jì)通過(guò)發(fā)射超高頻雷達(dá)電磁脈沖波，有效的適應(yīng)了傳統(tǒng)的高粉塵等復(fù)雜工況，適合對(duì)容器大量程范圍(最高150 m)的固體、散裝固體、強(qiáng)粉塵環(huán)境等工況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，本設(shè)備的即插即用性能適合所有固體應(yīng)用，包括粉塵過(guò)多以及溫度高達(dá)600 ℃的環(huán)境應(yīng)用。此外，雷達(dá)發(fā)射波束角僅為2.5°，安裝方便，便于能量的集中，能量損失小，能量利用率高，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。雷達(dá)物位計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus-RTU、HART 和RS485多用途可選協(xié)議，便于后期的遠(yuǎn)程調(diào)試。儀表自帶萬(wàn)向標(biāo)準(zhǔn)法蘭，可靈活調(diào)準(zhǔn)測(cè)量方向，追蹤實(shí)時(shí)料位數(shù)據(jù)。儀表量程在120 m范圍內(nèi)可調(diào)，基本滿(mǎn)足所有料倉(cāng)和儲(chǔ)罐的測(cè)量范圍。測(cè)量精度可達(dá)到0.05%，達(dá)到了工業(yè)計(jì)量級(jí)的水平。防護(hù)等級(jí)IP68，防塵和防水能力達(dá)到最高級(jí)別。防爆等級(jí)隔爆ExdiiCT6，完全滿(mǎn)足各類(lèi)甲級(jí)隔爆防爆環(huán)境，廣泛應(yīng)用于熱電廠、水泥廠、化工廠等(煤倉(cāng)、粉倉(cāng)、渣倉(cāng)等高粉塵環(huán)境)。

為防止物位計(jì)積水、結(jié)疤等現(xiàn)象，還配備高溫、高壓的排水裝置，該裝置通過(guò)特殊的工藝設(shè)計(jì)，使雷達(dá)物位計(jì)和艙體實(shí)現(xiàn)有效隔離，最高可耐6 MPa的壓力等級(jí)，通過(guò)特殊的隔絕膜片和具備氣源吹掃的功能，最高可耐600 ℃左右的高溫，膜片的特殊安裝角度和排水孔獨(dú)特的設(shè)計(jì)，有效排除了由于溫度變化等原因使水蒸汽冷凝后形成的水滴累積，保證了裝置的干燥穩(wěn)定，進(jìn)而保證雷達(dá)物位計(jì)的精準(zhǔn)測(cè)量。

雷達(dá)物位計(jì)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝便捷，采用法蘭連接，內(nèi)部隔絕膜片減輕了使用過(guò)程中的維護(hù)保養(yǎng)、日常清理的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 物位計(jì)的應(yīng)用方案

3.1 物位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)單元

物位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)部分安裝在石灰窯頂部，安裝時(shí)需充分利用現(xiàn)場(chǎng)空間，盡可能不做大的改動(dòng)，同時(shí)還要考慮隔熱性、防塵性、無(wú)遮擋、防碰撞、便于維護(hù)檢修等多方面因素。石灰窯頂蓋到窯內(nèi)部有約500 mm的保溫層，窯內(nèi)部布料器運(yùn)行時(shí)的旋轉(zhuǎn)面會(huì)造成對(duì)傳輸信號(hào)的遮擋干擾，石灰窯內(nèi)部的高溫氣體也會(huì)造成物位計(jì)的損壞。窯頂部檢查孔部位位于窯頂部約250 mm，在此上部增加200 mm的短節(jié)用于安裝雷達(dá)物位計(jì)，并利用窯頂部壓縮空氣氣源對(duì)隔絕膜片進(jìn)行連續(xù)高壓吹掃，實(shí)現(xiàn)裝置的冷卻除塵，可有效避免上述存在問(wèn)題，按照安裝的施工技術(shù)要求，將物位計(jì)安裝在檢查孔上部，同時(shí)做好物位計(jì)的防砸、防腐蝕的外部防護(hù)。

3.2 物位計(jì)DCS單元

將物位計(jì)信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸至DCS系統(tǒng)，操作人員可根據(jù)石層料位的數(shù)據(jù)對(duì)出灰時(shí)間進(jìn)行修正調(diào)節(jié)，穩(wěn)定石灰窯的石層指標(biāo)；預(yù)留物位計(jì)遠(yuǎn)程設(shè)置端口，即在控制室就可進(jìn)行物位計(jì)運(yùn)行參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)置，避免了人員進(jìn)入石灰窯頂這樣存在安全風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，極大降低了維護(hù)的勞動(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

在石灰窯使用先進(jìn)控制后，建立了物位計(jì)信號(hào)與出灰時(shí)間的數(shù)學(xué)模型，雷達(dá)物位計(jì)信號(hào)與出灰時(shí)間進(jìn)行程序自動(dòng)控制，出灰時(shí)間根據(jù)雷達(dá)物位計(jì)數(shù)據(jù)自動(dòng)修訂調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了出灰系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，石灰窯的進(jìn)、出物料平衡趨于穩(wěn)定，對(duì)石灰窯的工況優(yōu)化起到了積極的促進(jìn)作用。

4 運(yùn)行效果

我公司9#石灰窯自2018年9月份投用雷達(dá)物位計(jì)，通過(guò)使用原有的石層料位測(cè)量數(shù)據(jù)與物位計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，數(shù)值及變化趨勢(shì)基本一致，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)所需，正常生產(chǎn)情況下可控制石層料位變化在0.3 m的范圍之內(nèi)；潮濕工況易導(dǎo)致物位計(jì)表面被泥污等結(jié)疤所遮擋，影響石層料位測(cè)量的準(zhǔn)確性，因此需定期對(duì)物位計(jì)的隔絕膜片進(jìn)行人工清理，根據(jù)實(shí)際使用情況來(lái)看，清理周期大約在2～3個(gè)月、雨季在1～2個(gè)月，每臺(tái)清理時(shí)間在3～5分鐘，清理時(shí)用軟布或棉紗擦拭隔絕膜片表面，將膜片表面清理干凈即可。配合石灰窯的先進(jìn)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了石灰窯的出料自動(dòng)化，提高裝置自動(dòng)化程度的同時(shí)，極大地減輕了操作者的操作強(qiáng)度，石灰窯的調(diào)整趨于精細(xì)化控制，石灰窯工況得到了進(jìn)一步優(yōu)化，目前車(chē)間10臺(tái)石灰窯已經(jīng)全部進(jìn)行了推廣應(yīng)用。