西门子雷达物位计在鱼雷罐车铁水液面监测中的应用———西门子雷

一、项目简介概述唐山钢铁公司炼铁厂的出铁流程：铁水从高炉流出后，先被导入半纺锤形的流嘴；流嘴两边各停有一辆鱼雷罐车，罐口位于流嘴出口的正下方，正好对准流嘴的中线。工人手动调整流嘴角度，使得铁水通过较低的出口流入下方的鱼雷罐车；当工人发现铁水液面已经达到高限时，则重新调整流嘴角度，使其回复到水平状态或者转向另一边进行加注。因为出铁口未设置地磅，以往观测铁水的装载量都是由工人经由集烟罩的孔隙观察罐口液面估计而得。由于现场铁水飞溅且烟尘滚滚，目测而得的结果往往不是很准确；而出于安全的考虑，工人经常会在鱼雷罐尚未装满的情况下停止加注。可见，由于传统的工作模式的限制，生产的安全性和经济性俨然成为了一个杠杆的两端，此消彼长，无法进一步有效提高出铁的工作效率。为了解决这种安全与效率的矛盾，有关技术人员提出了采用已在高炉中得到运用的雷达物位计来代替人工，在每一个鱼雷罐车上方加装一台西门子SITRANS LR雷达物位计，对于鱼雷罐车的铁水液面进行监测，并依据相关液面数据对整个铁水的加注过程进行自动控制。在厂各级领导的大力支持下，10月中旬，技术人员首先在唐钢炼铁厂二高炉对西门子雷达物位计进行了验证性的安装及试验，取得了良好的效果，为下一步的出铁工艺流程自动化改造奠定了基础。现场概貌：1、唐钢炼铁厂大门 2、唐钢炼铁厂二高炉现场；高炉正在出铁 3、鱼雷罐车进入出铁现场 4、高炉正在出铁 5、冷态、没有加铁水的流嘴 6、剩余了一部分铁水的流嘴，和已经灌满的鱼雷罐车7、正在入罐的铁水流 二、西门子SITRANS LR雷达物位计基本资料SITRANS LR雷达物位计是为中大型贮罐的物位测量（液体或固体）而设计的，是一种应用于固体和液体物位测量的范围广的FMCW雷达物位仪表。它采用24GHz连续波调频雷达技术，可在高温或粉尘环境下对储存容器里深达45m的液体和固体料位进行精确测量。SITRANS LR有坚固的外壳、法兰连接和喇叭形天线，其测量不受气压或者温度状况的影响。它２４ＧＨＺ的发射频率和高信噪比使其即使在测量低介电常数介质时，仍能有很好的信号反射。它还支持现场红外线编程器及SIMATIC PDM软件编程。技术规格：电源· 供电电源 120～ 230 V AC, 　15%, 50/60 Hz, 6W (12VA) 或24 V DC, +25/-20%, 6W性能· 频率通常25 GHz· 测量范围 0.35到50 m (1.15到164 ft)· 测量误差 1～10 m (3.3 ~32.8 ft.)距离时，≤5 mm (0.2")10～50 m(32.8~164 ft)距离时，≤15 mm (0.6")· 盲区1 法兰底部边缘0～350 mm· 值模拟输出附加额 ≤0.1%· 长期稳定性 ≤ 1 　 mm/year· 重复精度 0～50 m, 阻尼 ≥ 1 s时，≤ 1 mm接口· 模拟输出 (不应用于PROFIBUS PA 选项) 信号范围 4 ～ 20 mA· 数字输出功能可作为设备状态或限制值配置(液位，体积)信号类型继电器，NCC 或NOC 的任一一个最大 50 V DC, 最大 200 mA, 额定最大 5 W. 自整定熔丝, Ri = 9 Ω· 电气隔离电气输出和电源供应隔离，相互之间隔离· 显示 LCD, 两排，每排16字符，可显示：液位，体积，波幅，数字输出，温度，置信度，信噪比机械法兰· 过程连接法兰 DIN 2527, ANSI B16.5, 或 JIS B2238 相当螺钉式样· 焊接部分材质不锈钢1 法兰及CF8M 喇叭，PTFE部件 – 与工艺连接发射器（或玻璃/PTFE, 区 0 与区 20 设备）· 喇叭类型(固体型) 2" 喇叭 (50 mm) 直径 3"喇叭(80 mm) 直径 4"喇叭(100 mm) 直径(100 或 200 mm 可选天线扩展可用)环境条件· 安装位置：室内/室外· 环境温度3 -40～65 °C (-40～149 °F)· 相对湿度适于室外 (Type / NEMA 4X, 6/ IP67)· 安装等级 II· 污染等级 4· Perm. 环境温度3 -40～65 °C (-40～149 °F) (非危险性)LCD: -10 ～55 °C (14～131 °F)过程· 过程温度 -40～200 °C (-40～392 °F)协议： HART, Version 5.1三、安装位置安装位置如下图1至4所示 图1 全景安装模拟示意图 图2 安装位置模拟顶视图
图3 加注铁水时，雷达工作及安装位置模拟示意图 图4 试验中的雷达物位计
四、系统功能按照最初的构想，雷达的测量工况应该很理想--雷达安装在鱼雷罐车罐口的正上方，而喇叭口的中垂线又恰好避开了下泄的铁水流；现场可以提供压缩空气进行吹扫和冷却，确保雷达在高温环境下的正常工作。而实际的情况是，现场铁水四处飞溅，压缩空气中有水汽，流嘴四周的墙壁和鱼雷罐车罐口结渣非常严重，极大地影响着雷达波的反射，更有些鱼雷罐车的结渣从雷达的正下方挡住了雷达波从雷达头到铁水液面的去路。（一）现场相关照片如下：流嘴四周墙壁结渣情况（圆孔即雷达喇叭口安装位置）： 鱼雷罐车罐口结渣的较理想状况；有少量结渣附着，不影响雷达波视角（锥面）； 鱼雷罐车罐口结渣的一般状况，有大量结渣附着，但尚未完全遮盖住雷达波视角（锥面）下的液面； 鱼雷罐车罐口结渣的极端恶劣状况；有大量结渣附着，已完全遮盖住雷达波视角（锥面）下的液面   （二）通过对现场的仔细考察和试验，我们确认在雷达安装位置附近环境温度只有四十多度，而暴露在热浪直接炙烤下的雷达喇叭口部分也仅有140度以下，即便不使用压缩空气，雷达也将工作在许可的条件下。 （三）针对结渣妨碍雷达探测的问题，相关技术人员进行了调试，过程如下。按照理论位置和角度进行安装；未设置盲区。（鱼雷罐车罐口一般状况，有大量结渣附着，但尚未完全遮盖住液面。） 第一个波峰是发射波；第二个波峰是墙壁结渣的反射波；第三个波峰是来自鱼雷罐罐口结渣的反射波；第四个波峰是真实的铁水液面回波。其余都是多次回波。 2、试图消除结渣对雷达的影响，尤其是距离喇叭口最近的墙壁结渣，我们尝试调整了雷达的倾斜角度，令其微微向墙壁外侧倾斜；未设置盲区。可以看到图一中的墙壁结渣回波迅速减弱，降到了可以忽略不计的程度，但来自鱼雷罐罐口结渣的回波却有所增强，同时液面真实回波减弱   进一步调整雷达倾斜角度，让其尽量避开鱼雷罐罐口结渣。可以看到墙壁结渣的回波略有增强，但真实液面回波增强 继续微调雷达倾斜角度；因墙壁结渣回波相对较弱，故在避开鱼雷罐罐口结渣时，相应地向墙壁内侧转动雷达倾角。墙壁结渣回波增强了许多，但尚不足以影响到对液面回波的判读；而第三个波峰，即原鱼雷罐罐口结渣回波，大大减弱，且分裂为两个小的波峰，很容易判断出，前一个即罐口回波，后一个为罐口结渣回波；虽然液面回波有所下降，但其强度为其他杂波的两倍，且非常稳定。故此图显示此时之雷达安装位置及角度为普通恶劣工况下的最佳。 此次鱼雷罐车罐口结渣极为严重，完全遮挡了雷达到铁水液面的可视角度，无法再通过调整雷达安装位置和安装角度来获取最佳测量效果。故可以采用盲区设置来获取液面信息。 鱼雷罐车罐口结渣完全遮挡了液面，故其回波也远高于液面的回波。特取0点至罐口结渣回波和液面回波中间的波谷做为盲区，则雷达读数稳定地读出了真实的液面高度（雷达基准零平面减去雷达到反射物的距离）。现场工作中，雷达读数伴随着铁水液面上升稳定增大，并在铁水接近灌满、停止加注时，读数停留在5米左右，与现实情况极为符合。 五、运用西门子雷达物位计对铁水液面进行监测的意义1、可确保铁水加注的安全。通过雷达物位计读出的液面数据用于干预是否放下流嘴倾斜角度，可有效避免由于人工目视的误差导致的铁水溢出事故。2、可充分利用鱼雷罐车的运载能力。人工目视的最高液面往往距离高限还有很大距离，据估计，至少差额在8至9吨铁水上下。运用雷达读数，可以提高效能。3、可以使得现场工作的工人从高度的紧张状态中摆脱出来，降低劳动强度，减少现场恶劣环境对工人的不利影响。4、由于使用雷达监测液面后，鱼雷罐车的装载量将接近最大值，则铁水与外界的接触面减小，温度耗散减缓，有利于提高铁水的质量。5、配合软件进行二次开发，不仅仅可对铁水液面数据进行监测，还可实时了解到鱼雷罐的相关信息，铁水加载重量，加载时间等等，使得以前在监控室中所无法掌握的信息了然在目。 六、运用西门子雷达物位计的使用心得和体会唐钢炼铁厂二高炉出铁现场具有非常典型的恶劣工况；高温、飞溅的铁水、浓密的烟尘及各处对雷达波的遮挡，无不考验着雷达物位计的工作可靠性。但西门子雷达物位计的高品质保证了其工作的正常 -- 在工作中，仪表自检内部温度仅42度；飞溅的铁水没有附着在雷达上，即便是粉尘，使用简单的吹扫即可清除；而正负各仅4度的雷达波发射锥面角度保证了雷达波在尽量小的范围内，反射回足够强度的回波；最为惊喜的，是通过设置盲区，雷达竟然能够探测到被遮挡的料面，且非常稳定。经过这一次实际应用，对西门子雷达物位计的性能有了切身的体会。西门子SITRANS LR操作简便易懂，参数设置一目了然，可谓功能强大，务尽所能，物超所值。