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西門子LR400雷達物位計測量技術在臺山發(fā)電廠的成功應用
臺山發(fā)電廠坐落在全國僑鄉(xiāng)臺山市銅鼓灣,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,一期工程5臺機組總容量為3000MW,第二期工程6臺機組為6000MW,，zui終容量可達9000MW,，1、2號機組分別于2003年12月9日及2004年4月9日投產,。臺電又是廣東省重點工程之一,，也是亞洲目前規(guī)劃建設規(guī)模zui大的火力發(fā)電廠。
臺電的建成將大大緩解廣東用電緊張的壓力,，成為廣東省zui可靠的電源支撐點之一,。為了更好地實現臺電的定位標準，即以更安全為基礎,，更可靠為依據,，更先進為動力，更經濟為宗旨,，更規(guī)范為保障,，更環(huán)保為標準，創(chuàng)*電廠,。在每一臺設備的選擇上,，臺電本著安全可靠的原則，均選擇了成熟可靠的產品解決方案,。
長期以來,，在電廠各個環(huán)節(jié)的固體料倉的料位測量一直是個難點，比如：煤倉,、飛灰倉,、石灰石粉倉等。目前市場可以選擇料位計種類和品牌非常繁多,，參差不齊,。
二、解決方案及技術特點
在經過大量市場的調查和研究,，以及與各物位計生產廠商的技術交流之后,，zui終在臺電的一期工程的五臺600MW機組上選擇了西門子公司提供的料位測量解決方案，該解決方案主要以超聲波和雷達物位計等非接觸式物位測量技術為主,。
1,、超聲波物位測量解決方案及特點
原理及應用：
超聲波料位計基于回波測距原理。超聲波料位計大多采用氣介導聲的方式,，即利用在空氣中傳播的超聲脈沖在被測物體上被反射,，并接收其回波，超聲脈沖來回傳播的時間與聲脈沖傳播距離成正比,，測出聲脈沖行程時間,，就可據之算出物位。
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表面粗糙度（顆粒狀物料的粒徑）有關,。當表面粗糙度與聲波波長接近或大于波長時,，聲波會產生漫反射，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,，經常會因此導致失波的現象（如圖2）,，故測量固態(tài)料面時,，很多廠商會選擇比測量同樣距離的液面發(fā)射更強（大一倍或更大量程）的超聲波能量。
另外,，在固體的料位測量中,，不可避免會產生一些粉塵；而粉塵會吸收超聲波的能量,，而使回波能量被衰減,。因此，超聲波技術一般都用于測量顆粒度較大的固體料位,，比如：原煤倉等,。
技術特點：
聲阻匹配技術。
不同于其他公司的產品,，西門子采用了一種聲阻匹配的技術來作為測量固體料位的主要技術,。采用低密度的介質緊貼在超聲波發(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量技術中成本zui低、可靠性zui高,、應用的一種技術,。據測試，采用聲阻匹配技術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),。
當量程增加時，超聲波探頭的發(fā)射能量也需要大大的增加,，同時也需要降低發(fā)射頻率來減少超聲波能量在長距離的傳輸中衰減,。但是采用以上技術，也會帶來一些“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)克服了上述技術的缺點,。它選擇使用了多個（不是一個）晶振作為發(fā)射源,；相對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,。
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,，除了進行傳輸和識別超聲波探頭脈沖信號,，同時也進行溫度信號的傳輸以實現溫度補償的作用。不同于常見的三線制模式,，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的同軸電纜,。它的優(yōu)點是：傳輸距離zui長可達365m,，zui大程度地實現多點測量；zui有效地克服來自環(huán)境的噪聲,，使回波信號更加可靠穩(wěn)定,。
2、雷達物位測量解決方案及特點
原理及應用：
微波物位計和超聲波物位計一樣,，也是基于回波測距原理的物位測量方式,。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,，電磁波到達目標并經反射返回接收器這一來回所用的時間幾乎是瞬間的,。
西門子推出的Sitrans LR400固體型雷達是專門用于測量粉狀固體料位的雷達物位計，比如：電廠的飛灰倉,、粉煤倉,、石灰石粉倉等。
技術特點：
K波段高頻技術,。
微波物位計的典型波段為 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。
在過去很長一段時間,，非接觸式雷達物位測量技術被認為只能測量液體介質,。西門子提出采用K波段（24GHz）的雷達測量技術，能大大改善雷達波在固體表面的發(fā)射效果，從而達到測量固體料位的理論,。
這是因為：根據波的特性公式：波的速度=波的頻率X波長,，高頻的微波相對低頻的微波而言，具有更小的波長,，在傾斜的粗糙的固體表面能夠形成更多的發(fā)射,，使微波測量固體的可靠性也大大地提高了。目前,，這一理論已經被各家雷達物位計生產商所接受,，并成為固體型雷達料位計的標準。
另外,，由于采用高頻率的微波技術,，根據雷達天線增益的公式：
其中：η為孔徑系數；
D為天線的尺寸,；
λ為微波的波長,。
可以推出，采用K波段的雷達物位計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微波物位計采用線性的調制的高頻信號,。它是一種基于復雜數學公式的間接測量方法，由頻譜計算出物位距離,。天線發(fā)射出被線性調制的連續(xù)高頻微波信號并進行掃描,，同時接收返回信號。發(fā)射微波信號和返回的微波信號之間的頻率差與到介質表面的距離成一定比例關系,。
采用FMCW原理的微波物位計都具有連續(xù)自校準的處理功能,。被處理的信號與一個表示已知固定距離的內部參照信號進行比較。任何差值會自動得到補償,，這樣消除了由溫度波動或變送器內部電子部件老化引起的可能的測量漂移,。采用FMCW的工作原理的雷達物位計的精度、穩(wěn)定性和可靠性一般都要優(yōu)于脈沖方式的雷達物位計,。
固體料面由于本身的形狀和表面特性比較復雜,，而且還處于不斷地變化中。因此,，料位測量結果的穩(wěn)定性和可靠性的提高對于系統(tǒng)控制來說至關重要,。
四線制供電。
在粉塵大,、量程大,、料面安息角較大而導致能量散射嚴重的工況中,，經常會因為回波信號微弱而導致失波，甚至儀表工作“死機”,。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要強得多,，使其可靠性達到的狀態(tài)。
三,、安裝和調試
安裝位置的選擇
1,、盡可能選擇遠離進料口的位置，以避免在進料狀態(tài)時,，超聲波或雷達波束感應到物料而造成誤動作,。
2、盡量保證在超聲波或雷達在有效測量范圍內的波束不會“接觸”到任何障礙物,，比如：人梯,、橫梁、攪拌器等,。
3、測量點選擇能夠準確反映平均料位的位置,。如進料口是在中心位置的話,，物料會在進料時形成中間高四周低的形狀，將測量點選擇在中間不能反映真實可信的料位,。
瞄準器
在測量固體料位時,，通常料位計不會安裝在中心位置，而進料口是在中間位置,，一般都需要用到瞄準器來調整探頭的角度,，一般都是選擇瞄準出料口。因為大多數固體料倉的底部是錐形的,，在空倉的情況下,，如果探頭的安裝是垂直往下的，那么就可能會造成回波打在料倉底部無法回收,。如調整瞄準器的安裝角度,，則可從物料上收到zui有效的漫反射回波，保證測量得到zui可靠的回波,。
超聲波料位的瞄準器需要另外配置,，也可以自己簡單地制作。Sitrans LR400固體型雷達則將瞄準器作為標準配置,，并且為了適應工況需要 -- 很多混凝土料倉的倉頂較厚,，將喇叭口天線設計地比較長，可以深入倉內,，以避免由于倉頂過厚造成的干擾,。而且，Sitrans LR400固體型還提供了延長管的設計，以滿足過長的安裝立管的要求,。
方便的調試
西門子公司的物位計設計了更加人性的安全的現場儀表調試方式,，它可以通過一種紅外手操器對儀表進行參數設定，而不需要像很多儀表一樣,，需要直接接觸儀表顯示屏進行操作,，使操作工人更加方便；而且,，手操器本身也提供了本質安全的防爆認證,，即使在防爆區(qū)內，也同樣可以進行調試操作,。
四,、使用效果
臺山發(fā)電廠先后在1期工程的5個機組中，分別采用超聲波和雷達料位計來解決料位測量的問題,。經過廠家的安裝指導和調試后,，這些儀表的使用效果令人滿意。和以往的料位測量方式相比,，西門子公司的提供的物位解決方案相當可靠,，基本上不需要維護。