孔板流量计在高温锅炉中应用

0引言
柳钢现有8座高炉,年产铁水约600万t,大部分高炉使用的是无料钟炉顶方式,在高炉生产中,高炉料位、高炉布料仓料位和鱼雷罐液位等都是非常重要的数据,它们对于保证高炉炉况的顺行、提高生产效率和提高生产安全性起着非常重要的作用。由于高炉炉内温度非常高（一般都超过300e）,因此,高炉物位测量一直是个难题。过去高炉的料位都采用了机械式的料位测量,安装复杂,维护困难,测量的数据精度不够准确,随着一些新技术的应用,一些钢铁公司一直致力于寻找一种使用寿命长、性能可靠、维护量低、测量度高的经济性的解决方案。
高炉生产中,为了保证鱼雷罐和铁路的安全,还需要测量鱼雷罐车的铁水液位,使操作工能及时了解鱼雷罐内铁水的容量。
经过几年的实践,柳钢的高炉生产逐步采用了多种孔板流量计进行铁水罐位的测量,并取得了较好的测量效果。本文以孔板流量计为例,介绍孔板流量计在柳钢高炉的应用。
1测量原理
柳钢鱼雷罐液面测量采用了孔板流量计,它是专门针对粉状固体的测量特点而研发的非接触式孔板流量计,使用24GHz微波作为测量信号,其波长较其他频段的雷达波的波长要短得多。一般来讲,固体料面的形状倾斜而且粗糙,较小的波长可以zui大程度保证发射出去的雷达波能够在粗糙的固体表面zui大程度地被反射回雷达探头。
孔板流量计采用FMCW连续调频的工作方式,如图1所示。其基本测量原理是,探头同时进行雷达波的发射和接收,类似通信中的全双工;LR400采用了波形为锯齿型的微波,发射波及经固体表面反射后形成的回波之间产生一个相位差,这个相位差通过快速傅里叶转换后,形成一个频谱,这个频谱与雷达物位计测量的距离呈线性关系。因此,通过对锯齿波相位的检测即可得到一个高精度的物位信号。依据FMCW测量原理,雷达波能够*地/射0向测量介质,使其抗*力加强,失波的可能性降到zui低,从而提高了它的可靠性。

孔板流量计采用四线制设计。四线制的设计保证了仪表有足够的功率,发射足够强的能量来满足恶劣的测量条件,LR400能够测量介电常数低至1.5的介质（自然界绝大部分介质的介电常数大于115）,zui大量程50m。
由于使用高频信号,因此,发射角度zui小可到8b,能够zui大程度地避开固定干扰的影响。
推出的固体型LR400雷达在以往的基础上,作了很多改进,这些改进是:
（1）新瞄准器,将瞄准器作为新的固体型雷达的标准配置。瞄准器可保证LR400即使用于介质表面倾斜角度较大的工况,介电常数较低的化学品粉末也能得到较强的信号。
（2）提供了2,3,4英寸（518,7162,10116cm）三种不同尺寸的喇叭天线的选择,能够满足不同的现场要求。
（3）改进了LR400的固体算法,能够专门适用于各种复杂的固体测量。
（4）采用了新的算法,导波性能得到很大提高,增加了延长管（zui长至592mm的天线设计）的选项,使其能够满足一些安装立管较长、仓顶过厚的安装条件。
（5）设计了新的PTFE平面防尘窗口,在粉尘扬气非常大的工况工作也能非常稳定。
值得一提的是,现场的工况比较恶劣,常有矿石掉落在现场,由于LR400的标准配置是坚实的铝外壳设计,因此即使在恶劣的现场工况,LR400也能正常工作
2在高炉上的应用
高炉的料位测量有三部分
（1）高炉料面测量。需要使用物位计测量准备添加到高炉内的矿料,料位控制需要保证料位维持在一定的高度,这一测量点需要的测量范围zui大约为5~6m。
（2）高炉布料仓的矿渣料位测量的主要的困难是,仓顶顶部的温度非常高,一般超过600e,仓顶顶部厚度较大,约在1~115m左右。
（3）对鱼雷罐铁水液面的测量。铁水温度达1000e以上。被测量的介质是液体,因此主要问题是如何解决高温问题。
以鱼雷罐铁水液面测量为例,应用孔板流量计尝试了三种不同的方法解决高温问题,均取得良好效果。
（1）在加长的安装立管上安装氮气通道,注入氮气以降低孔板流量计的喇叭天线口过程温度。
（2）采用导波弯管的设计,避开由于辐射引起的超高温。利用LR400的导波特性,设计制作导波弯管来避开仓顶安装出口处的高温气体,为了降低传导热的影响,整个导波管的长度超过2m,使管内高温气体能够得到足够的降低。安装了导波弯管后,安装法兰口的温度小于100e,经过2~3星期的现场使用,物位测量结果基本准确,见图2。

（3）由于LR400具有很小的发射角度8b,因此,使LR400的喇叭天线与安装口保持一定的距离,以降低过程中的超高温。
3方案优化
在鱼雷罐铁水液面的测量中,由于罐口结渣以后可视面积比较小,会造成导波管无法对准罐口进行测量;并且由于鱼雷罐车进料口不断扬起的灰尘容易粘附在导波弯管管口上,造成仪表在使用一段时间后,出现信号漂移直至出现高位报警的现象。
如果制作一个带大喇叭口的导波弯管从理论上讲,是可以解决如上问题,但是制作带喇叭口的导波弯管难度较大（不允许有明显的焊缝）,且费用较高。
因此,通过对西门子Sitrans系列雷达液位计的了解,西门子雷达液位计集成了的声智能回波处理技术,可以通过对复杂的回波修正的方式来消除杂波的干扰。因此,可以考虑直接在除尘罩上安装雷达物位计,把探头至罐口这段距离的干扰回波通过西门子PDM软件来消除,直接读取罐口以下的波形进行测量。这种优化的方案相对而言,具有使用和安装成本低,无需压缩气体吹扫,提高了系统的可靠性等优点。
4结束语
高炉料位的测量比较特殊,很多单位使用过不同的测量方法,从柳钢的测量效果看,孔板流量计在高炉上的应用可以充分发挥固体型雷达的特点,减少维护工作量,保证高炉的安全生产。