补充"西门子物位测量技术在台山发电厂的成功应用"
摘要：
本文通过介绍了亚洲目前规划建设规模最大的火力发电厂— 台山发电厂的采用先进的西门子物位测量技术解决煤仓等固体料仓的料位测量问题。
关键字：超声波；雷达；声阻匹配；24GHz；FMCW
一、引言
台山发电厂坐落在全国著名侨乡台山市铜鼓湾,厂区三面环山,南面临海,与广东省著名的旅游胜地上、下川岛隔海相望。该电厂整体工程分两期建设,一期工程5台机组总容量为3000MW,第二期工程6台机组为6000MW，最终容量可达9000MW，1、2号机组分别于2003年12月9日及2004年4月9日投产。台电又是广东省十大重点工程之一，也是亚洲目前规划建设规模最大的火力发电厂。
台电的建成将大大缓解广东用电紧张的压力，成为广东省最可靠的电源支撑点之一。为了更好地实现台电的定位标准，即以更安全为基础，更可靠为依据，更先进为动力，更经济为宗旨，更规范为保障，更环保为标准，创国际一流电厂。在每一台设备的选择上，台电本着安全可靠的原则，均选择了国内最成熟可靠的产品解决方案。
长期以来，在电厂各个环节的固体料仓的料位测量一直是个难点，比如：煤仓、飞灰仓、石灰石粉仓等。目前市场可以选择料位计种类和品牌非常繁多，参差不齐。
二、解决方案及技术特点
在经过大量市场的调查和研究，以及与各物位计生产厂商的技术交流之后，最终在台电的一期工程的五台600MW机组上选择了西门子公司提供的料位测量解决方案，该解决方案主要以超声波和雷达物位计等非接触式物位测量技术为主。
1、超声波物位测量解决方案及特点
原理及应用：
超声波料位计基于回波测距原理。超声波料位计大多采用气介导声的方式，即利用在空气中传播的超声脉冲在被测物体上被反射，并接收其回波，超声脉冲来回传播的时间与声脉冲传播距离成正比，测出声脉冲行程时间，就可据之算出物位。
超声波在粗糙的固态表面（包括颗粒状物料表面）上的反射状况与声波波长表面粗糙度（颗粒状物料的粒径）有关。当表面粗糙度与声波波长接近或大于波长时，声波会产生漫反射，类似光波在毛玻璃上的反射。由于漫反射的作用，超声波的大部份能量都散射了，返回的只是一小部份能量，经常会因此导致失波的现象（如图2），故测量固态料面时，很多厂商会选择比测量同样距离的液面发射更强（大一倍或更大量程）的超声波能量。
另外，在固体的料位测量中，不可避免会产生一些粉尘；而粉尘会吸收超声波的能量，而使回波能量被衰减。因此，超声波技术一般都用于测量颗粒度较大的固体料位 ，比如：原煤仓等。
技术特点：
声阻匹配技术。
不同于其他公司的产品，西门子采用了一种声阻匹配的技术来作为测量固体料位的主要技术。采用低密度的介质紧贴在超声波发射表面，以降低超声波探头声阻，使发生的超声波能量衰减大到最小。这也是目前所有的超声波固体测量技术中成本最低、可靠性最高、应用最为广泛的一种技术。据测试，采用声阻匹配技术的超声波探头比普通的超声波探头的性能要提高5~6倍。
矩阵式声源系统。
当量程增加时，超声波探头的发射能量也需要大大的增加，同时也需要降低发射频率来减少超声波能量在长距离的传输中衰减。但是采用以上技术，也会带来一些“副作用”：波束角增大；超声波能量发散；探头表面的“自清洁”功能不明显，容易粘结物料（如图3）；较低的发射频率容易受到自然噪声的干扰；精度低等一系列问题。
西门子公司采用矩阵式声源系统克服了上述技术的缺点。它选择使用了多个（不是一个）晶振作为发射源；相对于普通的超声波探头，它的发射频率更高，波束角更小（可至6º），表面的震动能量更大，“自清洁”的作用更明显；抵御环境噪声的能力也更强。
两线制连线方式。
西门子公司的超声波探头一般都采用两线制模式，除了进行传输和识别超声波探头脉冲信号，同时也进行温度信号的传输以实现温度补偿的作用。不同于常见的三线制模式，两线制模式既可以选择双绞屏蔽线作为传输线缆，也可以选择抗干扰能力更强的同轴电缆。它的优点是：传输距离最长可达365m，最大程度地实现多点测量；最有效地克服来自环境的噪声，使回波信号更加可靠稳定。
2、雷达物位测量解决方案及特点
原理及应用：
微波物位计和超声波物位计一样，也是基于回波测距原理的物位测量方式。不同的是，它是一种电磁波，在传播的过程不需要传输媒介的传递，因此基本上不需要考虑挥发性气体和蒸汽、温度、压力（真空）、甚至粉尘的影响。
微波和所有的电磁波一样在自由空间中是以光速(300,000,000m/s)传播，电磁波到达目标并经反射返回接收器这一来回所用的时间几乎是瞬间的。
西门子推出的Sitrans LR400固体型雷达是专门用于测量粉状固体料位的雷达物位计，比如：电厂的飞灰仓、粉煤仓、石灰石粉仓等。
技术特点：
K波段高频技术。
微波物位计的典型波段为 5.8 GHz、10GHz 、24 GHz。通常我们称5.8GHz（或6.3GHz）的频率为C波段微波；10GHz的频率为X波段微波; 24GHz（或26GHz）的频率为K波段微波。
在过去很长一段时间，非接触式雷达物位测量技术被认为只能测量液体介质。西门子提出采用K波段（24GHz）的雷达测量技术，能大大改善雷达波在固体表面的发射效果，从而达到测量固体料位的理论。
这是因为：根据波的特性公式：波的速度=波的频率X波长，高频的微波相对低频的微波而言，具有更小的波长，在倾斜的粗糙的固体表面能够形成更多的发射，使微波测量固体的可靠性也大大地提高了。目前，这一理论已经被各家雷达物位计生产商所接受，并成为固体型雷达料位计的标准。
另外，由于采用高频率的微波技术，根据雷达天线增益的公式：
其中：η为孔径系数；
D为天线的尺寸；
λ为微波的波长。
可以推出，采用K波段的雷达物位计可以采用较小的喇叭口得到较大的增益值，因此一般24GHz的雷达一般只需要采用4”的喇叭口天线就可以得到非常好的性能，使安装变得更加方便。
FMCW工作原理。
FMCW微波物位计采用线性的调制的高频信号。它是一种基于复杂数学公式的间接测量方法，由频谱计算出物位距离。天线发射出被线性调制的连续高频微波信号并进行扫描，同时接收返回信号。发射微波信号和返回的微波信号之间的频率差与到介质表面的距离成一定比例关系。
采用FMCW原理的微波物位计都具有连续自校准的处理功能。被处理的信号与 一个表示已知固定距离的内部参照信号进行比较。任何差值会自动得 到补偿，这样消除了由温度波动或变送器内部电子部件老化引起的可能的测量漂移。采用FMCW的工作原理的雷达物位计的精度、稳定性和可靠性一般都要优于脉冲方式的雷达物位计。
固体料面由于本身的形状和表面特性比较复杂，而且还处于不断地变化中。因此，料位测量结果的稳定性和可靠性的提高对于系统控制来说至关重要。
四线制供电。
在粉尘大、量程大、料面安息角较大而导致能量散射严重的工况中，经常会因为回波信号微弱而导致失波，甚至仪表工作“死机”。采用四线制的供电方式保证了仪表的发射功率较一般的两线制的雷达要强得多，使其可靠性达到最理想的状态。
三、安装和调试
安装位置的选择
1、尽可能选择远离进料口的位置，以避免在进料状态时，超声波或雷达波束感应到物料而造成误动作。
2、尽量保证在超声波或雷达在有效测量范围内的波束不会“接触”到任何障碍物，比如：人梯、横梁、搅拌器等。
3、测量点最好选择能够准确反映平均料位的位置。如进料口是在中心位置的话，物料会在进料时形成中间高四周低的形状，将测量点选择在中间不能反映真实可信的料位。
瞄准器
在测量固体料位时，通常料位计不会安装在中心位置，而进料口是在中间位置，一般都需要用到瞄准器来调整探头的角度，一般都是选择瞄准出料口。因为大多数固体料仓的底部是锥形的，在空仓的情况下，如果探头的安装是垂直往下的，那么就可能会造成回波打在料仓底部无法回收。如调整瞄准器的安装角度，则可从物料上收到最有效的漫反射回波，保证测量得到最可靠的回波。
超声波料位的瞄准器需要另外配置，也可以自己简单地制作。Sitrans LR400固体型雷达则将瞄准器作为标准配置，并且为了适应工况需要 -- 很多混凝土料仓的仓顶较厚，将喇叭口天线设计地比较长，可以深入仓内，以避免由于仓顶过厚造成的干扰。而且，Sitrans LR400固体型还提供了延长管的设计，以满足过长的安装立管的要求。
方便的调试
西门子公司的物位计设计了更加人性的安全的现场仪表调试方式，它可以通过一种红外手操器对仪表进行参数设定，而不需要像很多仪表一样，需要直接接触仪表显示屏进行操作，使操作工人更加方便；而且，手操器本身也提供了本质安全的防爆认证，即使在防爆区内，也同样可以进行调试操作。
四、使用效果
台山发电厂先后在1期工程的5个机组中，分别采用超声波和雷达料位计来解决料位测量的问题。经过厂家的安装指导和调试后，这些仪表的使用效果令人满意。和以往的料位测量方式相比，西门子公司的提供的物位解决方案相当可靠，基本上不需要维护。
