3D料位计在大料仓料位测量中的应用

陈琳(中国石化仪征化纤股份有限公司 聚酯生产中心，江苏 仪征 211900)

3D料位计在大料仓料位测量中的应用

陈琳
(中国石化仪征化纤股份有限公司 聚酯生产中心，江苏 仪征 211900)

聚酯装置PTA料仓的料位对于产品的质量控制和生产平衡起着非常重要的作用。由于PTA粉料具有特殊物理特性以及料仓过大等原因，料仓料位的测量一直是聚酯装置的难点。针对现有聚酯装置PTA粉末料仓料位测量的局限性和历史经验，提出了利用3D料位计测量料位的方法。介绍了三维平面扫描仪(3D料位计)的测量原理、应用特点，详述了调试、安装过程中遇到的问题和解决方法以及投用后取得的效果。

聚酯装置 料位测量 3D料位计

聚酯生产装置用于PTA原料储存的料仓每个高达34 m，直径15 m，容积3600 m3。所储原料PTA粉沫具有一些影响测量的物理特性，如： 粒子间相互作用力，造成自然堆积时料面产生不规则变化；粒子间碰撞造成大部分能量散失及质量传递，若此时与料仓内壁接触的物料停止流动就会产生架桥；物料在输送的过程中，在料仓内形成飞溅，给测量带来干扰。料仓太大，测量原料的特殊物理特性等诸多因素给料仓料位参数的测量带来了很大的困扰。聚酯装置曾使用过多种料位计，均不能完全克服以上影响。

1 几种料位计测量概述

1.1重锤料位计

重锤料位计料位探测是由控制器发出信号来控制，当传感器接到探测命令时，电机正转，使钢丝绳下放，带动重锤由仓顶下降，当重锤降至料面被料面托起而失重，钢丝绳松弛，检测单元发出信号，控制器得到信号即发出电机反转命令，重锤上升返回，重锤回到仓顶完成一次探测过程。此过程中控制器计算出钢缆放出长度，得出重锤从仓顶到料面的距离百分比。但是在使用过程中由于PTA粉沫容易埋锤而最终弃用该料位计。

1.2导波雷达料位计

导波雷达料位计以从仓顶伸入直达仓底的钢缆作为雷达导波通道，微波脉冲沿钢缆外侧向下传播，在被测物料表面被反射，回波被天线接收，由发射与回波脉冲时间差即可计算出传播距离。由于料仓原仪表安装孔(用于旋浆)不适合导波雷达的安装，钢绳在仓内受卸料气流影响，散开后会断裂，从而弃用了导波雷达料位计。

1.3贴面料位计

贴面料位计以应变片贴在料仓裙座上，测量裙座受力的应变力来测量料仓的质量，换算成物料质量来估算料位。但料位计投用后发现了一些其他的因素给测量带来的客观影响，如3个仓在顶部由1个共有平台连接，多路管线与外部连接均影响裙座应力变化，同时受温度、日照等因素也直接影响测量结果，最终由于检测数据与人工敲击测算相差太大而弃用该料位计。

从以上的经验，笔者总结了大料仓料位准确测量应具备的条件： 最好不与物料直接接触，避免类似埋锤的情况发生；须对物料物理特性不敏感(如黏度、密度、介电常数等)，减少物料物理特性带来的误差；空间粉尘不影响测量；须在不改变料仓现有总体状况下可以安装；不受温度和日照的影响，或仪器带温度补偿。

通过对3D料位计原理和特性的研究，基本符合以上要求。

2 3D料位计测量原理及特点

2.1测量原理

3D料位计采用3条天线的布阵方式，由天线内的波束成型器发射主动式2～7 kHz低频声纳(低频声纳可有效穿透粉尘，使测量过程不受内部环境影响)，声波经一定时间后会到达被测料面，由料面反射的回波经过同样的距离和时间回到天线接收器并接收，测得声波往返时间t和方向，利用式(1)即可计算出料位计与反射点的距离。

L=vt/2

(1)

式中：L——料位计与反射点的距离，m；v——声速，m/s；t——往返时间，s。3D料位计根据输入储槽的各项尺寸参数及所测距离，通过式(2)可得出不同值所对应的对角线长度。

{(X-X0)2+(Y-Y0)2+(Z-Z0)2}1/2=R

(2)

式中：X0，Y0，Z0——3D料位计在料仓顶部的安裝位置，m；X，Y，Z——被测点在料仓中的实际空间位置，m；R——被测点所对应的对角线长度，m。

各天线接收每一组回波讯号会产生时间差，计算出在不同时间下Z值对应的X，Y值时所形成的绘图点，通过数字信号处理器对收到的信号进行取样分析，准确测量储存物料的料位、容量和质量，生成容器内产品实际位置的三维演示图，可在远方计算机画面上显示。

2.2料仓料位测量的主要特点

1) 带温度补偿。声波不同于雷达波，须通过介质(空气、固体或液体)传播，其空气中传播速度与温度T有关，v=331.5+0.6T(0 ℃时空气中声速为331.5 m/s)，为使料位测量更为精准，3D料位计内有温度传感器用以补偿计算，使得测量结果更加精准。

2) 测量天线独立。3D料位计使用的智能天线系统3支天线共同工作，但又相互独立，这样可以保证在任何1组收发天线损坏时都不会影响整台仪器的基本工作特性，提升了料位计的可靠度及耐久度。

3) 高穿透性克服粉尘及湿度的干扰。PTA料仓粉料输送一般是通过气体输送，在输送的过程中料仓内经常会粉尘弥漫。在粉尘弥漫的环境下，若使用高频率段的能量波进行测量，测量信号强度的衰减程度会随能量波频率上升而上升，因而高频段能量波(雷达波、超音波等)无法有效穿透粉尘，进而影响发射及接收信号和测量结果。在粉尘高湿度的情况下，仓内弥漫的粉尘又会黏着于天线内部，造成保养及维修上的不便及测量的失准。3D料位计采用低频声纳发射波段，可有效地穿透粉尘，克服粉尘给测量带来的误差。同时，在料位计天线内部表面添加聚亚硫胺薄膜使粉尘不易黏着。仪器运行时利用声纳发射时产生的震荡波，快速清除附着于天线内部的粉尘。因此，即使经过长时间粉尘环境工作，天线外部粘满粉尘，信号也不受影响，维持稳定测量。

4) 直观的3D料位图像。3D料位计可提供直观的三维立体图像，包括料面及整体料仓的三维图。通过3D料位图像，可直观地查看料仓料位面堆积情况以及PTA粉料在整个料仓所处的位置，给PTA粉料堆积特性的经验积累带来便利。

5) 测量结果数据齐全、直观。3D料位计测量结果除了能提供料位值外，还可提供料位百分比、质量、温度、信号信噪比、4～20 mA电信号等数据，同时具有这些数据的历史趋势记录功能，为查看生产历史用料及判断影响测量结果的因素提供了依据。

3 安装和调试

料位计的安装和调试过程包括： 仪器装配地点附近须有24 V直流电源；铺设用于仪器与控制室直接通信的HRAT和RS-485电缆；安装扫描仪，扫描仪的安装位置应在距容器中心至少0.5 m～0.5r(r为容器半径)处，扫描仪天线0°应指向容器中心；电缆连接；扫描仪参数设置；利用料仓空仓进料机会，对料位计测量料位进行校准比对；料位计试运行。

4 料位计试运行后存在的问题及解决办法

3D料位计试运行一段时间后，根据试运行期间积累的测量数据进行比对分析，发现存在几个主要问题。

4.1料位骤增骤减

第1台料位计安装一段时间后，料位出现骤增骤减的情况，持续大约4天后料位值恢复正常。

4.1.1原因分析

料位计安装位置不佳(建议安装位置： 料仓顶至圆心方向距圆心0.5r(3.35 m)处；实际安装位置： 距圆心5.5 m处)，导致信号范围无法完全覆盖整个料仓，进而无法同时观察整个进料过程。如图1所示，料仓料位应该为A，B，C三点的平均值，但由于信号覆盖不完整，实际测量为A，B两点的平均值。当C点与其他两点偏差不大时，对测量结果影响不大，但当C点与其他两点差别大时(如在C点上方形成架桥或堆积时)，如图1b)所示，会出现测量料位与实际料位不符的情况。若此时料仓下方同时在出料，就会出现虽然进出料平衡，但料位显示却持续下降的现象，直至架桥部分崩塌，如图1c)所示，C点PTA粉料重新回到信号覆盖区，测量值出现骤增。

图1 料位计料位测量示意

4.1.2校正动作

1) 关闭由于安装位置不佳而开启的外插法。原因是当开启外插法后，当检测到的点数频繁波动时，计算库存量变化会更加频繁，关闭外插法会稳定料位测量。

2) 开启脉冲压缩功能。原因是信号范围不足，仪表无法观察到非覆盖区的进料过程，导致仪表在信号不足的情况下，将非覆盖区的进料过程信号判断为干扰信号，信噪比强度会加强。开启脉冲压缩功能，会提高检测点的分辨率，将原来错误的绘图点消除。

4.1.3改进措施

由于是第1台3D料位计，安装位置取用了原先雷达导波管料位计移走后的位置，没有在最佳位置处打孔安装，这是料位测量带来误差的主要原因。为避免此类问题，在安装第2台、第3台3D料位计时，将料位计安装在有效范围内，以确保料位计测量信号有效覆盖，均没有出现料位骤增骤减的情况。

4.2进料点与物料堆积位置存在偏差

料位计安装后查看3D图，发现料仓有2个进料点并未进料，但料仓主要堆料区却出现在2个进料点下方。缘由是聚酯PTA料仓的进料点有多处，在初始设置时系统中仅设置了2处，后自行添加其余几个进料点造成。

4.2.1原因分析

由于安装位置不佳，后自行添加的几个进料点不在料位计信号有效覆盖范围内，此时会使仪器将这些有效信号判断为干扰信号，产生误判断。另外，3D图中的料位堆积图形并非进料产生，而是料位堆积或架桥的结果。由于料位堆积面的形状和很多因素有关，如进出料、架桥等，不能简单地从高料位点判断就是进料点。

4.2.2改进措施

系统中输入的信息不是越多越好，在料位计信号有效范围内的信息对料位计的数据采集会有帮助，除此之外的信息添加进系统会对料位计的数据采集产生干扰。

4.2.3校正效果

删除几个新增点后，运行一段时间后观察，料位计测量结果无大的偏差。

5 运行效果

聚酯装置3台3D料位计经过一年多的试运行，在此期间对每台3D料位计的安装位置及设置参数不断完善，测量结果可满足生产的需求。表1所列为其中1台3D料位计试运行阶段测量值与敲击盘点值之间的比较，包括同一料仓贴面料位计与敲击盘点值之间的比较(敲击盘点值是维护人员通过敲击料仓得到的料位面判断料位高度，利用料位高度和PTA密度估算出PTA粉料库存质量，由于料面的不平整性加上敲击点只有一个，因而敲击盘点值本身存在一定的偏差，但与实际料位比较接近)。

表1 聚脂装置测量值与盘点值比对 t

从表1可以看出，3D料位计测量值与敲击盘点值的偏差远小于贴面料位计与敲击盘点值的偏差，测量结果较为准确。

6 结束语

3D料位计测量结果不受测量材料类型、存储容器的种类以及存储环境的影响。3D料位计利用3支独立的天线内波束成型器，发射主动式射频导纳，根据波束到达料面往返时间计算料面高度。它克服了PTA粉料和料仓因特殊物理特性带来的测量难点，为聚酯装置PTA料位测量提供了新的选择。另外，其特有的三维图像功能，能直观地对料仓内部粉料状况进行查看，在聚酯行业的粉料出仓料位测量上，具有较好的推广前景。

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Applicationof3DLevelMeterinBigSiloLevelMeasurement

Chen Lin

(Polyester Production Center, Sinopec Yizheng Chemical Fiber Co. Ltd., Yizheng 211900, China)

The material level of PTA bin plays a very important role in PET plant for the quality and balance control of the products. Due to the fact that PTA powder has special physical characteristics and the bin is too large, measuring the level of PTA bin is always being difficult. In view of existing limitation and historical experience of measurement of PTA bin level in PET plant, a new method of measuring the material level by 3D level meter is proposed. The measuring principle and application features of 3D level scanner (3D level meter) are introduced. Solutions to the problems met in the process of debugging and installation, and the effect after it is put into use are discussed in detail.

PET plant; material level measurement; 3D level meter

稿件收到日期：2013-04-09，修改稿收到日期2013-06-23。

陈琳(1986—)，女，2008年毕业于西南石油大学测控技术与仪器专业，从事仪表技术相关工作，任助理工程师。

TH816

B

1007-7324(2013)05-0064-04