Радарный уровнемер Solidat 3D: функции и применение - Пример угольной электростанции

Абстрактный

В этом документе основное внимание уделяется 3D-радарным измерителям уровня в технологии измерения уровня, объясняются принципы их применения и сравниваются основные функции традиционного радара и 3D-радара. В нем освещаются практические эффекты применения радарных 3D-измерителей уровня Solidat на угольных электростанциях, обеспечивая эталонное решение для задач измерения уровня на угольных электростанциях.

Ключевые слова

Указатель уровня; 3D радар; угольный завод; измерение уровня материала; пыльная среда

1. Обзор

Благодаря ускоренной интеллектуальной трансформации угольной промышленности угольные электростанции значительно увеличили требования к точности, стабильности и интеллектуальным решениям для измерения уровня материалов. Традиционные методы, такие как ручные проверки, ультразвуковые измерители уровня и обычные радарные уровнемеры, сталкиваются с заметными ограничениями: ручные проверки неэффективны и небезопасны, что затрудняет-мониторинг динамики силоса в реальном времени; Ультразвуковые измерители уровня подвержены помехам из угольной пыли, что приводит к сильному затуханию сигнала и большим ошибкам измерения; Хотя обычные радарные уровнемеры частично смягчают помехи от пыли, им по-прежнему трудно обеспечить полный охват в сложных условиях бункера (таких как искривление, отклонение материала или мертвые зоны), что часто приводит к неправильной оценке уровня материала, что нарушает планирование производства и управление запасами.

Среди различных технологий измерения уровня 3D-радарные уровнемеры стали переломным моментом. Используя возможности многолучевого сканирования и трехмерной визуализации, они преодолевают пространственные ограничения традиционных методов и четко визуализируют распределение материала в бункерах. Эти системы не только обеспечивают точные измерения уровня, но также позволяют в реальном-времени отслеживать объем, массу и морфологию отвалов материала. Являясь-решением для интеллектуального измерения уровня на угольных электростанциях, они эффективно устраняют разрыв, оставленный традиционными технологиями в сложных условиях бункеров.

2. Особенности радиолокационной техники

2.1 Характеристики традиционных радаров (включая микроволновые радары и обычные волноводные радары)

Единый размер измерения: он может получать только данные о высоте уровня материала, но не может воспринимать горизонтальное распределение материалов в силосе. Столкнувшись с обычным явлением «отклонения материала» и «арки» в угольном бункере, он не может определить фактический пустой объем в силосе, что легко вызвать отклонение в расчете запасов.

Ограниченная устойчивость к пылевым помехам. Сигналы микроволнового радара склонны к рассеянию и затуханию в средах с высокой-концентрацией угольной пыли. Когда концентрация пыли превышает 50 г/м³, интенсивность отражения сигнала резко падает, что значительно снижает точность измерений. В то время как традиционные радиолокационные системы с направленными волнами менее восприимчивы к помехам от пыли, их зонды чувствительны к прилипанию угольной пыли. Длительное использование приводит к дрейфу сигнала, вызванному накоплением отложений, что требует частой чистки и обслуживания.

Ограниченный охват. Традиционные радары в основном представляют собой конструкции с одним-или узким-лучем, которые могут измерять только «точку» или «линию» внутри бункера и не могут полностью отразить общий статус уровня материала в бункере. Для больших угольных силосов диаметром более 8 метров необходимо объединять и устанавливать несколько устройств для достижения предварительного покрытия, что увеличивает стоимость оборудования и сложность отладки.

2.2 Особенности 3D-радара

Панорамная трехмерная визуализация. Используя технологию многолучевой решетки, эта система одновременно излучает 20-30 высокочастотных радиолокационных лучей, охватывающих как горизонтальную область в 360 градусов, так и вертикальный угол в пределах 0–90 градусов внутри силоса с материалом. Посредством сшивания сигналов и реконструкции данных он генерирует в реальном времени трехмерные изображения материала внутри силоса, четко отображая схемы укладки, положения дуг, степень отклонения материала и мертвые зоны в пустых силосах. Это эффективно устраняет ограничения традиционных радаров, связанные с «невидимостью и неточными измерениями».

Устойчивость к пыли и суровым условиям окружающей среды: 3D-радар использует специальную технологию модуляции сигнала, излучая сигналы мощностью 5-10 мВт (в 5–10 раз выше, чем у обычных микроволновых радаров). Его оптимизированная конструкция длины волны специально соответствует характеристикам частиц угольной пыли, позволяя проникать сквозь пыль с высокой концентрацией (до 100 г/м³) и при этом минимизировать потери на рассеяние сигнала. Обладая степенью защиты IP67, оборудование выдерживает экстремальные температуры (от -40 до 80 градусов) и коррозию, что делает его идеальным для силосов угольных электростанций, где влажность, пыль и колебания температуры являются обычными проблемами.

Многопараметрическое синхронизированное измерение: помимо точного измерения высоты уровня материала (точность ±5 мм, разрешение 1 мм), он также может рассчитывать объем материала (погрешность меньше или равна 2%) и массу (в сочетании с функцией предварительной настройки объемной плотности угля) на основе 3D-изображений, автоматически создавая отчеты о запасах без ручного преобразования. Это обеспечивает прямую поддержку данных для управления запасами угольных электростанций и планирования производства, сокращая ручные статистические ошибки.

Низкие эксплуатационные расходы и интеллектуальная диагностика: устройство не имеет механических движущихся частей, что исключает такие проблемы, как скопление материала и механический износ, присущие традиционным волноводным радиолокационным зондам. Годовое обслуживание сокращается в 1-2 раза. Благодаря встроенным-интеллектуальным диагностическим функциям он контролирует рабочее состояние в режиме реального времени (включая уровень сигнала, целостность луча и каналы связи). При возникновении аномалий сигнала или сбоях оборудования он автоматически отправляет оповещения в центральную систему управления, что значительно снижает риски простоя.

Адаптация к сложным конструкциям силосов: поддерживает измерение угольных силосов различной формы, включая круглую, квадратную и прямоугольную. Благодаря настройке параметров он может преодолевать препятствия, такие как лестницы и смесительные устройства внутри силоса, автоматически фильтровать сигналы помех и не требует дополнительных экранирующих устройств. Он отвечает потребностям измерения различных силосов угольных заводов (таких как силосы для сырого угля, бункеры для очищенного угля и силосы для угольного шлама).

3. Принципы традиционного радара и 3D-радара

3.1 Традиционный радар

Традиционные микроволновые радарные системы работают, излучая одиночный высокочастотный-электромагнитный луч (диапазон ГГц). Они рассчитывают высоту уровня материала, используя время распространения отраженных сигналов (на основе скорости электромагнитной волны, эквивалентной скорости света) по формуле: Высота уровня материала=(скорость распространения электромагнитной волны × время отражения) / 2. Однако в силосах угольных заводов высокие концентрации угольной пыли вызывают многократное рассеяние электромагнитных волн. Часть сигнала поглощается частицами пыли, в результате чего эффективная энергия сигнала, возвращающаяся в антенну приемника, составляет всего 0,5–1% от передаваемой энергии. Это часто приводит к проблемам «отсутствия сигнала отражения» или «сигнала ложного отражения». В то время как традиционные волноводные радиолокационные системы используют волноводы (стальные тросы/стержни) для уменьшения помех от пыли, их сигналы распространяются только вдоль пути волновода. Это ограничение препятствует горизонтальному охвату зон бункера, а накопление материала на стержне зонда может изменить импеданс волновода, вызывая ошибки измерений.

3.2 3Д-радар

3D-радар работает на основе многолучевой-временной-рефлектометрии (много-лучевой TDR) и технологии трехмерной реконструкции данных, основные принципы которой заключаются в следующем:

Многолучевая передача и прием. Антенная решетка радара одновременно излучает несколько высокочастотных-(24 ГГц) электромагнитных лучей. Каждый луч сканирует поверхность материала в бункере под заданными углами (боковой интервал 1 градус -2 градус, продольный охват 0–90 градусов), создавая покрытие, подобное поверхности. Приемная антенна синхронно улавливает отраженные сигналы от каждого луча, записывая время распространения и мощность сигнала каждой группы лучей.

Обработка сигналов и фильтрация помех. Используя специализированные алгоритмы, система обрабатывает несколько отраженных сигналов для фильтрации помех от рассеяния угольной пыли и отражений объектов (на основе пороговых значений мощности сигнала и анализа последовательности луча), сохраняя при этом достоверные сигналы отражения от поверхности. Одновременно он вычисляет трехмерные-координаты (оси X, Y, Z) точек отражения внутри бункера, используя параметры угла луча.

Реконструкция 3D-изображения и расчет параметров: сначала система объединяет 3D-координаты всех действительных точек отражения для создания 3D-модели облака точек материала внутри силоса. Используя технологию рендеринга изображений, он создает интуитивно понятную 3D-визуализацию. На основе этой модели система автоматически рассчитывает максимальную и среднюю высоту уровня материала, а также определяет объем материала с помощью алгоритма интеграции. Объединив эти расчеты с заранее заданными параметрами плотности угля (например, плотность сырого угля 1,3–1,5 т/м³), система в конечном итоге выдает точные данные о количестве материала.

4. Радарный уровнемер Solidat 3D: введение и применение

4.1 Основные технические характеристики продукта

Компания Solidat, ведущий поставщик оборудования для промышленной автоматизации, разработала радарный 3D-указатель уровня (модель: серия SLDL5300) для удовлетворения требований измерения уровня материалов на угольных электростанциях, обладающий следующими основными техническими характеристиками:

Характеристики измерения: диапазон измерения 180 градусов, 360 градусов (подходит для малых, средних и больших угольных складов), точность объема ± 0,5%, точность расстояния 1 мм, настройка плотности поддержки (0,5-3 т/м³), отвечают потребностям измерения различных типов угля.

Связь и вывод данных: поддерживает промышленный Ethernet, AUTBUS, 485 и другие режимы связи, а также может выводить высоту, объем, массу, данные трехмерного изображения уровня материала (поддерживает экспорт формата BMP / JPG), а также совместим с интерфейсом данных центральной системы управления угольной электростанцией.

Установка и ввод в эксплуатацию: верхняя-установка (фланцевое соединение, совместимое с фланцами DN50–DN200) имеет небольшие установочные отверстия, что исключает необходимость значительных модификаций силоса. Ввод в эксплуатацию осуществляется через сенсорный экран или удаленный компьютер.

Эффект визуализации:-высокоскоростная обработка и анализ данных, обработка данных быстро и автоматически выполняется компьютером, простая операционная система с 3D-графикой для достижения трехмерного-воспроизведения измеряемой цели, а также возможность выполнять графическое вращение, перемещение и локальное увеличение, а также другие интерактивные операции, результаты измерений понятны с первого взгляда.

4.2 Вариант применения угольной электростанции

В качестве примера возьмем крупный государственный-угольный завод (годовая мощность 5 миллионов тонн). На заводе имеется 8 силосов для сырого угля (диаметр 10 м, высота 25 м) и 4 силоса для рафинированного угля (диаметр 8 м, высота 20 м). Предыдущее измерение с использованием обычного микроволнового радарного уровнемера имело три проблемы:

Концентрация угольной пыли в силосе для сырого угля высока (в среднем 60 г/м³), а ослабление сигнала микроволнового радара является серьезным. Примерно в 30% случаев эффективные данные об уровне материала получить невозможно, поэтому требуется проверка вручную, что сопряжено с риском падения с большой высоты;

В силосах для коксующегося угля часто наблюдается «материальный дисбаланс» (неравномерный уровень материала с одной стороны). Обычные радиолокационные системы, которые измеряют данные только по одной-точке, не могут обнаружить такие дисбалансы. В результате коэффициент использования фактической емкости бункера составляет 70%, что часто вызывает «сигнал тревоги о заполнении бункера, несмотря на остающееся пустое пространство».

Статистика запасов требует ручной оценки на основе высоты уровней материалов и объема бункеров с материалами на каждом складе. На это уходит 2-3 часа каждый раз, а процент ошибок составляет 5-8%, что влияет на план закупок и график производства.

В начале 2024 года на заводе внедрены радиолокационные уровнемеры 83Д (6 для силосов сырого угля и 2 для силосов рафинированного угля), при этом эффект от применения был значительно улучшен:

Повышенная стабильность измерений: 3D-радар обладает высокой способностью проникать в угольную пыль высокой концентрации, а эффективная скорость приема сигнала увеличивается с 70% до 99,5%. На складе не требуется ручная проверка, что снижает затраты на рабочую силу примерно на 120 000 юаней в год и устраняет угрозу безопасности при работе на высоте;-высотные работы;

Решение проблемы выявления отклонений материала: 3D-изображение отображает распределение материала в очищенном угольном бункере в реальном времени. Когда происходит отклонение материала (разница между двумя сторонами уровня материала более 1 м), система автоматически подает сигнал тревоги и помогает операторам отрегулировать положение подачи. Коэффициент использования емкости бункера увеличен до 90%, что позволяет хранить около 1500 тонн очищенного угля больше каждый год и увеличивает экономическую выгоду примерно на 1,2 миллиона юаней;

Интеллектуальное управление запасами: система автоматически рассчитывает количество угля на каждом складе и создает отчеты о запасах с обновлением данных каждую минуту. Это сокращает время статистики инвентаризации с 2-3 часов до 10 секунд, одновременно снижая уровень ошибок ниже 2%. Он обеспечивает точную поддержку данных для планирования закупок угольных электростанций (например, определение объемов закупок сырого угля на основе темпов потребления запасов) и планирования производства (например, корректировка производительности промывки угля в соответствии с уровнями запасов очищенного угля), эффективно сводя к минимуму сбои в производстве и потери сырья, вызванные неверными оценками запасов.

Кроме того, низкие эксплуатационные характеристики радарного 3D-измерителя уровня также значительно снижают затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание угольной электростанции: за последний год оборудование подвергалось чистке только один раз, и не было зарегистрировано ни одного отказа в остановке. По сравнению с традиционным радаром (который необходимо обслуживать в среднем раз в 3 месяца), ежегодная стоимость обслуживания снижается примерно на 80 000 юаней.

5. Заключение

В 3D-радарных счетчиках уровня Solidat используются новейшие-технологии, включая 3D-изображение, многопараметрические-измерения и надежную защиту от-помех, что позволяет эффективно решать основные проблемы измерения запасов материалов на угольных электростанциях. К ним относятся серьезные помехи от пыли, сложные конфигурации уровней материалов и трудности с отслеживанием запасов. Система не только повышает точность и стабильность измерений, но также обеспечивает интеллектуальную модернизацию управления запасами угольных электростанций и планирования производства. В системе измерения SLDL5300 3D используется узкий луч с высокой-проникающей способностью, который адаптируется к сложным условиям работы и не подвержен влиянию суровых условий окружающей среды, таких как высокие температуры, пылевая коррозия, пар, дождь или туман. Благодаря превосходному соотношению цена-производительность он широко применяется для измерения твердых материалов в различных местах хранения, включая силосы, контейнеры и склады сыпучих твердых материалов. В контексте интеллектуальной трансформации угольной промышленности радарные счетчики уровня Solidat 3D предоставляют надежные и эффективные решения для измерения уровня с широкими перспективами применения. Ожидается, что эти системы в дальнейшем адаптируются к таким сценариям, как беспилотные бункеры угольных электростанций и интеллектуальные складские системы, обеспечивая более мощную поддержку цифрового развития угольной промышленности.