徐樂(lè)宇

(鐵法煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司煤層氣開(kāi)發(fā)利用分公司, 遼寧 112700)

1 概述

鐵法煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司煤層氣開(kāi)發(fā)利用分公司(以下簡(jiǎn)稱煤層氣公司)隸屬于鐵法煤業(yè)集團(tuán),擁有完善的煤層氣綜合利用管網(wǎng)系統(tǒng)，地面輸、儲(chǔ)、配管路約250km。通過(guò)采取反供氣方式，使各罐區(qū)、電站之間的高、低濃度氣源可以任意調(diào)配，最大限度地利用煤層氣資源，濃度在12%以上的煤層氣綜合利用率達(dá)93%。有7個(gè)罐區(qū)11座煤氣儲(chǔ)氣罐，其中，低壓濕式儲(chǔ)氣罐7座，干式儲(chǔ)氣罐1座，中壓球罐1座，加上鐵嶺港華公司5×104m3和山東奧德集團(tuán)8×104m3兩座干式儲(chǔ)氣罐，總儲(chǔ)氣能力達(dá)22.25×104m3。螺旋濕式儲(chǔ)氣罐在整個(gè)鐵法礦區(qū)煤層氣供應(yīng)系統(tǒng)里起到了至關(guān)重要的作用。儲(chǔ)氣罐作為整個(gè)煤層氣輸、儲(chǔ)、配系統(tǒng)的樞紐與中心，其對(duì)于協(xié)調(diào)氣源供應(yīng)，確保穩(wěn)定供氣，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。儲(chǔ)氣罐的實(shí)時(shí)罐容量值是協(xié)調(diào)氣源調(diào)配的關(guān)鍵參考參數(shù)。罐容儀則是罐容標(biāo)示的關(guān)鍵設(shè)備之一。因此罐容儀的穩(wěn)定工作及準(zhǔn)確測(cè)量就顯得越發(fā)重要。EXIN-CGA燃?xì)夤駜?chǔ)量測(cè)量?jī)x，是原儲(chǔ)氣罐的配套設(shè)備。

此罐容自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)是自主研發(fā)并設(shè)計(jì)制作的罐容顯示儀，系統(tǒng)由核心部分的激光傳感器和外圍輔助系統(tǒng)組成。測(cè)試儀通過(guò)計(jì)算激光傳感器每次從發(fā)射激光束到接收到激光返回的時(shí)間，從而計(jì)算距離。計(jì)算結(jié)果通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行整合計(jì)算，并將所測(cè)得的距離以485信號(hào)作為輸出信號(hào)，輸出到顯示屏的計(jì)算單元上。顯示屏根據(jù)信號(hào)內(nèi)容進(jìn)行編譯，并最終以數(shù)字形式進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。用激光測(cè)量濕式儲(chǔ)氣罐罐容的技術(shù)，在國(guó)內(nèi)尚屬首次應(yīng)用。經(jīng)過(guò)在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用證明，其完全可以代替原罐容儀使用，并且其具有自動(dòng)化程度高、安全穩(wěn)定、易維修免維護(hù)等特點(diǎn)。

2 提出問(wèn)題

如圖1所示，在向儲(chǔ)氣罐內(nèi)注氣的時(shí)候，首先一塔升起，繼續(xù)注氣則按順序二塔和三塔升起。在各塔升起的過(guò)程中，每層塔在橫向限定的距離范圍內(nèi)(如圖1所示的A點(diǎn)至B點(diǎn)間)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，各塔在縱向發(fā)生位移(如圖1所示的C點(diǎn)至D點(diǎn))，由此形成一種螺旋式的提升過(guò)程。一塔自橫向A點(diǎn)開(kāi)始發(fā)生橫向位移，至B點(diǎn)結(jié)束，同時(shí)一塔在縱向上，從C點(diǎn)開(kāi)始發(fā)生縱向位移，至D點(diǎn)結(jié)束。并完成整個(gè)一塔的提升過(guò)程，而后二塔以同樣方式開(kāi)始提升，在二塔升起結(jié)束，三塔也以同樣的運(yùn)動(dòng)方式開(kāi)始提升，在三塔全部升起后，儲(chǔ)氣罐完成一個(gè)行程的注氣過(guò)程。在儲(chǔ)氣罐向終端輸送氣的過(guò)程中，各塔的下降過(guò)程則與升起的過(guò)程完全相反，此處不再贅述。

1—滑輪；2—導(dǎo)軌；3—鋼繩；4—接線盒；5—定滑輪組；6—導(dǎo)向器；7—發(fā)訊器；8—?jiǎng)踊喗M；9—重錘；10—地腳；11—灌頂圍欄；12—水罐圍欄圖1 EXIN-CGA燃?xì)夤駜?chǔ)量(高度)測(cè)量?jī)x的構(gòu)造

圖2 原罐容儀運(yùn)行狀況的示意圖

此處描述儲(chǔ)氣罐的運(yùn)行方式，旨在說(shuō)明原罐容儀的運(yùn)行狀態(tài)，并分析在儲(chǔ)氣罐運(yùn)行過(guò)程中，原罐容儀經(jīng)常損壞的原因。由圖1罐容儀各構(gòu)造可知，原罐容儀在罐頂?shù)难b置由滑輪與導(dǎo)軌組成。一塔平臺(tái)的裝置為位移傳感器，通過(guò)測(cè)量鋼繩上下的位移量進(jìn)而顯示罐高數(shù)據(jù)。圖2為原罐容儀的正視圖，如果希望罐容儀顯示準(zhǔn)確的罐高度，則FH方向的鋼繩位置是理想的位置。但是在實(shí)際的生產(chǎn)中，鋼繩方向卻往往處于EH到FH與FH到GH范圍內(nèi)的偏差位置。處于偏差位置的主要原因就是在罐頂?shù)幕喤c導(dǎo)軌的配合問(wèn)題。導(dǎo)軌與滑輪為機(jī)械式接觸，為了保證通暢的滑動(dòng)，需要進(jìn)行定期的注油。

盡管做了非常細(xì)致的日常維護(hù)工作，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，由于機(jī)械式接觸的滑輪與導(dǎo)軌配合問(wèn)題無(wú)法得到有效改善，鋼繩位置依然大多處于EH或GH等非理想方向上，這是造成測(cè)量誤差的主要原因。測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，則無(wú)法為氣源調(diào)度人員提供數(shù)據(jù)參考，對(duì)氣源的調(diào)配工作造成一定壓力。每當(dāng)鋼繩處于非理想方向時(shí)，鋼繩都將對(duì)滑輪與導(dǎo)軌的接觸點(diǎn)產(chǎn)生巨大的應(yīng)力，巨大應(yīng)力的產(chǎn)生將對(duì)鋼繩產(chǎn)生應(yīng)力拉伸損傷，這是造成鋼繩斷裂的主要原因。鋼繩斷裂，直接造成鋼繩從30m高空墜落，其具有極大的危險(xiǎn)性，這給安全生產(chǎn)造成巨大壓力。另外，每次罐容儀損壞，都要進(jìn)行及時(shí)的維修。儲(chǔ)氣罐停止運(yùn)行，將造成區(qū)域大面積停氣，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)負(fù)面影響，因此每次維修過(guò)程都需要在線維修。由于維修工程涉及高空作業(yè)，維修成本高，維修安全壓力大。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 方案選擇

為了解決原罐容儀在生產(chǎn)實(shí)踐中的各種問(wèn)題，決定采用非接觸式的測(cè)量方式。以下通過(guò)查閱專業(yè)資料，對(duì)時(shí)下流行的超聲波測(cè)距與激光測(cè)距的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如下：

(1)超聲波檢測(cè)的目標(biāo)必須與超聲波發(fā)生器處于垂直方向，且偏角不大于10°。

(2)超聲波被測(cè)物體的反射面要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光被測(cè)物體的反射面，因?yàn)橐话愠暡ㄊ陔x開(kāi)傳感器2m遠(yuǎn)時(shí)直徑為0.76cm。

(3)超聲波測(cè)距受測(cè)距現(xiàn)場(chǎng)的噪音影響較明顯，而激光測(cè)距則不受噪音影響。

(4)超聲波測(cè)距受空氣中濕度、氣溫等影響較明顯，而激光測(cè)距則不受影響。

(5)激光測(cè)距實(shí)時(shí)響應(yīng)的速度要優(yōu)于超聲波測(cè)距。

(6)在測(cè)量精度上，激光測(cè)距為毫米級(jí)，要遠(yuǎn)由于超聲波測(cè)距的厘米級(jí)。

(7)超聲波測(cè)距廣泛適應(yīng)用于20m以內(nèi)的距離測(cè)量；激光測(cè)距距離可達(dá)千米級(jí)。

根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際要求，項(xiàng)目設(shè)計(jì)決定采用激光測(cè)距的方式。激光測(cè)距是指利用射向目標(biāo)的激光脈沖測(cè)量目標(biāo)距離的一種距離測(cè)量方式。脈沖激光測(cè)距法激光的發(fā)散角小，激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短，瞬時(shí)功率極大，因而可使激光測(cè)距系統(tǒng)具有方向性好，測(cè)距精度高，測(cè)程遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)的原理是，在測(cè)距點(diǎn)向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射一束短而強(qiáng)的激光脈沖，光脈沖發(fā)射到目標(biāo)后一小部分激光反射到測(cè)距點(diǎn)被光功能接收器接收。設(shè)目標(biāo)距離為L(zhǎng)，激光脈沖往返經(jīng)過(guò)的時(shí)間為t，光在空氣中傳播的速度為s，則測(cè)距公式如下：L=st/2。

3.2 系統(tǒng)要求

(1)由于罐容儀是應(yīng)用于易燃易爆場(chǎng)合，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須要確保防爆要求，并達(dá)到ExdIICT5等級(jí)的防爆技術(shù)要求。

(2)由于電子產(chǎn)品受環(huán)境溫度影響較大，因此需要確保激光傳感器處于適合的工作溫度下。

(3)選擇并制作適合的反射面，以保證經(jīng)反射后的激光脈沖能夠有效的被接收。

(4)激光傳感器測(cè)量后的數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換成通訊信號(hào)，并最終轉(zhuǎn)換成直觀的影像顯示。

(5)測(cè)量距離要求達(dá)到厘米級(jí)顯示。

(6)測(cè)量數(shù)據(jù)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)顯示。

3.3 系統(tǒng)構(gòu)成

激光測(cè)距儀為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，整個(gè)系統(tǒng)采用非接觸式測(cè)距方式。激光脈沖代替代替原系統(tǒng)的鋼繩裝置。激光測(cè)距儀替代原罐容儀在一塔平臺(tái)上的所有機(jī)械測(cè)距整合。新系統(tǒng)將取消原系統(tǒng)所有的滑輪組、發(fā)訊器、導(dǎo)向器及重錘等設(shè)備。關(guān)于反射面，只需在原導(dǎo)軌支架的各支撐骨架間架設(shè)反射面板即可。為了使激光測(cè)距儀能夠在不受反射角度影響的前提下準(zhǔn)確接收反射的激光脈沖，反射面要求是具有漫反射的材質(zhì)即可，另外要綜合考慮反射面在大風(fēng)等極端天氣狀況下的穩(wěn)固要求。系統(tǒng)采用3mm厚鐵板焊接于原導(dǎo)軌骨架的方案。深色的物體表面，具有對(duì)光較強(qiáng)的吸收能力，因此反射面需要噴涂淺顏色面漆，以確保最大限度的反射激光脈沖信號(hào)。激光測(cè)距儀測(cè)得的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，因此系統(tǒng)里設(shè)計(jì)安裝一塊LED屏，用于顯示罐容高度值。

4 系統(tǒng)實(shí)施

整個(gè)激光測(cè)距系統(tǒng)包括：罐頂反射面、激光測(cè)距儀和顯示屏三部分組成。其中主要需要解決的問(wèn)題包括：激光測(cè)距傳感器的選型、為激光傳感器配備輔助系統(tǒng)、傳感器發(fā)送的信號(hào)與顯示屏的接駁、顯示屏的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示以及防爆問(wèn)題。

4.1 激光測(cè)距傳感器選型

所選擇的激光測(cè)距傳感器為武漢祥瑞天和科貿(mào)有限公司生產(chǎn)的“承拓”系列，型號(hào)為G1020204的測(cè)距產(chǎn)品(表1)。

在系統(tǒng)實(shí)施的過(guò)程中，需要進(jìn)行激光傳感器輸出信號(hào)與顯示屏的接駁，因此需要詳細(xì)了解此激光傳感器的通訊協(xié)議(表2)。

表1 激光傳感器主要技術(shù)參數(shù)

表2 激光傳感器通訊協(xié)議

圖3 測(cè)距系統(tǒng)的恒溫控制系統(tǒng)示意圖

圖4 溫度控制器電器接線圖

4.2 恒溫系統(tǒng)

由于此測(cè)距系統(tǒng)的核心部分，即激光測(cè)距傳感器的工作溫度為-8～40℃。此測(cè)距系統(tǒng)又是工作在室外環(huán)境中，根據(jù)北方地區(qū)的自然環(huán)境條件，冬季室外溫度經(jīng)常在-10℃以下，因此，設(shè)計(jì)并制作一套溫控系統(tǒng)(圖3、4)，并應(yīng)用于測(cè)距系統(tǒng)，是保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的保證。