Solidat 3D-Radar-Füllstandmessgerät: Funktionen und Anwendungen - Eine Fallstudie eines Kohlekraftwerks

Abstrakt

Dieser Beitrag konzentriert sich auf 3D-Radar-Füllstandmessgeräte in der Füllstandmesstechnik, erläutert deren Anwendungsprinzipien und vergleicht die Kernfunktionen von herkömmlichem Radar und 3D-Radar. Es beleuchtet die praktischen Anwendungseffekte der 3D-Radar-Füllstandmessgeräte von Solidat in Kohlekraftwerken und bietet eine Referenzlösung für Herausforderungen bei der Füllstandmessung in Kohlekraftwerken.

Schlüsselwörter

Füllstandsanzeige; 3D-Radar; Kohlekraftwerk; Messung des Materialfüllstands; Staubumgebung

1. Übersicht

Mit der beschleunigten intelligenten Transformation der Kohleindustrie haben Kohlekraftwerke die Anforderungen an Präzision, Stabilität und intelligente Lösungen bei der Materialfüllstandmessung deutlich erhöht. Herkömmliche Methoden wie manuelle Inspektionen, Ultraschall-Füllstandmessgeräte und herkömmliche Radar-Füllstandmessgeräte weisen erhebliche Einschränkungen auf: Manuelle Inspektionen sind ineffizient und unsicher, was die Echtzeitüberwachung der Silodynamik zu einer Herausforderung macht; Ultraschall-Füllstandmessgeräte sind anfällig für Störungen durch Kohlenstaub, was zu einer starken Signaldämpfung und großen Messfehlern führt. Während herkömmliche Radar-Füllstandmessgeräte Staubstörungen teilweise abschwächen, haben sie bei komplexen Silobedingungen (z. B. Wölbungen, Materialabweichungen oder Totzonen) immer noch Schwierigkeiten, eine umfassende Abdeckung zu erreichen, was häufig zu falsch eingeschätzten Materialfüllständen führt, die die Produktionsplanung und Bestandsverwaltung stören.

Unter den verschiedenen Füllstandmesstechnologien haben sich 3D-Radar-Füllstandmessgeräte als Game-Changer erwiesen. Durch die Nutzung von Mehrstrahl-Scan- und 3D-Bildgebungsfunktionen überwinden sie die räumlichen Einschränkungen herkömmlicher Methoden, um die Materialverteilung in Silos klar zu visualisieren. Diese Systeme liefern nicht nur präzise Füllstandmessungen, sondern ermöglichen auch die Echtzeitüberwachung von Materialvolumen, -masse und -morphologie. Als ideale Lösung für die intelligente Füllstandmessung in Kohlekraftwerken schließen sie effektiv die Lücke, die herkömmliche Technologien in komplexen Siloumgebungen hinterlassen.

2. Merkmale der Radartechnologie

2.1 Eigenschaften herkömmlicher Radare (einschließlich Mikrowellenradar und konventionelles Radar mit geführten Wellen)

Einzelne Messdimension: Es können nur die Materialhöhendaten ermittelt werden, die horizontale Verteilung der Materialien im Silo kann jedoch nicht erfasst werden. Angesichts des häufigen Phänomens „Materialabweichung“ und „Bogen“ im Kohlesilo kann das tatsächliche Leervolumen im Silo nicht ermittelt werden, was leicht zu Abweichungen bei der Bestandsberechnung führen kann.

Begrenzte Staubinterferenzbeständigkeit: Mikrowellenradarsignale neigen in Umgebungen mit hoher -Konzentration von Kohlenstaub zur Streuung und Dämpfung. Wenn die Staubkonzentration 50 g/m³ überschreitet, nimmt die Intensität der Signalreflexion dramatisch ab, was die Messgenauigkeit erheblich beeinträchtigt. Während herkömmliche Radarsysteme mit geführten Wellen weniger anfällig für Staubstörungen sind, sind ihre Sonden anfällig für die Anhaftung von Kohlenstaub. Bei längerem Gebrauch kommt es durch angesammelte Ablagerungen zu Signalabweichungen, die eine häufige Reinigung und Wartung erforderlich machen.

Begrenzte Abdeckung: Bei herkömmlichen Radargeräten handelt es sich meist um Ein-{0}}Strahl- oder Schmalstrahl---Radargeräte, die nur einen „Punkt“ oder eine „Linie“ innerhalb des Silos messen und den Gesamtzustand des Materialfüllstands im Silo nicht vollständig erfassen können. Bei großen Kohlesilos mit einem Durchmesser von mehr als 8 Metern müssen mehrere Geräte kombiniert und installiert werden, um eine vorläufige Abdeckung zu erreichen, was die Ausrüstungskosten erhöht und die Fehlerbehebung erschwert.

2.2 Funktionen des 3D-Radars

3D-Panoramabildgebung: Mithilfe der Multi-{1}Beam-Array-Technologie sendet dieses System gleichzeitig 20-30 hochfrequente-Radarstrahlen aus, um sowohl den 360-Grad-Horizontalbereich als auch den 0–90-Grad-Vertikalwinkel innerhalb des Materialsilos abzudecken. Durch Signalzusammenfügung und Datenrekonstruktion werden 3D-Bilder des Materials im Silo in Echtzeit erstellt und die Stapelmuster, Wölbungspositionen, Materialabweichungsgrade und toten Winkel in leeren Silos deutlich angezeigt. Dadurch werden die Einschränkungen des herkömmlichen Radars in Bezug auf „Unsichtbarkeit und ungenaue Messung“ effektiv beseitigt.

Beständigkeit gegen Staub und raue Umgebungen: Das 3D-Radar nutzt eine spezielle Signalmodulationstechnologie und sendet Signale mit einer Leistung von 5-10 mW aus (5–10-mal höher als herkömmliche Mikrowellenradare). Sein optimiertes Wellenlängendesign passt sich speziell den Eigenschaften von Kohlenstaubpartikeln an und ermöglicht das Eindringen in hochkonzentrierten Staub (bis zu 100 g/m³) bei gleichzeitiger Minimierung von Signalstreuverlusten. Dank der Schutzart IP67 hält das Gerät extremen Temperaturen (-40 bis 80 Grad) und Korrosion stand und eignet sich daher ideal für Silos in Kohlekraftwerken, in denen Feuchtigkeit, Staub und Temperaturschwankungen häufige Herausforderungen darstellen.

Synchronisierte Multiparameter-Messung: Zusätzlich zur präzisen Messung der Materialfüllstandhöhe (Genauigkeit ±5 mm, Auflösung 1 mm) können auch Materialvolumen (Fehler kleiner oder gleich 2 %) und Masse (kombiniert mit der Funktion zur Voreinstellung der Kohleschüttdichte) auf der Grundlage von 3D-Bildern berechnet werden, wodurch automatisch Bestandsberichte ohne manuelle Konvertierung erstellt werden. Dies bietet direkte Datenunterstützung für die Bestandsverwaltung und Produktionsplanung von Kohlekraftwerken und reduziert manuelle statistische Fehler.

Geringer Wartungsaufwand und intelligente Diagnose: Das Gerät verfügt über keine mechanisch beweglichen Teile, wodurch Probleme wie Materialansammlungen und mechanischer Verschleiß bei herkömmlichen Radarsonden mit geführter Welle vermieden werden. Die jährliche Wartung wird auf 1-2 Mal reduziert. Mit integrierten-intelligenten Diagnosefunktionen überwacht es den Betriebsstatus in Echtzeit (einschließlich Signalstärke, Strahlintegrität und Kommunikationsverbindungen). Wenn Signalanomalien oder Geräteausfälle auftreten, werden automatisch Warnungen an das zentrale Steuerungssystem gesendet, wodurch das Risiko von Ausfallzeiten erheblich reduziert wird.

Anpassung an komplexe Silostrukturen: Unterstützt die Messung von Kohlesilos mit verschiedenen Formen, einschließlich kreisförmig, quadratisch und rechteckig. Durch Parametereinstellungen kann es Hindernisse wie Leitern und Mischvorrichtungen im Inneren des Silos berücksichtigen, Störsignale automatisch filtern und erfordert keine zusätzlichen Abschirmvorrichtungen. Es erfüllt die Messanforderungen verschiedener Kohlekraftwerksilos (z. B. Silos für Rohkohle, Silos für raffinierte Kohle und Silos für Kohleschlamm).

3. Prinzipien des traditionellen Radars und des 3D-Radars

3.1 Traditionelles Radar

Herkömmliche Mikrowellenradarsysteme senden einen einzelnen hochfrequenten (GHz-Bereich) elektromagnetischen Strahl aus. Sie berechnen die Höhe des Materialfüllstands mithilfe der Ausbreitungszeit reflektierter Signale (basierend auf der Geschwindigkeit der elektromagnetischen Welle, die der Lichtgeschwindigkeit entspricht) nach der Formel: Höhe des Materialfüllstands=(Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen × Reflexionszeit) / 2. In Silos von Kohlekraftwerken verursachen jedoch hohe Konzentrationen von Kohlenstaub eine mehrfache Streuung elektromagnetischer Wellen. Ein Teil des Signals wird von Staubpartikeln absorbiert, was dazu führt, dass die effektive Signalenergie, die zur Empfängerantenne zurückkehrt, lediglich 0,5–1 % der gesendeten Energie beträgt. Dies führt oft zu den Problemen „kein Reflexionssignal“ oder „falsches Reflexionssignal“. Während herkömmliche Radarsysteme mit geführten Wellen Wellenleiter (Stahlkabel/Stäbe) verwenden, um Staubinterferenzen zu reduzieren, breiten sich ihre Signale nur entlang des Wellenleiterpfads aus. Diese Einschränkung verhindert eine horizontale Abdeckung von Silobereichen und Materialansammlungen auf dem Sondenstab können die Wellenleiterimpedanz verändern und zu Messfehlern führen.

3.2 3D Radar

Das 3D-Radar basiert auf der Mehrstrahl-Zeitbereichsreflektometrie (Mehrstrahl-TDR) und der 3D-Datenrekonstruktionstechnologie mit den folgenden Grundprinzipien:

Mehrstrahlübertragung und -empfang: Das Radarantennenarray sendet gleichzeitig mehrere hochfrequente (24 GHz) elektromagnetische Strahlen aus. Jeder Strahl scannt die Materialoberfläche im Silo in voreingestellten Winkeln (seitlicher Abstand von 1 Grad -2 Grad, Längsabdeckung von 0–90 Grad) und erzeugt so eine „oberflächenähnliche“ Abdeckung. Die Empfangsantenne erfasst synchron die reflektierten Signale jedes Strahls und zeichnet die Ausbreitungszeit und Signalstärke jeder Strahlgruppe auf.

Signalverarbeitung und Interferenzfilterung: Mithilfe spezieller Algorithmen verarbeitet das System mehrere reflektierte Signale, um Interferenzen durch Kohlenstaubstreuung und Objektreflexionen herauszufiltern (basierend auf Signalstärkeschwellenwerten und Strahlkonsistenzanalyse) und behält gleichzeitig gültige Oberflächenreflexionssignale bei. Gleichzeitig berechnet es mithilfe von Strahlwinkelparametern die dreidimensionalen Koordinaten (X-, Y-, Z-Achsen) der Reflexionspunkte innerhalb des Silos.

3D-Bildrekonstruktion und Parameterberechnung: Das System führt zunächst die 3D-Koordinaten aller gültigen Reflexionspunkte zusammen, um ein 3D-Punktwolkenmodell des Materials im Silo zu erstellen. Mithilfe der Bildwiedergabetechnologie wird eine intuitive 3D-Visualisierung erstellt. Basierend auf diesem Modell berechnet das System automatisch die maximale und durchschnittliche Materialfüllstandhöhe und bestimmt gleichzeitig das Materialvolumen durch einen Integrationsalgorithmus. Durch die Kombination dieser Berechnungen mit vordefinierten Kohledichteparametern (z. B. Rohkohledichte 1,3–1,5 t/m³) liefert das System letztendlich genaue Materialmengendaten.

4. Solidat 3D-Radar-Füllstandmessgerät: Einführung und Anwendungen

4.1 Technische Kernmerkmale des Produkts

Solidat, ein führender Anbieter industrieller Automatisierungsausrüstung, hat das 3D-Radar-Füllstandmessgerät (Modell: SLDL5300-Serie) entwickelt, um den Anforderungen der Materialfüllstandmessung in Kohlekraftwerken gerecht zu werden. Es zeichnet sich durch die folgenden technischen Kernmerkmale aus:

Messleistung: Messbereich 180 Grad, 360 Grad (geeignet für kleine und mittlere bis große Kohlenlager), Volumengenauigkeit ±0,5 %, Abstandsgenauigkeit 1 mm, Einstellung der Stützdichte (0,5–3 t/m³), erfüllt die Messanforderungen verschiedener Kohlearten.

Kommunikation und Datenausgabe: Unterstützt Ethernet Industrial, AUTBUS, 485 und andere Kommunikationsmodi und kann Materialhöhe, Volumen, Masse und 3D-Bilddaten ausgeben (unterstützt den Export im BMP/JPG-Format) und ist mit der Datenschnittstelle des zentralen Steuerungssystems von Kohlekraftwerken kompatibel.

Installation und Inbetriebnahme: Die oben montierte Installation (Flanschanschluss, kompatibel mit DN50-DN200-Flanschen) verfügt über kleine Installationslöcher, sodass keine umfangreichen Änderungen am Silo erforderlich sind. Die Inbetriebnahme erfolgt per Touchscreen oder Remote-Computer.

Bildgebungseffekt: Hochgeschwindigkeits-Datenverarbeitung und -analyse, die Datenverarbeitung wird vom Computer schnell und automatisch abgeschlossen, ein einfaches 3D-Grafik-Betriebssystem ermöglicht eine dreidimensionale Reproduktion des gemessenen Ziels und kann Grafikrotation, Übersetzung und lokale Vergrößerung sowie andere interaktive Vorgänge durchführen, die Messergebnisse sind auf einen Blick klar.

4.2 Anwendungsfall für Kohlekraftwerke

Nehmen Sie als Beispiel ein großes staatseigenes Kohlekraftwerk (Jahreskapazität 5 Millionen Tonnen). Die Anlage verfügt über 8 Silos für Rohkohle (Durchmesser 10 m, Höhe 25 m) und 4 Silos für raffinierte Kohle (Durchmesser 8 m, Höhe 20 m). Die vorherige Messung mit einem gewöhnlichen Mikrowellenradar-Füllstandmessgerät weist drei Probleme auf:

Die Kohlenstaubkonzentration im Rohkohlesilo ist hoch (durchschnittlich 60 g/m³) und die Dämpfung des Mikrowellenradarsignals ist schwerwiegend. In etwa 30 % der Fälle können keine effektiven Materialfüllstandsdaten ermittelt werden, sodass eine manuelle Inspektion erforderlich ist, bei der die Gefahr eines Sturzes aus großer Höhe besteht.

In Kokskohlesilos kommt es häufig zu einem „Materialungleichgewicht“ (ungleichmäßige Materialfüllstände auf einer Seite). Herkömmliche Radarsysteme, die nur Einzelpunktdaten messen, können solche Ungleichgewichte nicht erkennen. Dies führt dazu, dass die tatsächliche Kapazität des Silos zu 70 % ausgelastet ist, was häufig zu „Alarmen bei vollem Silo trotz verbleibendem Leerraum“ führt.

Bestandsstatistiken erfordern eine manuelle Schätzung basierend auf der Höhe der Materialfüllstände und dem Volumen der Materialbehälter in jedem Lager. Es dauert jeweils 2–3 Stunden und die Fehlerquote beträgt 5–8 %, was sich auf den Beschaffungsplan und die Produktionsplanung auswirkt.

Anfang 2024 führte das Werk 83D-Radar-Füllstandmessgeräte ein (6 für Silos für Rohkohle und 2 für Silos für raffinierte Kohle), und der Anwendungseffekt wurde deutlich verbessert:

Verbesserte Messstabilität: 3D-Radar hat eine starke Durchdringung von hochkonzentriertem Kohlenstaub und die effektive Signalerfassungsrate wird von 70 % auf 99,5 % erhöht. Im Lager ist keine manuelle Inspektion erforderlich, was die Arbeitskosten um etwa 120.000 Yuan pro Jahr senkt und das Sicherheitsrisiko bei Arbeiten in großer Höhe beseitigt.

Lösung des Problems der Identifizierung von Materialabweichungen: Das 3D-Bild zeigt die Materialverteilung im gereinigten Kohlebunker in Echtzeit an. Wenn eine Materialabweichung auftritt (der Unterschied zwischen den beiden Seiten des Materialniveaus beträgt mehr als 1 m), gibt das System automatisch einen Alarm aus und weist die Bediener an, die Zuführposition anzupassen. Die Auslastung der Lagerkapazität wird auf 90 % erhöht, wodurch jedes Jahr etwa 1500 Tonnen gereinigte Kohle mehr gelagert werden können und der wirtschaftliche Nutzen um etwa 1,2 Millionen Yuan steigt;

Intelligente Bestandsverwaltung: Das System berechnet automatisch die Kohlemengen in jedem Lager und erstellt Bestandsberichte mit Datenaktualisierungen jede Minute. Dadurch wird die Zeit für die Bestandsstatistik von 2–3 Stunden auf 10 Sekunden verkürzt und gleichzeitig die Fehlerquote auf unter 2 % gesenkt. Es bietet präzise Datenunterstützung für die Beschaffungsplanung von Kohlekraftwerken (z. B. die Bestimmung der Rohkohle-Einkaufsmengen auf der Grundlage der Bestandsverbrauchsraten) und die Produktionsplanung (z. B. die Anpassung der Kohlewaschleistung an die gereinigten Kohlebestände) und minimiert so effektiv Produktionsunterbrechungen und Rohstoffverschwendung, die durch Fehleinschätzungen der Bestände verursacht werden.

Darüber hinaus reduzieren die wartungsarmen Eigenschaften des 3D-Radar-Füllstandmessgeräts auch die Betriebs- und Wartungskosten des Kohlekraftwerks erheblich: Die Ausrüstung wurde im vergangenen Jahr nur einmal gereinigt und es gibt keine Aufzeichnungen über Ausfallabschaltungen. Im Vergleich zum herkömmlichen Radar (das im Durchschnitt alle drei Monate gewartet werden muss) reduzieren sich die jährlichen Wartungskosten um etwa 80.000 Yuan.

5. Fazit

Die 3D-Radar-Füllstandsmessgeräte von Solidat nutzen modernste Technologien, darunter 3D-Bildgebung, Multi-{3}Parametermessungen und robuste Anti-{4}}Funktionen, um die Kernherausforderungen bei der Messung der Materiallagerung in Kohlekraftwerken effektiv zu bewältigen. Dazu gehören starke Staubbeeinträchtigungen, komplexe Materialfüllstandskonfigurationen und Schwierigkeiten bei der Bestandsverfolgung. Das System verbessert nicht nur die Messgenauigkeit und -stabilität, sondern ermöglicht auch intelligente Verbesserungen bei der Bestandsverwaltung und Produktionsplanung von Kohlekraftwerken. Das SLDL5300 3D-Messsystem verwendet einen schmalen Strahl mit hoher-Eindringtiefe, der sich an komplexe Arbeitsbedingungen anpasst und von rauen Umgebungen wie hohen Temperaturen, Staubkorrosion, Dampf, Regen oder Nebel unbeeinflusst bleibt. Dank seines hervorragenden Preis-Leistungs-Verhältnisses ist es vielseitig einsetzbar für die Messung fester Materialien an verschiedenen Lagerorten, einschließlich Silos, Containern und Schüttgutlagern. Im Kontext der intelligenten Transformation der Kohleindustrie bieten Solidat 3D-Radar-Füllstandszähler zuverlässige und effiziente Füllstandmesslösungen mit breiten Anwendungsperspektiven. Es wird erwartet, dass sich diese Systeme weiter an Szenarien wie unbemannte Kohlekraftwerkssilos und intelligente Lagersysteme anpassen und die digitale Entwicklung der Kohleindustrie stärker unterstützen.