雷达物位计在流化床反应器中的应用

张正国，杨晋，朱桂花，康慧芬，闵越，姜国平

(1. 北方民族大学 化学与化学工程学院，银川 750021；2. 宁夏大学 化学化工学院，银川 750021)

雷达物位计在流化床反应器中的应用

张正国1，杨晋1，朱桂花1，康慧芬2，闵越2，姜国平1

(1. 北方民族大学 化学与化学工程学院，银川 750021；2. 宁夏大学 化学化工学院，银川 750021)

多晶硅厂气固流化床反应器的床层高度不易测量，且原料为硅粉，流化后极易磨损或干扰普通物位计，产品为氯硅烷混合气，具有强腐蚀性。针对此难题，分析了雷达物位计的工作原理及适用范围、优点，总结了安装雷达物位计时的注意事项和维护方法。实践表明，雷达物位计在气固流化床反应器中的应用效果良好。

雷达物位计 气固流化床 反应器 多晶硅

雷达物位计是一种新型智能的物位计[1]，通过天线系统发射和接受能量很低的微波脉冲，准确测定物位[2]。雷达波以光速运行，运行时间可以通过电子部件被转换成物位信号，并通过一种特殊的方法以确保极短时间内稳定和精确的测量[3]。即使在工况比较复杂的情况下，存在虚假回波，用最新的微处理技术和调试软件也可以准确分析出物位的回波，因此雷达物位计较适应在气固流化床中用来测量料位。

以国电宁夏太阳能有限公司2.5kt/a多晶硅装置为研究背景。在多晶硅生产中，用到气固流化床反应器的工艺主要有两种，分别为SiHCl3合成反应器和冷氢化反应器。这两种反应器外观类似，底部为锥体，中部及上部为圆柱体，反应器外部使用夹套[4]，夹套内为热水，用来调节反应器内温度，反应器内温度约为300～500℃，压力为3～ 5MPa。 该类气固流化床反应器内物料构成主要有硅粉(60～80目)，H2，HCl，SiHCl3，SiCl4等，除硅粉为固体小颗粒外，其他均为气态。

反应器内形成稳定流化状态后，流化床层高度的测量是一个难点[5]，高速流动的硅粉非常锋利，对测量探头的磨损较严重，而且细微的硅粉弥漫在反应器顶部，甚至包覆在探头外部形成硅粉层，造成普通物位计故障或失效，而在多晶硅厂气固流化床反应器上安装雷达物位计则可有效避免此类问题。

1 雷达物位计

1.1工作原理及适用范围

雷达物位计是采用发射—反射—接收的工作模式[7]。雷达物位计的天线发射出的电磁波，经被测对象表面反射后，再被天线接收，电磁波从发射到接收的时间与到固(液)面的距离成正比，关系式如下[6]：

D=ct/2

(1)

式中：D——雷达物位计到液面的距离；c——光速；t——电磁波运行时间。

图1 雷达液位计在气固流化床反应器中的应用

雷达物位计记录脉冲波经历的时间，而电磁波的传输速度为常数，则可算出液面到雷达天线的距离，从而知道料位高度。

常见的雷达物位计有两种技术模式，分别为调频连续波式和脉冲波式。基于调频连续波技术的雷达物位计，须采用四线制，而且功耗大，电子电路复杂。而基于雷达脉冲波技术的物位计，可用二线制的24V(DC)供电，功耗低，输出信号为4～ 20mA， 使用过程更加安全，且精确度高，适用范围更大。雷达物位计可以测量液体、固体介质，如原油、浆料、粉体及其他固体颗粒等。

1.2特点

1) 可以在真空中测量所有介电常数大于1.8的介质、介电常数大于1.5的非导电介质(空气的介电常数为1.0)，也能够保证足够的反射波，介电常数越大，反射信号越强[7]。在实际应用中，几乎所有的介质都能反射足够的反射波，而且测量范围可达35m，分辨率可达1mm。

2) 供电和输出信号通过1根两芯线缆(回路电路)，采用4～20mA输出或数字信号输出。

3) 非接触式测量，安装方便，采用一体化设计，无可动部件，不存在机械磨损，使用寿命长；天线等关键部件采用高质量的材料，抗腐蚀能力强，能适应腐蚀性很强的环境。

4) 几乎能用于所有液体的液位测量。电磁波在液位表面反射时，信号会衰减。当信号衰减过小时，会导致雷达物位计无法测到足够的电磁波信号。导电介质能很好地反射电磁波，对VEGAPULS雷达物位计，甚至微导电的物质也能够反射足够的电磁波[8]。

5) 既不受噪声、蒸汽、粉尘、真空等工况影响，也不受介质密度和温度变化的影响，过程压力可达4.0MPa。

6) 有顶部安装、侧面安装、旁通管安装、导波管安装等方式。

7) 可选择多种调试方式： 编程模块调试(相当于一个分析处理仪表)、SOFT软件调试、HART手持编程器调试。

8) 功能丰富，具有虚假波的学习功能。输入液面的实际液位，软件能自动地标识出液面到天线的虚假回波，排除这些波的干扰[9]。

2 安 装

雷达物位计能否正确测量，依赖于反射波的信号。在气固流化床反应器中，如果所选择安装的位置不当，硅粉颗粒床层不能将电磁波反射回雷达天线或在信号波的范围内有干扰物反射干扰波给雷达物位计，雷达物位计不能正确反映实际料位。因此，合理选择安装位置对硅粉料位测量十分重要，在安装时应注意以下几点：

1) 雷达物位计天线的轴线应与反应器内硅粉料位的反射表面垂直。

2) 反应器含有加料口、排渣口，如果在雷达物位计的信号范围内产生干扰的反射波，就会影响液位测量。在安装时要选择合适的安装位置，以避免加料口和排渣口的影响。

3) 喇叭型的雷达物位计的喇叭口要超过安装孔的内表面一定的距离(大于10mm)。棒式物位计的天线要伸出安装孔，安装孔的长度不能超过100mm。对于圆型或椭圆型的容器，应装在离中心为1/2R(R为容器半径)距离的位置，不可装在圆型或椭圆型容器顶的中心处，否则雷达波经容器壁的多重反射后，汇集于容器顶的中心处，形成很强的干扰波，影响准确测量。

4) 为了检修方便，雷达物位计应该安装在易检修的位置，且应该安装2～3个，避免雷达物位计故障带来的影响。

5) 位于室外的雷达物位计应加装防晒防雨措施，以延长使用寿命。

安装完毕以后，用装有VEGA Visual Operating软件的 PC机观察反射波曲线图，来判断物位计安装是否恰当，如不恰当，则进一步调整安装位置，直到满意为止。

对于有些安装位置无法避免的干扰波，还可利用VEGAPULS 雷达物位计识别虚假波，该物位计能根据实际液位标识出干扰反射波，并存于雷达物位计的内部数据库，使雷达物位计在数据处理时能识别这些干扰波[10]，去除这些干扰反射波的影响。

因此，安装时还应注意以下问题： 天线平行于反应器壁，利于微波的传播；安装位置距槽壁距离应大于30cm，以免将槽壁上的虚假信号误做回波信号；尽量避开下料区、排渣区等干扰源，使波束范围内无固定物，提高信号的可信度；接管直径应小于或等于屏蔽管长度。

3 雷达物位计的维护

雷达物位计主要由电子元件和天线构成，无可动部件，在使用中的故障极少。但在多晶硅厂中，气固流化床反应器内固体物料主要为硅粉和具有腐蚀性的HCl，SiHCl3，SiCl4，物位计主要会受到硅粉的磨损和HCl等介质的腐蚀，在选型时必须选择耐磨损和耐腐蚀的材质。

在日常维护中，可以用 PC机(装有VEGA Visual Operating软件)远程观察反射波曲线图，对于后来新产生的干扰波，可以利用物位计识别虚假波的功能，消除这些反射波的干扰，保证准确测量。

4 结束语

在多晶硅厂气固流化床反应器中，采用性能良好、抗干扰能力强的雷达物位计实时测量流化床床层高度，可在极其苛刻的条件下对流化的物料进行精确的非接触式测量，避免了反应器内各种气体和粉尘的干扰，物位计模块内嵌软件程序，可对虚假测量值进行智能分析，输出准确结果而且故障率低。国电宁夏太阳能有限公司2.5kt/a多晶硅装置具有大型气固流化床反应器3个，使用雷达物位计3年来基本未出现故障，使用效果良好。

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ApplicationofRadarLevelMeterinFluidizedBedReactor

Zhang Zhengguo1， Yang Jin1， Zhu Guihua1， Kang Huifen2，Min Yue2， Jiang Guoping1

(1. School of Chemistry and Chemical Engineering， Northern University of Nationalities， Yinchuan， 750021， China； 2. School of Chemistry and Chemical Engineering， Ningxia University， Yinchuan， 750021， China)

The height of gas-solid fluidized bed reactor bed can’t be easily measured in polysilicon plant. The raw material is silicon powder， and the common material level meter would be abraded easily when fluidized. The product is mixture of chlorosilane which is strong corrosive. Aiming at the problem， the working principle， advantages and application field of radar level meter are evaluated， and considerations of installation for the radar level meter and maintenance methods are summarized. The application practice of radar level meters in gas-solid fluidized bed reactors shows the performance is good.

radar level meter； gas-solid fluidized bed； reactor； polysilicon

稿件收到日期： 2013-07-09。

国家民委重点实验室资助项目(2010-SY14)；宁夏大学科学研究基金资助(NDZR10-42)。

张正国(1987—)，男，毕业于宁夏大学化学工程专业，获硕士学位，现任北方民族大学化学与化学工程学院实验员，从事化工实验室教学、管理工作。

TH816

A

1007-7324(2013)06-0061-03