固定床反應器催化劑密相裝填過程床層料面監測系統構建與研究

劉梅華，劉雪東，徐曉東，彭濤，顧宇彤，蔣威

（1 常州大學機械工程學院，江蘇常州 213164；2 常州大學江蘇省綠色過程裝備重點實驗室，江蘇常州 213164）

化學工業是國民經濟的重要支柱產業，影響國家經濟命脈[1]。催化劑作為現代化學工業的基石與心臟，參與了90%以上的現代化工生產過程[2]。固定床反應器催化劑裝填質量的好壞直接影響到生產過程的技術經濟指標。密相裝填技術是在普通裝填的基礎上，通過布料器外接推動力，將物料沿反應器徑向拋撒，使其均勻密實地落在床層表面，降低顆粒空隙，以提高裝填效率[3]。國內高校與相關企業合作，共同完成了催化劑密相裝填技術的開發，并成功實現工程應用[4]。但由于裝填過程中反應器內黑暗、粉塵的工況，操作人員無法直接判斷裝填效果。因此，實時準確地掌握反應器內床層料面狀態信息，對優化控制裝填過程、提高裝填效率與質量、增加企業產能、促進化工過程發展有重要意義[5]。

固定床反應器內常用的床層料面探測途徑包括經驗法、人孔檢測法、機械探尺法、激光檢測[6]、高速攝像[7]和紅外成像[8]。然而，由于密相裝填塔式反應器內特殊的工況，包括高濃度粉塵造成激光散射、黑暗環境影響攝像效果、床層溫度無明顯差異難以紅外檢測等，上述方法都存在一定的局限性。

微波脈沖雷達利用電磁波探測與定位技術為反應器內床層料面監測提供了一個簡潔的平臺。它具有極高的信噪比和優良的固體表面反射性能，對于高溫粉塵振動強氣流的沖擊有一定的魯棒性，能在高濃度粉塵和極低介電常數下仍保持良好的反射信號，不受反應器內大氣壓或光照條件影響[9-11]。傳統工業單點雷達只能檢測某一點料面高度，有方案提出采用多點陣列雷達[12]組成料面監測設備，在反應器頂部分布式安裝多個單點雷達測量儀，并通過多源數據融合重建料面圖像，缺點在于監測成本高、安裝工藝復雜、系統維護困難。魏紀東等[13]利用電機絲杠傳動裝置設計機械擺臂雷達，對反應器內徑向料線進行成像，但未探討全部床層料面的毯式圖重構。

為解決此類問題，本文提出了利用單個微波雷達配合運動裝置掃描的方案，借助MATLAB 編譯軟件重構反應器內床層料面三維毯式圖，能獲取指定特征點床層高度信息，生成徑向料線分布圖像，同時具有工藝成本低、響應速度快、操作維護方便、可讀性強、可靠性高的優點。

1 床層料面監測系統構建

1.1 整體方案設計

密相裝填塔式反應器尺寸大小不一，本文以某單位直徑5m、高20m的固定床反應器為研究示例，頂層塔板設有倒錐形密相裝填布料器，裝填高度范圍0.66～12.22m[14]。床層料面監測系統由機械測量裝置、電氣控制結構和軟件處理系統組成。采用模塊化結構設計，感知層包括用于距離檢測的脈沖雷達和輔助測量的運動裝置，完成床層表面各點高度信息采集；網絡層有線通信與無線收發相結合，完成信號傳輸與通信；應用層包括工業計算機、觸控面板及手持遙控設備，均可控制脈沖雷達完成指定測量任務，實現密相裝填過程床層料面可視化。同時設置報警功能，一旦料面高度差超過安全閾值，能夠做出警報處理指令。系統組成框圖如圖1所示。

圖1 床層料面監測系統組成框圖

1.2 料面監測設備安裝位置選擇

障礙物的阻擋和雷達照射料面的角度是干擾回波信號的重要因素[15]。障礙物會導致雷達接收虛假回波，測出不符實際的偽料面；雷達天線對料面的入射角越大，回波質量越低[16]。因此，雷達運動裝置的安裝因盡可能避開溜槽的干擾，減小中心處密相裝填設備及反應器內壁邊緣對雷達回波的影響，同時在保證足夠量程范圍下，盡可能減小天線入射角，從而獲取高質量的回波信號，提高測量精度[17]。

以本文所述加氫反應器為例，結合實際工況，考慮安裝可行性、維護便利性等原則，選擇在反應器內塔板直徑的1/4 處，即中心距離1.25m 處開孔安裝，孔徑300mm，將SITRANS LR260 脈沖雷達及其運動裝置水平放置在塔板上。脈沖雷達具有24.2～25.2GHz的發射頻率，粉塵穿透性強，量程范圍0.35～20m，輸出4～20mA 的模擬信號[18]。安裝效果如圖2所示，此時雷達天線最大入射角為±33°。

圖2 床層料面監測設備安裝

1.3 料面監測系統機械結構

為了實現全部床層料面的測量，設計一組運動裝置，驅動脈沖雷達實現圍繞z軸水平轉動和豎直方向擺動。運動裝置如圖3 所示。選擇三菱HGKN43J-S100 伺服電機作運動驅動件，電機前端設有AF60-100-N減速機，避免電機抖動。兩組接近開關實現運動過程中的角度定位。開始測量前，伺服電機退回到機械零點，運動過程中，若接近極限位置，電機將減速直至停止，避免機械損壞。結合電氣結構圖紙，加工并裝配床層料面監測系統運動裝置，如圖4所示。

圖3 床層料面監測系統機械結構

圖4 床層料面監測系統實驗裝置

1.4 料面監測系統電氣控制

圖5 控制單元電連接

系統電連接和信號連接如圖5所示。選擇三菱FX5系列可編程邏輯控制器（下稱PLC）為中控單元，與遙控接收模塊、伺服驅動和其他輔助設備組集成安裝在電氣控制柜中。工業計算機和PLC遵循MODBUS 通信協議，采用RS-232 通信，信道編碼方式CRC-16，其生成多項式為x16+x15+x2+1[19-20]。觸控面板與PLC通過工業交換機無線連接。增加信號采集模塊獲取脈沖雷達測量數據。設定PLC中回波等待時間30s，采樣頻率20ms/次，為了避免極端值對測量結果的影響，對測量結果滑動平均濾波[21]后傳輸給上位機，濾波樣本長度75。經驗證，上位機讀數較為平穩，符合實際工業應用需求。

1.5 料面監測系統軟件開發

完整可靠的監測系統必須集硬件系統、軟件系統于一體。軟件系統控制流程如圖6所示。系統上電自檢后先進行初始化設置，電機回零；向PLC輸入運動指令，監測裝置運動到位后，脈沖雷達開始檢測特征點距離，并將測量結果作為工作日志保存于指定位置；全部測量完成后，對存儲數據處理并擬合料面形狀；最后，在工業計算機的GUI界面上實時刷新料面高度信息與圖像。

圖6 軟件系統主流程

圖7 圖形用戶界面設計效果

圖形用戶界面由主界面、手動測量窗口、參數設置等子模塊組成。系統主界面如圖7所示。界面左部為床層料面各特征點測得的位置坐標，左下角“導入歷史數據”可讀取歷史料面信息，回溯布料過程；界面右上部為圖形顯示窗口，根據測量結果繪制光滑的曲面，表征當前料面分布趨勢，料面中心位置用紅色原點表示，其余特征點用藍色圓點表示，并標明料面最值和平均堆積高度；界面中下部顯示系統當前測量狀態與結果；界面右下角按鈕區控制自動測量進程。手動測量窗口可測量指定特征點、繪制徑向料線分布圖；參數設置窗口用于調整系統參數，不再贅述。系統還設有報警模塊，系統異常或超出理論安全閾值將中止電機動作，同時發出聲光報警。

2 床層料面監測系統應用實驗

為了評估系統監測性能、驗證測量結果的可靠性，選擇在實驗室鋪設固體催化劑，模擬加料現場。料面監測系統實驗裝置如圖4所示。由于實驗現場高度限制，根據相似原理將固定床反應器縮小，監測裝置安裝在高度2.11m平臺處，參照點與地面垂直距離2.0m，鋪料直徑0.8～2.2m，鋪料高度0.1～0.8m，系統參照點與料面垂直距離1.2～1.9m。

以固定床反應器底部中心位置為原點，建立如圖8所示空間坐標系。監測裝置安裝在反應器內塔板沿x軸負方向1/2 半徑處，塔板距底面高度D為18m，即安裝點P坐標為(-1.25,0,18)。起始狀態時，脈沖雷達天線沿z軸負方向發射電磁波。定義轉動順時針方向為正，即x負軸與特征點A在xoy面上夾角為轉動角度β，轉動范圍0°～180°，擺動逆時針方向為正，即z負軸與特征點A的xoz面上夾角為擺動角度θ，轉動范圍-33°～33°。

L0為脈沖雷達在給定轉動角度β、擺動角度θ時測得的安裝點P與特征點A直線距離，h0為特征點A與頂部塔板相對高度，h為特征點A與反應器底板相對高度，即A處料面高度，則有式(1)。

圖8 建立空間坐標系

即點A空間坐標為(L0sinθcosβ-1.25,-L0sinθsinβ,18-L0cosθ)。

考慮密相裝填中心位置可能出現物料堆疊，圍繞反應器中心呈扇形均勻設置6個轉動維度，每個轉動維度上分布8個擺動維度，連同中心位置，共鋪設49 個待測特征點。特征點位置由給定即轉動角度β、擺動角度θ共同標定，中心位置轉動角度β、擺動角度θ均為0°，其他β=[0°,30°,60°,90°,120°,150°]，θ=[-21°,-15°,-9°,-3°,3°,9°,15°,21°]。

為了擬合出連續光滑的三維毯式曲面圖，同時避免龍格現象（Runge phenomenon）[22]發生，對測量結果作自然邊界條件下的三次樣條插值（cubic spline interpolation）[23]。定義y=f(x)是一個區間[a,b]上的曲面，區間內的特征點xi處測量值為f(xi)=yi(i=0,1,…,n)，且a=x0

（1）S(x)在[a,b]上具有二階連續導數，即S(x)∈C2[a,b]；

（2） 在子區間[xk,xk+1](k=0,1,…,n-1)上是三次多項式；

（3）S(xi)=yi(i=0,1,…,n)。

采用三轉角法[23]得出式(2)。

其中

由自然邊界條件可求出mi，即可得出三次樣條插值函數，進而擬合出三維毯式圖。

在開放環境下，選擇手持式激光測距儀進行對照測量，表征料面實際堆積高度，檢驗系統成像準確度。將激光測得各特征點與參照面垂直距離與雷達測量結果對比，計算系統偏移程度如式(3)。

式中，hi為監測系統得到特征點與參照點垂直距離；hj為激光測距得到特征點與參照點垂直距離；n為特征點個數。

3 結果與討論

3.1 功能驗證

選擇一種底面直徑2mm、長度5mm 的三葉草形催化劑鋪設圖9(a)所示的平整料面圖像，鋪料直徑約2.2m，測量裝置安裝在物料中心位置上方2.11m 高平臺上，參照點距料面垂直距離1.69m。自動測量完成后，獲得各特征點與參照點距離并繪制三維毯式圖，如圖9(b)所示。系統還設置了料線查詢功能，便于查看過中心點的徑向料線。擺動方向每隔3°取一次特征點，繪制如圖9(c)所示平整料面徑向料線分布圖。

可以看出，系統所得毯式圖趨于平坦，基本符合實際鋪料趨勢，料面高度差最大不超過0.11m；所得料線受催化劑表面粗糙度和雷達測量精度影響，圍繞實際堆積高度上下波動，幅度<0.06m。計算得出平整料面下系統成像偏移程度d≈0.06m。相對于固定床反應器實際裝填高度，這樣的誤差在可容許范圍內。

將上述催化劑鋪設成如圖10(a)所示山峰狀料面，鋪料直徑約2.2m，催化劑休止角45°，峰頂與底面高度差0.35m。系統自動測量后，獲得如圖10(b)所示三維毯式圖。擺動方向每隔3°取一次特征點，繪制如圖10(c)所示山峰狀料面徑向料線分布圖。

圖9 平整料面測量結果

圖10 單峰料面測量結果

可以看出，系統所得毯式圖分布趨勢與實際料面基本一致，查詢料面高度得到，遠中心處平均高度為0.33m，中心位置峰頂高度0.65m，峰頂與底面平均高度差0.32m。由料線分布圖可知，中心位置測得料位值偏低，這是由于受堆尖影響，雷達回波接收范圍不足，自動向四周取平均。臨近中心位置料線匹配度高，監測效果優于邊緣；雷達入射角≤9°時，絕對誤差不超過0.02m。用激光測距儀進行對照測量，計算得出系統成像偏移程度d≈0.06m，誤差在可容許范圍內。

將上述催化劑鋪設成如圖11(a)所示多峰狀料面，鋪料直徑約2.2m。系統自動測量后，獲得如圖11(b)所示三維毯式圖。擺動方向每隔2°取一次特征點，繪制如圖11(c)所示多峰狀料面徑向料線分布圖。

圖11 雙峰料面測量結果

可以看出，系統所得毯式圖輪廓線與實際料面基本一致，兩處峰谷變化均能有效表達，但峰1和峰2之間邊界不清晰。這是由于單位面積內料面高度頻繁變化，雷達回波質量降低，從而導致兩峰交界不明顯。與實際鋪料對比，堆積變化趨勢在徑向料線分布圖中可顯著體現，堆尖處雷達自動向四周取平均，導致測量值偏低；兩峰交界處雷達自動向四周取平均，導致測量值偏高；或可考慮增大鋪料直徑，提高測量清晰度。用激光測距儀進行對照測量，計算得出系統成像偏移程度d≈0.07m，誤差在可容許范圍內。

3.2 系統評估

對系統性能作評估，由圖9(b)可知，系統成像分辨率在中心位置5.09點/m2、遠心位置1.63點/m2，區別于機械探尺均值測量法，系統特征點數量可調，提高了料面監測密度，能準確反映料面偏心情況；單點采樣速度35～40s，成像速度<1s，具有較高的工作效率，極大降低了布料過程中停車檢查時間。

封閉環境中，對雷達回波干擾較大的因素包括入射角和散射物體特性。不同入射角下個特征點與參照點垂直距離h0的測量誤差見表1。可以看出，入射角小于15°時雷達測量絕對誤差d不超過0.03m，入射角15°～25°時絕對誤差d不超過0.09m。絕對誤差主要由雷達入射角增大導致的回波質量降低造成，不會因量程增大而增加。入射角25°時出現最大相對誤差6.18%，這是由于實驗高度限制、垂直距離h0較小引起的，對于實際測量過程，由于脈沖雷達參照點與料面距離增大5m 以上，相對誤差將降低至1.78%以下，在可容許范圍內。

表1 不同入射角下測量結果

3.3 系統魯棒性測試

為了驗證系統的穩定性和抗干擾能力，改變球形催化劑粒徑和實驗的光照環境，測試系統的魯棒性。測試結果如圖12、圖13所示。

圖12 催化劑粒徑對系統影響

圖13 環境光照對系統影響

選擇粒徑為1.5mm、3mm、4mm、6mm的球形催化劑鋪設如圖12(a)所示平整料面，可以看出，徑向料線測量結果圍繞真實鋪料高度上下波動，催化劑粒徑越小，波動幅度越小，測量結果越穩定。但整體波動趨勢度主要由入射角度和雷達測量精度引起，受催化劑粒徑影響不大，監測系統對密相裝填過程中不同粒徑的催化劑有較強的魯棒性。

選擇底面直徑2mm、長度5mm 的三葉草形催化劑鋪設3.1 節所述山峰狀料面，測量得出在光照和暗黑環境下的徑向料線分布。可以看出，監測系統的測量精度幾乎不受環境光照影響，對于密相裝填過程反應器內黑暗環境有較強的適應性，滿足工業生產需求。

4 結論

從機械結構設計、電氣控制邏輯、軟件窗口架構三方面構建一套完整的固定床反應器催化劑密相裝填過程的床層料面監測系統，為現場掌控反應器內料面分布信息、評估裝填效果提供了一種全新的檢測手段，分析了環境光照和催化劑粒徑對監測效果的影響，得出以下結論。

（1）系統結構形式合理、操作維護方便、工藝成本低、可靠性高，可查詢歷史料面，能有效生成三維毯式圖像與徑向料線分布圖。

（2）系統成像分辨率在中心位置5.09 點/m2、遠心位置1.63 點/m2，料面監測密度可調；單點采樣速度35～40s，成像速度<1s；單點測量誤差<0.09m，系統成像偏移程度≤0.07m，具有較高的工作效率，極大降低了布料過程中停車檢查時間。

（3）監測系統對于測試環境光照程度和催化劑大小具有較強的魯棒性，催化劑顆粒越小，監測穩定性越高。工作環境的含塵量與催化劑的形狀可能影響雷達回波質量，從而引起監測結果偏差，其變化規律有待進一步探索。

（4）系統監測結果可與密相裝填布料控制器閉環連接，實現裝填過程的自動化，該過程有待進一步探索。