無源核子料位計在火電廠除灰系統(tǒng)中的應(yīng)用

董 平

(山西華光發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 柳林 033314)

1 火電廠除灰系統(tǒng)料位測量現(xiàn)狀

在國內(nèi)，絕大多數(shù)的火力發(fā)電廠均為燃煤電廠，這就必然需要對煤燃燒后的粉煤灰進(jìn)行處理，配備相應(yīng)的除灰系統(tǒng)?；痣姀S的除灰系統(tǒng)主要由除塵器、灰斗、倉泵、壓縮空氣系統(tǒng)、灰?guī)煲约跋鄳?yīng)的控制系統(tǒng)等組成。若要實現(xiàn)除灰作業(yè)的自動化控制，通過料位計來檢測灰斗和倉泵中的灰位則是必不可少的一個環(huán)節(jié)。

目前，火電廠普遍使用音叉式、雷達(dá)式、電容式、射頻導(dǎo)納式等各種形式的料位計來對灰位進(jìn)行檢測。但是，這些料位計有一個共同特點，它們都屬于接觸式測量。這種料位計在使用時需要在容器上開孔，將料位計的敏感元件插入到容器內(nèi)部，安裝維護(hù)不方便。由于是接觸式測量，長時間使用后磨損嚴(yán)重，可靠性明顯下降，誤報率增加。對于灰斗、倉泵等容器而言，內(nèi)部物料的溫度很高，飛灰掛灰嚴(yán)重，影響料位計的可靠工作，誤報率較高。因此，使用傳統(tǒng)的接觸式料位計，還需要技術(shù)人員不斷地跑現(xiàn)場對料位計的誤報警進(jìn)行確認(rèn)和處理，技術(shù)人員的工作強度高、工作環(huán)境惡劣，企業(yè)的生產(chǎn)成本也因此較高。

2 無源核子料位計工作原理

2.1 基礎(chǔ)理論

放射性在自然界中是廣泛存在的，尤其是在礦物質(zhì)當(dāng)中。而煤本身就是一種礦物質(zhì)，自然也會有放射性存在。煤中的放射性主要來自于伴生頁巖中含有的鈾、釷、鉀等放射性核素及其衰變子體。煤的燃燒產(chǎn)物分為氣體與固體兩部分，氣體以二氧化碳為主，不含放射性，因此燃燒后的放射性就自然富集于其固體燃燒產(chǎn)物粉煤灰中了。

粉煤灰中的放射性核素在發(fā)生放射性衰變時會發(fā)射帶電粒子（α粒子、β粒子） 和γ射線。其中，γ射線本質(zhì)上是一種電磁波，從波粒二象性的角度看，還可以認(rèn)為它是一種光子。γ光子本身不帶電，呈電中性，在磁場中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，具有很強的穿透物質(zhì)的能力。因此，從灰斗和倉泵外面就可以探測到煤灰發(fā)射出的γ射線。通過測量容器內(nèi)的伽馬射線并根據(jù)特定的測量模型反推容器內(nèi)的灰位就是無源核子料位計的基本原理。

對γ射線的測量主要依據(jù)光子與物質(zhì)相互作用的三種效應(yīng)——光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對效應(yīng)，如圖1所示。

2.2 工作原理

根據(jù)核輻射理論可知，在某點處的放射性強度（或照射量率） 與放射性物質(zhì)的類型、質(zhì)量、形狀、屏蔽層情況及該測量點相對于放射性物質(zhì)的空間位置有關(guān)。一般來說，放射性物質(zhì)的量越多、測量點距離放射性物質(zhì)的距離越近，測量點測得的放射性強度越高，但并不是簡單的線性關(guān)系，而是與諸多其他因素有關(guān)的復(fù)雜函數(shù)關(guān)系。

圖1 γ射線與物質(zhì)的三種相互作用

無源核子料位計的組成和工作原理如圖2所示。從功能上來分，無源核子料位計主要可以分為探頭、信號處理電路、高壓電源三部分：探頭用于接收來自粉煤灰的天然γ射線，經(jīng)過上述三種效應(yīng)將γ射線轉(zhuǎn)換為電脈沖信號；信號處理電路將探頭輸出的電脈沖信號進(jìn)行整形、濾波、計數(shù)，并根據(jù)測量模型和系統(tǒng)參數(shù)對γ射線進(jìn)行能譜分析，反推料位高度；高壓電源則用于給探頭提供高精度和低調(diào)整率的高壓電源，保證探頭具有合適的工作點。另外，為了對料位計進(jìn)行調(diào)試和實時監(jiān)控，一般還配有移動式PC調(diào)試系統(tǒng)和手持調(diào)試器。

圖2 無源核子料位計系統(tǒng)組成

3 無源核子料位計在除灰系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 保護(hù)靜電除塵器極板

對靜電除塵器而言，料位計所起的作用是防止灰斗內(nèi)的粉煤灰堆積過高接觸除塵器極板造成極板短路放電，引發(fā)除塵器故障。

一般情況下，料位計安裝位置應(yīng)按照保護(hù)極板的作用來確定，其原則是由靜電除塵器極板與粉煤灰的安全距離確定，建議設(shè)計沉余距離1～2 m即可。

圖3為2個灰斗各安裝1臺保護(hù)靜電除塵器極板的料位計示意圖，料位計安裝位置的確定由靜電除塵器的制造商按照保護(hù)除塵器極板的要求綜合考慮。

圖3 2個灰斗各安裝1臺靜電除塵器保護(hù)料位計示意圖

3.2 為除灰系統(tǒng)提供灰斗料位參考

除灰系統(tǒng)運行過程中，灰斗內(nèi)的灰位高低是除灰運行人員實時跟蹤的重要信息，其目的主要是控制灰斗內(nèi)的料位在一定范圍內(nèi)，既不高于運行上限料位，又不低于運行下限料位。同時，通過料位計還可以推測每一個除塵灰斗是否處于正常工作狀態(tài)，比如，灰斗內(nèi)是否有積灰，掛灰，蓬灰等灰斗故障。尤其是除塵器的第三、第四和第五電場，由于粉煤灰的量少、粒度細(xì)小、黏度大，粉煤灰沿灰斗內(nèi)壁的爬壁現(xiàn)象嚴(yán)重，且灰斗內(nèi)儲灰時間長、溫度低，更容易造成掛灰、板結(jié)等情況。所以，為除灰運行提供上限和下限料位信號很有必要。

上限和下限料位的設(shè)計計算，首先是依據(jù)極限燃燒煤種的特點。有些煤種燃燒后，粉煤灰的密度和灰量都過大，造成灰斗負(fù)荷過大。其次，還要考慮工藝系統(tǒng)的極限狀況，例如進(jìn)煤系統(tǒng)的制粉狀況、灰斗電加熱的工作狀況、除灰系統(tǒng)的運行出力狀況等。依據(jù)經(jīng)驗，下限料位一般在灰斗的人孔門上方0.5～1.0 m位置之間，上限料位一般在灰斗高度的2/3～3/4位置之間。

圖4為1個灰斗配置1個上限料位計和1個下限料位計，為運行提供上限和下限料位監(jiān)控的示意圖。

目前，國內(nèi)的很多電廠還在使用傳統(tǒng)的接觸式料位計，這些類型的料位計的一個突出特點就是容易因掛灰而出現(xiàn)誤報警。灰斗料位計的輸出信號一般不用作自動控制系統(tǒng)的控制信號，只是供除灰運行人員對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測。在料位報警出現(xiàn)時，運行人員需要對報警進(jìn)行確認(rèn)，看其是否是誤報警。而確認(rèn)的方式一般是傳統(tǒng)的敲擊方式，而由于灰斗本身體積大，還安裝在高處，所以需要搭建專門的腳手架來輔助作業(yè)。這不但使得運行人員的工作強度增大、工作環(huán)境變差，而且需要多人的配合，最終還會提高企業(yè)的生產(chǎn)成本。由于無源核子料位計能夠?qū)崿F(xiàn)絕對的非接觸式測量，因此其可靠性非常高，基本上不會出現(xiàn)上述問題，因此，其應(yīng)用能夠帶來很大的便利。

圖4 一個灰斗同時配置上限料位計和下限料位計示意圖

3.3 為除灰系統(tǒng)提供倉泵料位參考

倉泵是輸灰系統(tǒng)的主要組成部分，除塵器灰斗內(nèi)的粉煤灰需要通過倉泵輸送至灰?guī)臁?/p>

傳統(tǒng)的輸灰流程如下：打開灰斗和倉泵之間的卸灰閥后，灰斗內(nèi)的粉煤灰就會在重力的作用下注入倉泵，落灰持續(xù)一段時間以后，除灰控制系統(tǒng)就會打開倉泵和輸灰管道之間的閥門啟動輸灰作業(yè)?？刂葡到y(tǒng)通過檢測輸灰壓力，來判斷是否輸完灰，即等輸灰管壓力降到某個值后就認(rèn)為輸灰完成，停止輸灰，然后再打開灰斗卸灰閥進(jìn)灰，如此周期運行，將灰斗內(nèi)的灰源源不斷地送往灰?guī)臁?/p>

在傳統(tǒng)的輸灰流程中，之所以將落灰時間作為啟動輸灰作業(yè)的依據(jù)，主要是因為傳統(tǒng)的料位計是接觸式料位計，它的一個很大的缺點是可靠性比較低，經(jīng)常誤報警。因此，一般只是將這種料位計的輸出信號作為運行人員監(jiān)控系統(tǒng)運行的一種參考，并不將其納入自動控制系統(tǒng)。而使用落灰時間作為啟動輸灰的依據(jù)的缺點在于，時間常數(shù)需要設(shè)計地比較保守，一般是根據(jù)最大落灰速度和倉泵的容量來確定。然而，當(dāng)落灰速度小于最大落灰速度時，輸灰系統(tǒng)就會頻繁地啟動輸灰作業(yè)，壓縮空氣的消耗量自然就會增加，能耗提高；由于倉泵內(nèi)灰量不多，輸送時的灰氣比較小，對管道和閥門的磨損嚴(yán)重；閥門動作頻繁，有效壽命減少。上述問題都會使得企業(yè)生產(chǎn)的成本維持在較高水平。

在倉泵上安裝無源核子料位計，一是能防止倉泵灰位過高造成閥門堵塞；二是其具有非常高的可靠性，可以放心地將其用于輸灰控制系統(tǒng)的自動控制，可以減少壓縮空氣的用量，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能，而且還可以減少閥門的動作次數(shù)和管道磨損，減少設(shè)備的維護(hù)工作量，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。通常情況下，1個倉泵安裝1臺料位計，安裝示意圖如圖5所示。

圖5 倉泵料位計安裝示意圖

4 無源核子料位計的特點

相對于傳統(tǒng)的接觸式料位計，無源核子料位計具有如下特點。

4.1 絕對的非接觸式測量

無源核子料位計檢測料位利用的是物料本身固有的微量天然γ射線，γ射線穿透能力很強，能夠穿透容器壁到達(dá)料位計的敏感元件，因此不需要將料位計的敏感元件插入容器內(nèi)部，從而實現(xiàn)了絕對的非接觸式測量。

4.2 安裝維護(hù)方便

由于是絕對的非接觸式測量，因此安裝時不必在容器壁上開孔，也完全可以在容器工作時進(jìn)行安裝，不會影響生產(chǎn)；產(chǎn)品的維護(hù)也不需要對容器本身進(jìn)行任何處理，直接對料位計本身進(jìn)行檢查和維護(hù)即可。

4.3 可靠性高

料位計工作時不會接觸容器內(nèi)的物料，因此不會受到容器內(nèi)高溫高壓等惡劣工況的影響，也不會因與物料的接觸而產(chǎn)生磨損和腐蝕，從而保證了儀器長期使用的可靠性和穩(wěn)定性。

4.4 適用范圍廣

由于利用的是物質(zhì)本身固有的微量天然放射性，因此凡是具有此特性的物料均可以通過此類型料位計進(jìn)行測量，比如煤灰、煤渣、瀝青、水泥、礦石等。

4.5 降低企業(yè)生產(chǎn)成本

由于無源核子料位計具有很高的可靠性，因此可以放心地將其用于除灰系統(tǒng)的自動控制中，可以大大地減少維護(hù)的次數(shù)和管路的磨損、減少壓縮空氣的用量，進(jìn)而降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提升企業(yè)效益。

5 應(yīng)用前景

無源核子料位計具有無放射源和非接觸的特點,可靠性和靈敏度高，可以放心地將其用于除灰系統(tǒng)的自動控制中，進(jìn)而降低電廠的生產(chǎn)成本，提升電廠效益。而且，由于利用的是物質(zhì)本身固有的微量天然放射性，因此凡是具有此特性的物料均可以通過此類型料位計進(jìn)行測量，比如煤灰、煤渣、瀝青、水泥、礦石等。目前，這種無源核子料位計已經(jīng)在火力發(fā)電廠得到應(yīng)用和檢驗,并取得了十分滿意的效果。