無(wú)源核子料位計(jì)在火電廠應(yīng)用中關(guān)鍵問(wèn)題的研究

柳鵬飛，邵 偉

(河北神華三河發(fā)電有限公司，河北 燕郊 065201)

三河工程建設(shè)一期為2×350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)分別由東方鍋爐(集團(tuán))股份有限公司、東方汽輪機(jī)廠和東方電機(jī)廠設(shè)計(jì)、制造和供貨。三河一期工程廠內(nèi)除塵器為靜電除塵器；飛灰氣力輸送系統(tǒng)，由日本三菱公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和供貨，采用德國(guó)MOLLER公司的系統(tǒng)和設(shè)備，設(shè)有11個(gè)輸灰單元，每4個(gè)壓力容器為一個(gè)輸灰單元，空預(yù)器為3個(gè)壓力罐。

飛灰氣力輸送系統(tǒng)以每臺(tái)爐為一個(gè)單元。按照設(shè)計(jì)煤種，每臺(tái)爐灰量為25.42 t/h。靜電除塵器為5電場(chǎng)，共40個(gè)灰斗，每個(gè)灰斗下設(shè)一個(gè)輸送壓力容器，每4個(gè)分為一組；空氣預(yù)熱器有6個(gè)灰斗，每2個(gè)灰斗設(shè)一個(gè)輸送壓力容器，3個(gè)容器為一組，運(yùn)行時(shí)根據(jù)輸送壓力容器料位、壓力、及時(shí)間信號(hào)自動(dòng)運(yùn)行通過(guò)氣力將電除塵和空氣預(yù)熱器灰斗的飛灰輸送至灰?guī)臁?/p>

起初全廠除塵器灰斗與輸灰系統(tǒng)倉(cāng)泵料位計(jì)，全部采用分體式射頻導(dǎo)納料位計(jì)。陸續(xù)更換過(guò)進(jìn)口與國(guó)產(chǎn)多個(gè)品牌的射頻導(dǎo)納料位計(jì)產(chǎn)品，效果均不理想。

射頻導(dǎo)納料位計(jì)為插入式樣接觸式料位計(jì)，因飛灰、掛料，溫度變化，物料成分變化造成的誤報(bào)很多，且探頭在本體內(nèi)易被物料砸彎磨損，影響測(cè)量效果。除塵器灰斗上的測(cè)量點(diǎn)，由于位置高，在維護(hù)時(shí)需要搭建腳手架等高空作業(yè)平臺(tái)，維護(hù)人員工作量大，且存在大量安全隱患，也使維護(hù)成本高昂。除塵器灰斗上使用射頻導(dǎo)納料位計(jì)，由于灰斗高度高，灰斗外壁有保溫層，還存在出現(xiàn)報(bào)警后，無(wú)法校驗(yàn)或者極其難以校驗(yàn)的問(wèn)題。倉(cāng)泵輸灰，由于誤報(bào)頻繁，以及輸灰控制邏輯要求，報(bào)警信號(hào)不能經(jīng)常出現(xiàn)虛假信號(hào)，導(dǎo)致禁止出料的情況，目前使用時(shí)間控制。

1 除塵器灰斗和輸灰倉(cāng)泵對(duì)于料位控制的理想需求

1.1 電除塵灰斗

除塵運(yùn)行狀態(tài)下，內(nèi)部溫度在140℃左右。電除塵灰斗空間體積大，物料堆型復(fù)雜，落料時(shí)飛灰現(xiàn)象嚴(yán)重，本體壁面傾斜，容易產(chǎn)生壁面掛料情況。

根據(jù)要求,電除塵灰斗通常安裝低測(cè)量點(diǎn)和高位報(bào)警點(diǎn)兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

高位報(bào)警點(diǎn)位于灰斗上部，其主要作用是用來(lái)保護(hù)電除塵。防止灰位過(guò)高，引起極板短路，系統(tǒng)跳停；同時(shí)防止灰量過(guò)大，引發(fā)灰斗垮塌等安全事故。高灰位報(bào)警平常很少報(bào)警，但是一旦出現(xiàn)高灰位，必須要能報(bào)警，所以要求料位計(jì)能時(shí)刻保持在正常狀態(tài)。要求此位置料位開關(guān)在料位正常時(shí)不要誤報(bào)，料位危險(xiǎn)時(shí)一定要報(bào)出來(lái)。要求料位計(jì)長(zhǎng)期且高度可靠。

低測(cè)量點(diǎn)位于灰斗下部，其主要作用是保證干灰輸送系統(tǒng)連續(xù)、高效率地運(yùn)行。因此，低位測(cè)量點(diǎn)不僅要求報(bào)警可靠，最好還能夠顯示灰斗底部料位的變化趨勢(shì)。低位測(cè)點(diǎn)的灰位狀況是運(yùn)行人員判斷何時(shí)開啟下一輸灰流程的重要依據(jù)。要求料位計(jì)不能有誤報(bào)，最好能料位顯示。

隨著電除塵器除塵效率提高，特別是除塵器灰斗一電場(chǎng)，占整個(gè)除塵器除塵量的80%～90%。原有的高低監(jiān)控點(diǎn)的點(diǎn)監(jiān)控模式很難讓運(yùn)行人員掌握灰斗內(nèi)實(shí)際灰量或者灰位變化情況，當(dāng)灰斗內(nèi)部出現(xiàn)掛料、搭橋、漏空等極端狀況時(shí)無(wú)法做出及時(shí)準(zhǔn)確的操作判斷。

1.2 輸灰系統(tǒng)倉(cāng)泵

輸灰系統(tǒng)是火電廠除塵系統(tǒng)的重要組成部分，其運(yùn)行效率直接影響除塵系統(tǒng)的除塵效率與運(yùn)行狀態(tài)。隨著環(huán)保問(wèn)題越來(lái)越受重視，對(duì)火電廠除塵脫硫的要求也越來(lái)越高，輸灰系統(tǒng)的工作效率也越來(lái)越受火電廠的重視。

輸灰系統(tǒng)通常主要由倉(cāng)式輸送泵、管道、氣源、輸送目的地(如灰?guī)?和控制部分組成，見圖1。氣力輸送工藝流程大體可分為倉(cāng)泵進(jìn)料、倉(cāng)泵充壓段、物料輸送三個(gè)階段。在卸料裝灰階段，打開進(jìn)料閥和透氣閥，灰斗中的物料在重力的作用下落入倉(cāng)泵；然后，關(guān)閉進(jìn)料閥和透氣閥，打開進(jìn)氣閥為倉(cāng)泵中的物料加壓，即倉(cāng)泵充壓階段；當(dāng)壓力達(dá)到某一定值時(shí)，則打開出料閥，進(jìn)入物料輸送階段，此時(shí)倉(cāng)泵中的物料在氣力作用下經(jīng)輸送管道被輸送到目的地。

圖1 輸灰系統(tǒng)示意圖

輸灰系統(tǒng)只有在達(dá)到“密相輸灰”狀態(tài)時(shí)，才能使系統(tǒng)達(dá)到高效率?！懊芟噍敾摇睍r(shí)管道內(nèi)氣灰濃度高，介質(zhì)流速慢，對(duì)管道沖擊、磨損小。要到達(dá)密相輸灰狀態(tài)，就要求每次輸灰時(shí)，倉(cāng)泵內(nèi)的灰要到達(dá)一定的量，每次輸灰時(shí)，倉(cāng)泵內(nèi)灰量少，則是稀相輸灰。稀相輸灰時(shí)，管道內(nèi)氣灰濃度低，介質(zhì)流速快，對(duì)管道沖擊、磨損大。管道內(nèi)壁的磨損與管道內(nèi)介質(zhì)的流速是成平方正比。就整個(gè)輸灰系統(tǒng)而言，稀相輸灰時(shí)，輸送同樣多的灰料，輸灰系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)更多，則閥門動(dòng)作多，壓縮系統(tǒng)平均工作時(shí)間更長(zhǎng)，管道磨損大，系統(tǒng)及部件使用壽命短，故障率高，維護(hù)成本大。同時(shí)，如果倉(cāng)泵內(nèi)進(jìn)料太多，則會(huì)導(dǎo)致輸灰系統(tǒng)堵塞，進(jìn)料閥沖擊受損等問(wèn)題，影響除塵系統(tǒng)正常運(yùn)行。所以，要通過(guò)料位計(jì)對(duì)倉(cāng)泵內(nèi)的料位進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，通過(guò)料位計(jì)將料位控制在合理的水平。

在輸灰系統(tǒng)倉(cāng)泵中，準(zhǔn)確、可靠、合理的料位控制，對(duì)輸灰系統(tǒng)高效率運(yùn)行非常重要。同時(shí)，料位的控制，與輸灰系統(tǒng)的閥門、壓縮空氣系統(tǒng)，管道磨損，以及系統(tǒng)能源消耗，維護(hù)成本等都有著非常顯著與直接的關(guān)聯(lián)。

2 無(wú)源核子料位計(jì)在應(yīng)用中遇到的問(wèn)題

無(wú)源核子料位計(jì)由于其完全非接觸式特點(diǎn)，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)火電廠中得到非常廣泛的使用。由于不在本體上開孔，在本體外測(cè)量，維護(hù)更換方便，不影響本體運(yùn)行；不與物料接觸，就不會(huì)被落料砸壞，沒(méi)有磨損，無(wú)探頭掛料問(wèn)題；不受灰的溫度影響，火電廠省煤器灰斗內(nèi)的灰料，溫度高達(dá)460℃左右。電除塵灰斗和倉(cāng)泵內(nèi)灰料，溫度也在150℃左右；絕對(duì)沒(méi)有放射源。不存在放射源衰減的問(wèn)題,也不存在放射源保管、回收、許可證、監(jiān)管等問(wèn)題；免維護(hù)，使用過(guò)程中無(wú)損耗件,無(wú)參數(shù)條件漂移,不需要做任何維護(hù)工作；料位趨勢(shì)可見，傳感器帶高亮度數(shù)碼顯示器，物料量以數(shù)值顯示，可見物位變化過(guò)程與趨勢(shì)?？狗蹓m、飛灰，測(cè)量的是以安裝位置為圓心，半徑3 m左右的空間內(nèi)，灰等介質(zhì)的整體總量。容器內(nèi)飛灰的情況與料滿狀態(tài)有很大差異，所以能夠準(zhǔn)確分辨出容器內(nèi)是飛灰還是料滿。

通過(guò)實(shí)際使用與觀察，并且收集同行業(yè)其他用戶的實(shí)際使用情況，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的無(wú)源核子料位計(jì)存在以下幾個(gè)比較關(guān)鍵的問(wèn)題。

(1)在倉(cāng)泵上使用時(shí)出現(xiàn)報(bào)警值無(wú)法準(zhǔn)確設(shè)定情況。對(duì)于同樣的空倉(cāng)狀況，同樣的無(wú)源核子料位計(jì)測(cè)量的數(shù)據(jù)有差異。如果發(fā)現(xiàn)個(gè)別灰斗泄灰，原有倉(cāng)泵料位計(jì)設(shè)置的料位數(shù)據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)空倉(cāng)觸發(fā)料位的情況。

(2)從倉(cāng)泵數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，滿泵狀態(tài)下，無(wú)源核子料位計(jì)測(cè)量不同煤種得出的數(shù)據(jù)差異大。不同煤種含有的放射性含量物質(zhì)成分差異，導(dǎo)致同樣體積下無(wú)源核子料位計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)有差異。

(3)灰斗是封閉容器，內(nèi)部灰量無(wú)法知曉，難以準(zhǔn)確獲知無(wú)源核子料位計(jì)實(shí)際測(cè)量范圍，給判斷和監(jiān)控實(shí)際料位留下較大的隱患。

3 對(duì)于無(wú)源核子料位計(jì)幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的分析與研究

3.1 測(cè)量環(huán)境背景輻射問(wèn)題

無(wú)源核子料位計(jì)測(cè)量的是空間內(nèi)總輻射信息，因此其測(cè)量的輻射值不僅包括容器內(nèi)物料的輻射數(shù)據(jù)，還包括宇宙環(huán)境的背景輻射。通過(guò)無(wú)源核子料位計(jì)對(duì)空間環(huán)境測(cè)量，往往其測(cè)量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于物料從容器內(nèi)釋放的放射數(shù)據(jù)。即使測(cè)量空的容器，雖然容器對(duì)于空間背景輻射具有較強(qiáng)的屏蔽作用，其剩余的背景數(shù)據(jù)量也非常大。當(dāng)被測(cè)量容器為小尺寸容器時(shí)，其背景輻射占比更加顯著(實(shí)際測(cè)量運(yùn)用中稱之為背景噪聲)。環(huán)境背景輻射包括測(cè)量環(huán)境中硬件設(shè)備的輻射能量、宇宙背景輻射能量、大氣環(huán)境內(nèi)物質(zhì)的輻射能量等因素。環(huán)境中硬件的輻射能量產(chǎn)生于地面、墻體和其他硬件設(shè)備。地面材料的改變，如增加水泥地面、換地磚，或者增加新的墻體材料等，都會(huì)顯著改變輻射能量。當(dāng)季節(jié)或者晝夜的轉(zhuǎn)換，宇宙環(huán)境的背景輻射也會(huì)發(fā)生變化。特別是一些極端的天文事件，如空間伽馬射線爆等，都顯著改變宇宙環(huán)境的輻射能量。大氣環(huán)境的輻射能量由于大氣環(huán)境中空氣成分的改變，也顯著改變其輻射能量。研究表明：由于降水過(guò)程中，空氣中放射性物質(zhì)氡及其子體等放射性核素與氣溶膠、固體顆粒物以及水滴結(jié)合，降水過(guò)程通過(guò)沖洗或者清除作用，帶到地面引起地表的Y輻射劑量數(shù)據(jù)增加。對(duì)于測(cè)試的地區(qū)(我國(guó)東部地區(qū))，最大升幅可達(dá)38.1%。

3.2 被測(cè)量對(duì)象料種變化問(wèn)題

無(wú)源核子料位計(jì)測(cè)量主要是物料中放射性核素釋放的輻射能量。以煤炭為例，煤炭中放射核素主要包括232Th、238U、226Ra和40K等。一般認(rèn)為，煤炭來(lái)自古代植物，而植物生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)吸收富集重金屬，包括具有放射性的重金屬，從而使煤炭中的放射性物質(zhì)含量大于土壤本底濃度。煤炭燃燒后，這些放射性物質(zhì)都遺留在不多的煤灰中，使放射性物質(zhì)又富集3～5倍以上，從而成為含高放射性物質(zhì)的廢棄物。

因此，若無(wú)源核子料位計(jì)測(cè)量過(guò)程中忽略被測(cè)量對(duì)象，如煤炭或者粉煤灰中放射性含量的差異，不對(duì)其進(jìn)行識(shí)別與修正，其料位測(cè)量準(zhǔn)確性在理論上就無(wú)法保證。

3.3 無(wú)源核子料位計(jì)量程問(wèn)題

無(wú)源核子料位計(jì)測(cè)量范圍問(wèn)題，因國(guó)內(nèi)缺乏相應(yīng)的設(shè)備檢測(cè)要求以及缺乏第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)公正檢測(cè)數(shù)據(jù)，成為一個(gè)極其模糊的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)廠家的無(wú)源核子料位計(jì)產(chǎn)品都采用相同規(guī)格的傳感器晶體，前幾代無(wú)源核子料位計(jì)由于需要通過(guò)硬件結(jié)構(gòu)屏蔽周圍環(huán)境背景輻射噪聲的影響，利用鉛材料做定向屏蔽，產(chǎn)品實(shí)際檢測(cè)范圍受到進(jìn)一步限制。上海沃納的第3代無(wú)源核子料位計(jì)中，改進(jìn)了分析技術(shù)，提升了算法，無(wú)需設(shè)置定向鉛材料進(jìn)行背景噪聲的抑制，測(cè)量范圍較前幾代產(chǎn)品有顯著提升。

為驗(yàn)證無(wú)源核子料位計(jì)實(shí)際測(cè)量范圍，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過(guò)在除塵器灰斗高度1.5 m低位測(cè)量點(diǎn)，4.5 m高位測(cè)量點(diǎn)以及對(duì)應(yīng)的倉(cāng)泵分別安裝一臺(tái)上海沃納第3代無(wú)源核子料位計(jì)進(jìn)行測(cè)量范圍的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

試驗(yàn)開始后，關(guān)閉倉(cāng)泵進(jìn)料閥，對(duì)灰斗進(jìn)行憋灰試驗(yàn)。從倉(cāng)泵曲線可以看出，倉(cāng)泵數(shù)據(jù)一直維持空倉(cāng)穩(wěn)定狀態(tài)，積灰到一定階段以后，低位數(shù)據(jù)上升，當(dāng)?shù)臀粶y(cè)量空間滿灰后，由于繼續(xù)進(jìn)料，灰密度增加；密度增加一定程度后，由于前面灰密度變大，對(duì)后面灰放射輻射的吸附遮擋，低位數(shù)據(jù)呈現(xiàn)一定下降。在此過(guò)程中，高位處于測(cè)量范圍外，數(shù)據(jù)沒(méi)有變化。而當(dāng)繼續(xù)積灰后，灰進(jìn)一高位測(cè)量點(diǎn)的無(wú)源核子料位計(jì)測(cè)量范圍，高位測(cè)量數(shù)據(jù)開始上升，在此過(guò)程中低位數(shù)據(jù)維持穩(wěn)定。從此可以分析出，被測(cè)試無(wú)源核子料位計(jì)在灰斗上，實(shí)際測(cè)量范圍應(yīng)該小于1.5 m測(cè)量半徑。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到，實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)該在半徑1.2～1.3 m。

圖2 測(cè)量范圍的試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于個(gè)別廠家宣傳的12 m測(cè)量范圍，通過(guò)理論分析確定其是否具有合理性。 物理學(xué)中，Y射線的射線強(qiáng)度與距離變化關(guān)系遵循平方反比律。輻射傳播路徑如圖3所示。平方反比律公式：

T1=T0S/4πr2

(1)

式中r——探測(cè)器與放射源的距離；S——探測(cè)器面積；T0——放射源射線強(qiáng)度；T1——測(cè)量點(diǎn)射線強(qiáng)度。

因此，即使不考慮空氣本身對(duì)輻射能量的顯著吸收效果、點(diǎn)狀放射源變平面或者立體放射源、單位接收面積內(nèi)輻射顯著下降等因素，要想獲得比本試驗(yàn)更大的測(cè)量范圍，則測(cè)量到的輻射能量差異值至少要是本試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平方倍數(shù)關(guān)系。如測(cè)量范圍12 m的傳感器，其測(cè)量能力至少為本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)無(wú)源核子料位計(jì)16倍以上。如果再考慮空氣對(duì)于輻射能量吸收和點(diǎn)放射源變立體放射源的實(shí)際影響，達(dá)到此聲明技術(shù)參數(shù)傳感器的能力(32至256倍)，超出了目前實(shí)際的技術(shù)能力。

圖3 輻射傳播路徑

通過(guò)試驗(yàn)與理論推導(dǎo)，可以確定無(wú)源核子料位計(jì)實(shí)際測(cè)量范圍為半徑0.8～1.5 m。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)源核子料位計(jì)作為一種特殊的非接觸式測(cè)量料位計(jì)，相比較于以往在除塵器灰斗、倉(cāng)泵使用的接觸式料位計(jì)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。在三河電廠實(shí)際使用中，無(wú)源核子料位計(jì)的實(shí)際使用效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)包括射頻導(dǎo)納料位計(jì)在內(nèi)的接觸式料位計(jì)。

但如果不解決無(wú)源核子料位計(jì)測(cè)量過(guò)程中背景輻射、料種識(shí)別與修正等技術(shù)缺陷，對(duì)于大容器而言，不解決全量程測(cè)量問(wèn)題，其測(cè)量的可靠性與準(zhǔn)確性就無(wú)法得到保障。需要相關(guān)領(lǐng)域廠家、專家與用戶進(jìn)一步研究，以解決無(wú)源核子料位計(jì)實(shí)際存在的關(guān)鍵問(wèn)題。