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(cè)量現(xiàn)狀

在國(guó)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(duì)煤燃燒后的粉煤灰進(jìn)行處理，配備相應(yīng)的除灰系統(tǒng)。火電廠的除灰系統(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(shí)現(xiàn)除灰作業(yè)的自動(dòng)化控制，通過料位計(jì)來檢測(cè)灰斗和倉泵中的灰位則是必不可少的一個(gè)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(jì)來對(duì)灰位進(jìn)行檢測(cè)。但是，這些料位計(jì)有一個(gè)共同特點(diǎn)，它們都屬于接觸式測(cè)量。這種料位計(jì)在使用時(shí)需要在容器上開孔，將料位計(jì)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(cè)量，長(zhǎng)時(shí)間使用后磨損嚴(yán)重，可靠性明顯下降，誤報(bào)率增加。對(duì)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(jì)的可靠工作，誤報(bào)率較高。因此，使用傳統(tǒng)的接觸式料位計(jì)，還需要技術(shù)人員不斷地跑現(xiàn)場(chǎng)對(duì)料位計(jì)的誤報(bào)警進(jìn)行確認(rèn)和處理，技術(shù)人員的工作強(qiáng)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(jì)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(huì)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(shí)會(huì)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(chǎng)中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，具有很強(qiáng)的穿透物質(zhì)的能力。因此，從灰斗和倉泵外面就可以探測(cè)到煤灰發(fā)射出的γ射線。通過測(cè)量容器內(nèi)的伽馬射線并根據(jù)特定的測(cè)量模型反推容器內(nèi)的灰位就是無源核子料位計(jì)的基本原理。

對(duì)γ射線的測(cè)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(duì)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(diǎn)處的放射性強(qiáng)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(cè)量點(diǎn)相對(duì)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(cè)量點(diǎn)距離放射性物質(zhì)的距離越近，測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的放射性強(qiáng)度越高，但并不是簡(jiǎn)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(jì)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(jì)主要可以分為探頭、信號(hào)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(hào)；信號(hào)處理電路將探頭輸出的電脈沖信號(hào)進(jìn)行整形、濾波、計(jì)數(shù)，并根據(jù)測(cè)量模型和系統(tǒng)參數(shù)對(duì)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(diǎn)。另外，為了對(duì)料位計(jì)進(jìn)行調(diào)試和實(shí)時(shí)監(jiān)控，一般還配有移動(dòng)式PC調(diào)試系統(tǒng)和手持調(diào)試器。

圖2 無源核子料位計(jì)系統(tǒng)組成

3 無源核子料位計(jì)在除灰系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 保護(hù)靜電除塵器極板

對(duì)靜電除塵器而言，料位計(jì)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(jì)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(jì)沉余距離1～2 m即可。

圖3為2個(gè)灰斗各安裝1臺(tái)保護(hù)靜電除塵器極板的料位計(jì)示意圖，料位計(jì)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(gè)灰斗各安裝1臺(tái)靜電除塵器保護(hù)料位計(jì)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(yùn)行過程中，灰斗內(nèi)的灰位高低是除灰運(yùn)行人員實(shí)時(shí)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(yùn)行上限料位，又不低于運(yùn)行下限料位。同時(shí)，通過料位計(jì)還可以推測(cè)每一個(gè)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(chǎng)，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(chǔ)灰時(shí)間長(zhǎng)、溫度低，更容易造成掛灰、板結(jié)等情況。所以，為除灰運(yùn)行提供上限和下限料位信號(hào)很有必要。

上限和下限料位的設(shè)計(jì)計(jì)算，首先是依據(jù)極限燃燒煤種的特點(diǎn)。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(yùn)行出力狀況等。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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(gè)灰斗配置1個(gè)上限料位計(jì)和1個(gè)下限料位計(jì)，為運(yùn)行提供上限和下限料位監(jiān)控的示意圖。

目前，國(guó)內(nèi)的很多電廠還在使用傳統(tǒng)的接觸式料位計(jì)，這些類型的料位計(jì)的一個(gè)突出特點(diǎn)就是容易因掛灰而出現(xiàn)誤報(bào)警?；叶妨衔挥?jì)的輸出信號(hào)一般不用作自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制信號(hào)，只是供除灰運(yùn)行人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在料位報(bào)警出現(xiàn)時(shí)，運(yùn)行人員需要對(duì)報(bào)警進(jìn)行確認(rèn)，看其是否是誤報(bào)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(yùn)行人員的工作強(qiáng)度增大、工作環(huán)境變差，而且需要多人的配合，最終還會(huì)提高企業(yè)的生產(chǎn)成本。由于無源核子料位計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)絕對(duì)的非接觸式測(cè)量，因此其可靠性非常高，基本上不會(huì)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(gè)灰斗同時(shí)配置上限料位計(jì)和下限料位計(jì)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(huì)在重力的作用下注入倉泵，落灰持續(xù)一段時(shí)間以后，除灰控制系統(tǒng)就會(huì)打開倉泵和輸灰管道之間的閥門啟動(dòng)輸灰作業(yè)。控制系統(tǒng)通過檢測(cè)輸灰壓力，來判斷是否輸完灰，即等輸灰管壓力降到某個(gè)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(yùn)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(shí)間作為啟動(dòng)輸灰作業(yè)的依據(jù)，主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的料位計(jì)是接觸式料位計(jì)，它的一個(gè)很大的缺點(diǎn)是可靠性比較低，經(jīng)常誤報(bào)警。因此，一般只是將這種料位計(jì)的輸出信號(hào)作為運(yùn)行人員監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的一種參考，并不將其納入自動(dòng)控制系統(tǒng)。而使用落灰時(shí)間作為啟動(dòng)輸灰的依據(jù)的缺點(diǎn)在于，時(shí)間常數(shù)需要設(shè)計(jì)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(shí)，輸灰系統(tǒng)就會(huì)頻繁地啟動(dòng)輸灰作業(yè)，壓縮空氣的消耗量自然就會(huì)增加，能耗提高；由于倉泵內(nèi)灰量不多，輸送時(shí)的灰氣比較小，對(duì)管道和閥門的磨損嚴(yán)重；閥門動(dòng)作頻繁，有效壽命減少。上述問題都會(huì)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(jì)，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(dòng)控制，可以減少壓縮空氣的用量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能，而且還可以減少閥門的動(dòng)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(gè)倉泵安裝1臺(tái)料位計(jì)，安裝示意圖如圖5所示。

圖5 倉泵料位計(jì)安裝示意圖

4 無源核子料位計(jì)的特點(diǎn)

相對(duì)于傳統(tǒng)的接觸式料位計(jì)，無源核子料位計(jì)具有如下特點(diǎn)。

4.1 絕對(duì)的非接觸式測(cè)量

無源核子料位計(jì)檢測(cè)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(qiáng)，能夠穿透容器壁到達(dá)料位計(jì)的敏感元件，因此不需要將料位計(jì)的敏感元件插入容器內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)的非接觸式測(cè)量。

4.2 安裝維護(hù)方便

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

4.3 可靠性高

料位計(jì)工作時(shí)不會(huì)接觸容器內(nèi)的物料，因此不會(huì)受到容器內(nèi)高溫高壓等惡劣工況的影響，也不會(huì)因與物料的接觸而產(chǎn)生磨損和腐蝕，從而保證了儀器長(zhǎng)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(jì)進(jìn)行測(cè)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(jì)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(dòng)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(jì)具有無放射源和非接觸的特點(diǎn),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(dòng)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(jì)進(jìn)行測(cè)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(jì)已經(jīng)在火力發(fā)電廠得到應(yīng)用和檢驗(yàn),并取得了十分滿意的效果。