柳鵬飛，邵 偉

(河北神華三河發(fā)電有限公司，河北 燕郊 065201)

三河工程建設一期為2×350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組。鍋爐、汽輪機和發(fā)電機分別由東方鍋爐(集團)股份有限公司、東方汽輪機廠和東方電機廠設計、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)，由日本三菱公司負責設計和供貨，采用德國MOLLER公司的系統(tǒng)和設備，設有11個輸灰單元，每4個壓力容器為一個輸灰單元，空預器為3個壓力罐。

飛灰氣力輸送系統(tǒng)以每臺爐為一個單元。按照設計煤種，每臺爐灰量為25.42 t/h。靜電除塵器為5電場，共40個灰斗，每個灰斗下設一個輸送壓力容器，每4個分為一組；空氣預熱器有6個灰斗，每2個灰斗設一個輸送壓力容器，3個容器為一組，運行時根據(jù)輸送壓力容器料位、壓力、及時間信號自動運行通過氣力將電除塵和空氣預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)倉泵料位計，全部采用分體式射頻導納料位計。陸續(xù)更換過進口與國產(chǎn)多個品牌的射頻導納料位計產(chǎn)品，效果均不理想。

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

1 除塵器灰斗和輸灰倉泵對于料位控制的理想需求

1.1 電除塵灰斗

除塵運行狀態(tài)下，內(nèi)部溫度在140℃左右。電除塵灰斗空間體積大，物料堆型復雜，落料時飛灰現(xiàn)象嚴重，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量點和高位報警點兩個測量點。

高位報警點位于灰斗上部，其主要作用是用來保護電除塵。防止灰位過高，引起極板短路，系統(tǒng)跳停；同時防止灰量過大，引發(fā)灰斗垮塌等安全事故。高灰位報警平常很少報警，但是一旦出現(xiàn)高灰位，必須要能報警，所以要求料位計能時刻保持在正常狀態(tài)。要求此位置料位開關在料位正常時不要誤報，料位危險時一定要報出來。要求料位計長期且高度可靠。

低測量點位于灰斗下部，其主要作用是保證干灰輸送系統(tǒng)連續(xù)、高效率地運行。因此，低位測量點不僅要求報警可靠，最好還能夠顯示灰斗底部料位的變化趨勢。低位測點的灰位狀況是運行人員判斷何時開啟下一輸灰流程的重要依據(jù)。要求料位計不能有誤報，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，占整個除塵器除塵量的80%～90%。原有的高低監(jiān)控點的點監(jiān)控模式很難讓運行人員掌握灰斗內(nèi)實際灰量或者灰位變化情況，當灰斗內(nèi)部出現(xiàn)掛料、搭橋、漏空等極端狀況時無法做出及時準確的操作判斷。

1.2 輸灰系統(tǒng)倉泵

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

輸灰系統(tǒng)通常主要由倉式輸送泵、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泵進料、倉泵充壓段、物料輸送三個階段。在卸料裝灰階段，打開進料閥和透氣閥，灰斗中的物料在重力的作用下落入倉泵；然后，關閉進料閥和透氣閥，打開進氣閥為倉泵中的物料加壓，即倉泵充壓階段；當壓力達到某一定值時，則打開出料閥，進入物料輸送階段，此時倉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)只有在達到“密相輸灰”狀態(tài)時，才能使系統(tǒng)達到高效率?！懊芟噍敾摇睍r管道內(nèi)氣灰濃度高，介質流速慢，對管道沖擊、磨損小。要到達密相輸灰狀態(tài)，就要求每次輸灰時，倉泵內(nèi)的灰要到達一定的量，每次輸灰時，倉泵內(nèi)灰量少，則是稀相輸灰。稀相輸灰時，管道內(nèi)氣灰濃度低，介質流速快，對管道沖擊、磨損大。管道內(nèi)壁的磨損與管道內(nèi)介質的流速是成平方正比。就整個輸灰系統(tǒng)而言，稀相輸灰時，輸送同樣多的灰料，輸灰系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)更多，則閥門動作多，壓縮系統(tǒng)平均工作時間更長，管道磨損大，系統(tǒng)及部件使用壽命短，故障率高，維護成本大。同時，如果倉泵內(nèi)進料太多，則會導致輸灰系統(tǒng)堵塞，進料閥沖擊受損等問題，影響除塵系統(tǒng)正常運行。所以，要通過料位計對倉泵內(nèi)的料位進行監(jiān)測與控制，通過料位計將料位控制在合理的水平。

在輸灰系統(tǒng)倉泵中，準確、可靠、合理的料位控制，對輸灰系統(tǒng)高效率運行非常重要。同時，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，維護成本等都有著非常顯著與直接的關聯(lián)。

2 無源核子料位計在應用中遇到的問題

無源核子料位計由于其完全非接觸式特點，近年來在國內(nèi)火電廠中得到非常廣泛的使用。由于不在本體上開孔，在本體外測量，維護更換方便，不影響本體運行；不與物料接觸，就不會被落料砸壞，沒有磨損，無探頭掛料問題；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460℃左右。電除塵灰斗和倉泵內(nèi)灰料，溫度也在150℃左右；絕對沒有放射源。不存在放射源衰減的問題,也不存在放射源保管、回收、許可證、監(jiān)管等問題；免維護，使用過程中無損耗件,無參數(shù)條件漂移,不需要做任何維護工作；料位趨勢可見，傳感器帶高亮度數(shù)碼顯示器，物料量以數(shù)值顯示，可見物位變化過程與趨勢?？狗蹓m、飛灰，測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，所以能夠準確分辨出容器內(nèi)是飛灰還是料滿。

通過實際使用與觀察，并且收集同行業(yè)其他用戶的實際使用情況，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的無源核子料位計存在以下幾個比較關鍵的問題。

(1)在倉泵上使用時出現(xiàn)報警值無法準確設定情況。對于同樣的空倉狀況，同樣的無源核子料位計測量的數(shù)據(jù)有差異。如果發(fā)現(xiàn)個別灰斗泄灰，原有倉泵料位計設置的料位數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)空倉觸發(fā)料位的情況。

(2)從倉泵數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，滿泵狀態(tài)下，無源核子料位計測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成分差異，導致同樣體積下無源核子料位計測量數(shù)據(jù)有差異。

(3)灰斗是封閉容器，內(nèi)部灰量無法知曉，難以準確獲知無源核子料位計實際測量范圍，給判斷和監(jiān)控實際料位留下較大的隱患。

3 對于無源核子料位計幾個關鍵問題的分析與研究

3.1 測量環(huán)境背景輻射問題

無源核子料位計測量的是空間內(nèi)總輻射信息，因此其測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。通過無源核子料位計對空間環(huán)境測量，往往其測量數(shù)據(jù)遠遠大于物料從容器內(nèi)釋放的放射數(shù)據(jù)。即使測量空的容器，雖然容器對于空間背景輻射具有較強的屏蔽作用，其剩余的背景數(shù)據(jù)量也非常大。當被測量容器為小尺寸容器時，其背景輻射占比更加顯著(實際測量運用中稱之為背景噪聲)。環(huán)境背景輻射包括測量環(huán)境中硬件設備的輻射能量、宇宙背景輻射能量、大氣環(huán)境內(nèi)物質的輻射能量等因素。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，都會顯著改變輻射能量。當季節(jié)或者晝夜的轉換，宇宙環(huán)境的背景輻射也會發(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：由于降水過程中，空氣中放射性物質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合，降水過程通過沖洗或者清除作用，帶到地面引起地表的Y輻射劑量數(shù)據(jù)增加。對于測試的地區(qū)(我國東部地區(qū))，最大升幅可達38.1%。

3.2 被測量對象料種變化問題

無源核子料位計測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。一般認為，煤炭來自古代植物，而植物生長過程中會吸收富集重金屬，包括具有放射性的重金屬，從而使煤炭中的放射性物質含量大于土壤本底濃度。煤炭燃燒后，這些放射性物質都遺留在不多的煤灰中，使放射性物質又富集3～5倍以上，從而成為含高放射性物質的廢棄物。

因此，若無源核子料位計測量過程中忽略被測量對象，如煤炭或者粉煤灰中放射性含量的差異，不對其進行識別與修正，其料位測量準確性在理論上就無法保證。

3.3 無源核子料位計量程問題

無源核子料位計測量范圍問題，因國內(nèi)缺乏相應的設備檢測要求以及缺乏第三方檢測機構公正檢測數(shù)據(jù)，成為一個極其模糊的問題。目前國內(nèi)廠家的無源核子料位計產(chǎn)品都采用相同規(guī)格的傳感器晶體，前幾代無源核子料位計由于需要通過硬件結構屏蔽周圍環(huán)境背景輻射噪聲的影響，利用鉛材料做定向屏蔽，產(chǎn)品實際檢測范圍受到進一步限制。上海沃納的第3代無源核子料位計中，改進了分析技術，提升了算法，無需設置定向鉛材料進行背景噪聲的抑制，測量范圍較前幾代產(chǎn)品有顯著提升。

為驗證無源核子料位計實際測量范圍，進行了現(xiàn)場試驗。通過在除塵器灰斗高度1.5 m低位測量點，4.5 m高位測量點以及對應的倉泵分別安裝一臺上海沃納第3代無源核子料位計進行測量范圍的試驗。試驗結果如圖2所示。

試驗開始后，關閉倉泵進料閥，對灰斗進行憋灰試驗。從倉泵曲線可以看出，倉泵數(shù)據(jù)一直維持空倉穩(wěn)定狀態(tài)，積灰到一定階段以后，低位數(shù)據(jù)上升，當?shù)臀粶y量空間滿灰后，由于繼續(xù)進料，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。在此過程中，高位處于測量范圍外，數(shù)據(jù)沒有變化。而當繼續(xù)積灰后，灰進一高位測量點的無源核子料位計測量范圍，高位測量數(shù)據(jù)開始上升，在此過程中低位數(shù)據(jù)維持穩(wěn)定。從此可以分析出，被測試無源核子料位計在灰斗上，實際測量范圍應該小于1.5 m測量半徑。通過現(xiàn)場測量得到，實際測量數(shù)據(jù)應該在半徑1.2～1.3 m。

圖2 測量范圍的試驗結果

對于個別廠家宣傳的12 m測量范圍，通過理論分析確定其是否具有合理性。 物理學中，Y射線的射線強度與距離變化關系遵循平方反比律。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——探測器與放射源的距離；S——探測器面積；T0——放射源射線強度；T1——測量點射線強度。

因此，即使不考慮空氣本身對輻射能量的顯著吸收效果、點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，要想獲得比本試驗更大的測量范圍，則測量到的輻射能量差異值至少要是本試驗數(shù)據(jù)的平方倍數(shù)關系。如測量范圍12 m的傳感器，其測量能力至少為本次現(xiàn)場試驗無源核子料位計16倍以上。如果再考慮空氣對于輻射能量吸收和點放射源變立體放射源的實際影響，達到此聲明技術參數(shù)傳感器的能力(32至256倍)，超出了目前實際的技術能力。

圖3 輻射傳播路徑

通過試驗與理論推導，可以確定無源核子料位計實際測量范圍為半徑0.8～1.5 m。

4 結語

無源核子料位計作為一種特殊的非接觸式測量料位計，相比較于以往在除塵器灰斗、倉泵使用的接觸式料位計具有顯著的優(yōu)勢。在三河電廠實際使用中，無源核子料位計的實際使用效果遠遠超過包括射頻導納料位計在內(nèi)的接觸式料位計。

但如果不解決無源核子料位計測量過程中背景輻射、料種識別與修正等技術缺陷，對于大容器而言，不解決全量程測量問題，其測量的可靠性與準確性就無法得到保障。需要相關領域廠家、專家與用戶進一步研究，以解決無源核子料位計實際存在的關鍵問題。