無源核子料位計在火電廠除灰系統中的應用
摘要：針對火電廠粉煤灰料位檢測中接觸式料位計易因掛灰出現誤報警, 影響輸灰系統正常運行、能耗高的現狀, 設計了一種無源核子料位計。該料位計安裝在灰斗和倉泵外側面, 通過檢測粉煤灰放射出的γ射線來計算灰位, 實現的非接觸式測量, 并具有抗干擾能力強、溫度自適應及煤種自適應的創新性特點。
1、火電廠除灰系統料位測量現狀：
在國內, 絕大多數的火力發電廠均為燃煤電廠, 這就必然需要對煤燃燒后的粉煤灰進行處理, 配備相應的除灰系統。火電廠的除灰系統主要由除塵器、灰斗、倉泵、壓縮空氣系統、灰庫以及相應的控制系統等組成。若要實現除灰作業的自動化控制, 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節。
目前, 火電廠普遍使用音叉式、雷達式、電容式、射頻導納式等各種形式的料位計來對灰位進行檢測。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部, 安裝維護不方便。由于是接觸式測量, 長時間使用后磨損嚴重, 可靠性明顯下降, 誤報率增加。對于灰斗、倉泵等容器而言, 內部物料的溫度很高, 飛灰掛灰嚴重, 影響料位計的可靠工作, 誤報率較高。因此, 使用傳統的接觸式料位計, 還需要技術人員不斷地跑現場對料位計的誤報警進行確認和處理, 技術人員的工作強度高、工作環境惡劣, 企業的生產成本也因此較高。
2、無源核子料位計工作原理：
2.1、基礎理論：
放射性在自然界中是廣泛存在的, 尤其是在礦物質當中。而煤本身就是一種礦物質, 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物粉煤灰中了。
粉煤灰中的放射性核素在發生放射性衰變時會發射帶電粒子 (α粒子、β粒子) 和γ射線。其中, γ射線本質上是一種電磁波, 從波粒二象性的角度看, 還可以認為它是一種光子。γ光子本身不帶電, 呈電中性, 在磁場中不發生偏轉, 具有很強的穿透物質的能力。因此, 從灰斗和倉泵外面就可以探測到煤灰發射出的γ射線。通過測量容器內的伽馬射線并根據特定的測量模型反推容器內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光子與物質相互作用的三種效應———光電效應、康普頓效應、電子對效應, 如圖1所示。
2.2、工作原理：
根據核輻射理論可知, 在某點處的放射性強度 (或照射量率) 與放射性物質的類型、質量、形狀、屏蔽層情況及該測量點相對于放射性物質的空間位置有關。一般來說, 放射性物質的量越多、測量點距離放射性物質的距離越近, 測量點測得的放射性強度越高, 但并不是簡單的線性關系, 而是與諸多其他因素有關的復雜函數關系。
圖1 γ射線與物質的三種相互作用
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, 經過上述三種效應將γ射線轉換為電脈沖信號;信號處理電路將探頭輸出的電脈沖信號進行整形、濾波、計數, 并根據測量模型和系統參數對γ射線進行能譜分析, 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, 為了對料位計進行調試和實時監控, 一般還配有移動式PC調試系統和手持調試器。
圖2 無源核子料位計系統組成
3、無源核子料位計在除灰系統中的應用：
3.1、保護靜電除塵器極板：
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, 引發除塵器故障。
一般情況下, 料位計安裝位置應按照保護極板的作用來確定, 其原則是由靜電除塵器極板與粉煤灰的安全距離確定, 建議設計沉余距離1~2 m即可。
圖3為2個灰斗各安裝1臺保護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臺靜電除塵器保護料位計示意圖
3.2、為除灰系統提供灰斗料位參考：
除灰系統運行過程中, 灰斗內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的料位在一定范圍內, 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, 比如, 灰斗內是否有積灰, 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、粒度細小、黏度大, 粉煤灰沿灰斗內壁的爬壁現象嚴重, 且灰斗內儲灰時間長、溫度低, 更容易造成掛灰、板結等情況。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計計算, 首先是依據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, 造成灰斗負荷過大。其次, 還要考慮工藝系統的極限狀況, 例如進煤系統的制粉狀況、灰斗電加熱的工作狀況、除灰系統的運行出力狀況等。依據經驗, 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控的示意圖。
目前, 國內的很多電廠還在使用傳統的接觸式料位計, 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誤報警。灰斗料位計的輸出信號一般不用作自動控制系統的控制信號, 只是供除灰運行人員對系統進行監測。在料位報警出現時, 運行人員需要對報警進行確認, 看其是否是誤報警。而確認的方式一般是傳統的敲擊方式, 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。這不但使得運行人員的工作強度增大、工作環境變差, 而且需要多人的配合, ***終還會提高企業的生產成本。由于無源核子料位計能夠實現的非接觸式測量, 因此其可靠性非常高, 基本上不會出現上述問題, 因此, 其應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、為除灰系統提供倉泵料位參考：
倉泵是輸灰系統的主要組成部分, 除塵器灰斗內的粉煤灰需要通過倉泵輸送至灰庫。
傳統的輸灰流程如下:打開灰斗和倉泵之間的卸灰閥后, 灰斗內的粉煤灰就會在重力的作用下注入倉泵, 落灰持續一段時間以后, 除灰控制系統就會打開倉泵和輸灰管道之間的閥門啟動輸灰作業。控制系統通過檢測輸灰壓力, 來判斷是否輸完灰, 即等輸灰管壓力降到某個值后就認為輸灰完成, 停止輸灰, 然后再打開灰斗卸灰閥進灰, 如此周期運行, 將灰斗內的灰源源不斷地送往灰庫。
在傳統的輸灰流程中, 之所以將落灰時間作為啟動輸灰作業的依據, 主要是因為傳統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控系統運行的一種參考, 并不將其納入自動控制系統。而使用落灰時間作為啟動輸灰的依據的缺點在于, 時間常數需要設計地比較保守, 一般是根據***大落灰速度和倉泵的容量來確定。然而, 當落灰速度小于***大落灰速度時, 輸灰系統就會頻繁地啟動輸灰作業, 壓縮空氣的消耗量自然就會增加, 能耗提高;由于倉泵內灰量不多, 輸送時的灰氣比較小, 對管道和閥門的磨損嚴重;閥門動作頻繁, 有效壽命減少。上述問題都會使得企業生產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的自動控制, 可以減少壓縮空氣的用量, 實現系統節能, 而且還可以減少閥門的動作次數和管道磨損, 減少設備的維護工作量, 降低企業生產成本。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：
相對于傳統的接觸式料位計, 無源核子料位計具有如下特點。
4.1 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部, 從而實現了的非接觸式測量。
4.2 安裝維護方便
由于是的非接觸式測量, 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行安裝, 不會影響生產;產品的維護也不需要對容器本身進行任何處理, 直接對料位計本身進行檢查和維護即可。
4.3 可靠性高
料位計工作時不會接觸容器內的物料, 因此不會受到容器內高溫高壓等惡劣工況的影響, 也不會因與物料的接觸而產生磨損和腐蝕, 從而保證了儀器長期使用的可靠性和穩定性。
4.4 適用范圍廣
由于利用的是物質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行測量, 比如煤灰、煤渣、瀝青、水泥、礦石等。
4.5 降低企業生產成本
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的自動控制中, 可以大大地減少維護的次數和管路的磨損、減少壓縮空氣的用量, 進而降低企業的生產成本, 提升企業效益。
5、應用前景：
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的自動控制中, 進而降低電廠的生產成本, 提升電廠效益。而且, 由于利用的是物質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在火力發電廠得到應用和檢驗, 并取得了十分滿意的效果。