无源核子料位计在火电厂除灰系统中的应用

摘要：针对火电厂粉煤灰料位检测中接触式料位计易因挂灰出现误报警, 影响输灰系统正常运行、能耗高的现状, 设计了一种无源核子料位计。该料位计安装在灰斗和仓泵外侧面, 通过检测粉煤灰放射出的γ射线来计算灰位, 实现的非接触式测量, 并具有抗干扰能力强、温度自适应及煤种自适应的创新性特点。

  在国内, 绝大多数的火力发电厂均为燃煤电厂, 这就必然需要对煤燃烧后的粉煤灰进行处理, 配备相应的除灰系统。火电厂的除灰系统主要由除尘器、灰斗、仓泵、压缩空气系统、灰库以及相应的控制系统等组成。若要实现除灰作业的自动化控制, 通过料位计来检测灰斗和仓泵中的灰位则是必不可少的一个环节。

  目前, 火电厂普遍使用音叉式、雷达式、电容式、射频导纳式等各种形式的料位计来对灰位进行检测。但是, 这些料位计有一个共同特点, 它们都属于接触式测量。这种料位计在使用时需要在容器上开孔, 将料位计的敏感元件插入到容器内部, 安装维护不方便。由于是接触式测量, 长时间使用后磨损严重, 可靠性明显下降, 误报率增加。对于灰斗、仓泵等容器而言, 内部物料的温度很高, 飞灰挂灰严重, 影响料位计的可靠工作, 误报率较高。因此, 使用传统的接触式料位计, 还需要技术人员不断地跑现场对料位计的误报警进行确认和处理, 技术人员的工作强度高、工作环境恶劣, 企业的生产成本也因此较高。

  放射性在自然界中是广泛存在的, 尤其是在矿物质当中。而煤本身就是一种矿物质, 自然也会有放射性存在。煤中的放射性主要来自于伴生页岩中含有的铀、钍、钾等放射性核素及其衰变子体。煤的燃烧产物分为气体与固体两部分, 气体以二氧化碳为主, 不含放射性, 因此燃烧后的放射性就自然富集于其固体燃烧产物粉煤灰中了。

  粉煤灰中的放射性核素在发生放射性衰变时会发射带电粒子 (α粒子、β粒子) 和γ射线。其中, γ射线本质上是一种电磁波, 从波粒二象性的角度看, 还可以认为它是一种光子。γ光子本身不带电, 呈电中性, 在磁场中不发生偏转, 具有很强的穿透物质的能力。因此, 从灰斗和仓泵外面就可以探测到煤灰发射出的γ射线。通过测量容器内的伽马射线并根据特定的测量模型反推容器内的灰位就是无源核子料位计的基本原理。

  对γ射线的测量主要依据光子与物质相互作用的三种效应———光电效应、康普顿效应、电子对效应, 如图1所示。

  根据核辐射理论可知, 在某点处的放射性强度 (或照射量率) 与放射性物质的类型、质量、形状、屏蔽层情况及该测量点相对于放射性物质的空间位置有关。一般来说, 放射性物质的量越多、测量点距离放射性物质的距离越近, 测量点测得的放射性强度越高, 但并不是简单的线性关系, 而是与诸多其他因素有关的复杂函数关系。

图1 γ射线与物质的三种相互作用

  无源核子料位计的组成和工作原理如图2所示。从功能上来分, 无源核子料位计主要可以分为探头、信号处理电路、高压电源三部分:探头用于接收来自粉煤灰的天然γ射线, 经过上述三种效应将γ射线转换为电脉冲信号;信号处理电路将探头输出的电脉冲信号进行整形、滤波、计数, 并根据测量模型和系统参数对γ射线进行能谱分析, 反推料位高度;高压电源则用于给探头提供高精度和低调整率的高压电源, 保证探头具有合适的工作点。另外, 为了对料位计进行调试和实时监控, 一般还配有移动式PC调试系统和手持调试器。

图2 无源核子料位计系统组成

  对静电除尘器而言, 料位计所起的作用是防止灰斗内的粉煤灰堆积过高接触除尘器极板造成极板短路放电, 引发除尘器故障。

  一般情况下, 料位计安装位置应按照保护极板的作用来确定, 其原则是由静电除尘器极板与粉煤灰的安全距离确定, 建议设计沉余距离1~2 m即可。

  图3为2个灰斗各安装1台保护静电除尘器极板的料位计示意图, 料位计安装位置的确定由静电除尘器的制造商按照保护除尘器极板的要求综合考虑。

图3 2个灰斗各安装1台静电除尘器保护料位计示意图

  除灰系统运行过程中, 灰斗内的灰位高低是除灰运行人员实时跟踪的重要信息, 其目的主要是控制灰斗内的料位在一定范围内, 既不高于运行上限料位, 又不低于运行下限料位。同时, 通过料位计还可以推测每一个除尘灰斗是否处于正常工作状态, 比如, 灰斗内是否有积灰, 挂灰, 蓬灰等灰斗故障。尤其是除尘器的第三、第四和第五电场, 由于粉煤灰的量少、粒度细小、黏度大, 粉煤灰沿灰斗内壁的爬壁现象严重, 且灰斗内储灰时间长、温度低, 更容易造成挂灰、板结等情况。所以, 为除灰运行提供上限和下限料位信号很有必要。

  上限和下限料位的设计计算, 首先是依据极限燃烧煤种的特点。有些煤种燃烧后, 粉煤灰的密度和灰量都过大, 造成灰斗负荷过大。其次, 还要考虑工艺系统的极限状况, 例如进煤系统的制粉状况、灰斗电加热的工作状况、除灰系统的运行出力状况等。依据经验, 下限料位一般在灰斗的人孔门上方0.5~1.0 m位置之间, 上限料位一般在灰斗高度的2/3~3/4位置之间。

  图4为1个灰斗配置1个上限料位计和1个下限料位计, 为运行提供上限和下限料位监控的示意图。

  目前, 国内的很多电厂还在使用传统的接触式料位计, 这些类型的料位计的一个突出特点就是容易因挂灰而出现误报警。灰斗料位计的输出信号一般不用作自动控制系统的控制信号, 只是供除灰运行人员对系统进行监测。在料位报警出现时, 运行人员需要对报警进行确认, 看其是否是误报警。而确认的方式一般是传统的敲击方式, 而由于灰斗本身体积大, 还安装在高处, 所以需要搭建专门的脚手架来辅助作业。这不但使得运行人员的工作强度增大、工作环境变差, 而且需要多人的配合, ***终还会提高企业的生产成本。由于无源核子料位计能够实现的非接触式测量, 因此其可靠性非常高, 基本上不会出现上述问题, 因此, 其应用能够带来很大的便利。

图4 一个灰斗同时配置上限料位计和下限料位计示意图

  仓泵是输灰系统的主要组成部分, 除尘器灰斗内的粉煤灰需要通过仓泵输送至灰库。

  传统的输灰流程如下:打开灰斗和仓泵之间的卸灰阀后, 灰斗内的粉煤灰就会在重力的作用下注入仓泵, 落灰持续一段时间以后, 除灰控制系统就会打开仓泵和输灰管道之间的阀门启动输灰作业。控制系统通过检测输灰压力, 来判断是否输完灰, 即等输灰管压力降到某个值后就认为输灰完成, 停止输灰, 然后再打开灰斗卸灰阀进灰, 如此周期运行, 将灰斗内的灰源源不断地送往灰库。

  在传统的输灰流程中, 之所以将落灰时间作为启动输灰作业的依据, 主要是因为传统的料位计是接触式料位计, 它的一个很大的缺点是可靠性比较低, 经常误报警。因此, 一般只是将这种料位计的输出信号作为运行人员监控系统运行的一种参考, 并不将其纳入自动控制系统。而使用落灰时间作为启动输灰的依据的缺点在于, 时间常数需要设计地比较保守, 一般是根据***大落灰速度和仓泵的容量来确定。然而, 当落灰速度小于***大落灰速度时, 输灰系统就会频繁地启动输灰作业, 压缩空气的消耗量自然就会增加, 能耗提高;由于仓泵内灰量不多, 输送时的灰气比较小, 对管道和阀门的磨损严重;阀门动作频繁, 有效寿命减少。上述问题都会使得企业生产的成本维持在较高水平。

  在仓泵上安装无源核子料位计, 一是能防止仓泵灰位过高造成阀门堵塞;二是其具有非常高的可靠性, 可以放心地将其用于输灰控制系统的自动控制, 可以减少压缩空气的用量, 实现系统节能, 而且还可以减少阀门的动作次数和管道磨损, 减少设备的维护工作量, 降低企业生产成本。通常情况下, 1个仓泵安装1台料位计, 安装示意图如图5所示。

图5 仓泵料位计安装示意图

  相对于传统的接触式料位计, 无源核子料位计具有如下特点。

  无源核子料位计检测料位利用的是物料本身固有的微量天然γ射线, γ射线穿透能力很强, 能够穿透容器壁到达料位计的敏感元件, 因此不需要将料位计的敏感元件插入容器内部, 从而实现了的非接触式测量。

  由于是的非接触式测量, 因此安装时不必在容器壁上开孔, 也完全可以在容器工作时进行安装, 不会影响生产;产品的维护也不需要对容器本身进行任何处理, 直接对料位计本身进行检查和维护即可。

  料位计工作时不会接触容器内的物料, 因此不会受到容器内高温高压等恶劣工况的影响, 也不会因与物料的接触而产生磨损和腐蚀, 从而保证了仪器长期使用的可靠性和稳定性。

  由于利用的是物质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过此类型料位计进行测量, 比如煤灰、煤渣、沥青、水泥、矿石等。

  由于无源核子料位计具有很高的可靠性, 因此可以放心地将其用于除灰系统的自动控制中, 可以大大地减少维护的次数和管路的磨损、减少压缩空气的用量, 进而降低企业的生产成本, 提升企业效益。

  无源核子料位计具有无放射源和非接触的特点, 可靠性和灵敏度高, 可以放心地将其用于除灰系统的自动控制中, 进而降低电厂的生产成本, 提升电厂效益。而且, 由于利用的是物质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过此类型料位计进行测量, 比如煤灰、煤渣、沥青、水泥、矿石等。目前, 这种无源核子料位计已经在火力发电厂得到应用和检验, 并取得了十分满意的效果。