无源核子料位计在火电厂应用中关键问题的研究

柳鹏飞，邵 伟

(河北神华三河发电有限公司，河北 燕郊 065201)

三河工程建设一期为2×350 MW热电联产机组。锅炉、汽轮机和发电机分别由东方锅炉(集团)股份有限公司、东方汽轮机厂和东方电机厂设计、制造和供货。三河一期工程厂内除尘器为静电除尘器；飞灰气力输送系统，由日本三菱公司负责设计和供货，采用德国MOLLER公司的系统和设备，设有11个输灰单元，每4个压力容器为一个输灰单元，空预器为3个压力罐。

飞灰气力输送系统以每台炉为一个单元。按照设计煤种，每台炉灰量为25.42 t/h。静电除尘器为5电场，共40个灰斗，每个灰斗下设一个输送压力容器，每4个分为一组；空气预热器有6个灰斗，每2个灰斗设一个输送压力容器，3个容器为一组，运行时根据输送压力容器料位、压力、及时间信号自动运行通过气力将电除尘和空气预热器灰斗的飞灰输送至灰库。

起初全厂除尘器灰斗与输灰系统仓泵料位计，全部采用分体式射频导纳料位计。陆续更换过进口与国产多个品牌的射频导纳料位计产品，效果均不理想。

射频导纳料位计为插入式样接触式料位计，因飞灰、挂料，温度变化，物料成分变化造成的误报很多，且探头在本体内易被物料砸弯磨损，影响测量效果。除尘器灰斗上的测量点，由于位置高，在维护时需要搭建脚手架等高空作业平台，维护人员工作量大，且存在大量安全隐患，也使维护成本高昂。除尘器灰斗上使用射频导纳料位计，由于灰斗高度高，灰斗外壁有保温层，还存在出现报警后，无法校验或者极其难以校验的问题。仓泵输灰，由于误报频繁，以及输灰控制逻辑要求，报警信号不能经常出现虚假信号，导致禁止出料的情况，目前使用时间控制。

1 除尘器灰斗和输灰仓泵对于料位控制的理想需求

1.1 电除尘灰斗

除尘运行状态下，内部温度在140℃左右。电除尘灰斗空间体积大，物料堆型复杂，落料时飞灰现象严重，本体壁面倾斜，容易产生壁面挂料情况。

根据要求,电除尘灰斗通常安装低测量点和高位报警点两个测量点。

高位报警点位于灰斗上部，其主要作用是用来保护电除尘。防止灰位过高，引起极板短路，系统跳停；同时防止灰量过大，引发灰斗垮塌等安全事故。高灰位报警平常很少报警，但是一旦出现高灰位，必须要能报警，所以要求料位计能时刻保持在正常状态。要求此位置料位开关在料位正常时不要误报，料位危险时一定要报出来。要求料位计长期且高度可靠。

低测量点位于灰斗下部，其主要作用是保证干灰输送系统连续、高效率地运行。因此，低位测量点不仅要求报警可靠，最好还能够显示灰斗底部料位的变化趋势。低位测点的灰位状况是运行人员判断何时开启下一输灰流程的重要依据。要求料位计不能有误报，最好能料位显示。

随着电除尘器除尘效率提高，特别是除尘器灰斗一电场，占整个除尘器除尘量的80%～90%。原有的高低监控点的点监控模式很难让运行人员掌握灰斗内实际灰量或者灰位变化情况，当灰斗内部出现挂料、搭桥、漏空等极端状况时无法做出及时准确的操作判断。

1.2 输灰系统仓泵

输灰系统是火电厂除尘系统的重要组成部分，其运行效率直接影响除尘系统的除尘效率与运行状态。随着环保问题越来越受重视，对火电厂除尘脱硫的要求也越来越高，输灰系统的工作效率也越来越受火电厂的重视。

输灰系统通常主要由仓式输送泵、管道、气源、输送目的地(如灰库)和控制部分组成，见图1。气力输送工艺流程大体可分为仓泵进料、仓泵充压段、物料输送三个阶段。在卸料装灰阶段，打开进料阀和透气阀，灰斗中的物料在重力的作用下落入仓泵；然后，关闭进料阀和透气阀，打开进气阀为仓泵中的物料加压，即仓泵充压阶段；当压力达到某一定值时，则打开出料阀，进入物料输送阶段，此时仓泵中的物料在气力作用下经输送管道被输送到目的地。

图1 输灰系统示意图

输灰系统只有在达到“密相输灰”状态时，才能使系统达到高效率。“密相输灰”时管道内气灰浓度高，介质流速慢，对管道冲击、磨损小。要到达密相输灰状态，就要求每次输灰时，仓泵内的灰要到达一定的量，每次输灰时，仓泵内灰量少，则是稀相输灰。稀相输灰时，管道内气灰浓度低，介质流速快，对管道冲击、磨损大。管道内壁的磨损与管道内介质的流速是成平方正比。就整个输灰系统而言，稀相输灰时，输送同样多的灰料，输灰系统循环次数更多，则阀门动作多，压缩系统平均工作时间更长，管道磨损大，系统及部件使用寿命短，故障率高，维护成本大。同时，如果仓泵内进料太多，则会导致输灰系统堵塞，进料阀冲击受损等问题，影响除尘系统正常运行。所以，要通过料位计对仓泵内的料位进行监测与控制，通过料位计将料位控制在合理的水平。

在输灰系统仓泵中，准确、可靠、合理的料位控制，对输灰系统高效率运行非常重要。同时，料位的控制，与输灰系统的阀门、压缩空气系统，管道磨损，以及系统能源消耗，维护成本等都有着非常显著与直接的关联。

2 无源核子料位计在应用中遇到的问题

无源核子料位计由于其完全非接触式特点，近年来在国内火电厂中得到非常广泛的使用。由于不在本体上开孔，在本体外测量，维护更换方便，不影响本体运行；不与物料接触，就不会被落料砸坏，没有磨损，无探头挂料问题；不受灰的温度影响，火电厂省煤器灰斗内的灰料，温度高达460℃左右。电除尘灰斗和仓泵内灰料，温度也在150℃左右；绝对没有放射源。不存在放射源衰减的问题,也不存在放射源保管、回收、许可证、监管等问题；免维护，使用过程中无损耗件,无参数条件漂移,不需要做任何维护工作；料位趋势可见，传感器带高亮度数码显示器，物料量以数值显示，可见物位变化过程与趋势。抗粉尘、飞灰，测量的是以安装位置为圆心，半径3 m左右的空间内，灰等介质的整体总量。容器内飞灰的情况与料满状态有很大差异，所以能够准确分辨出容器内是飞灰还是料满。

通过实际使用与观察，并且收集同行业其他用户的实际使用情况，发现现有的无源核子料位计存在以下几个比较关键的问题。

(1)在仓泵上使用时出现报警值无法准确设定情况。对于同样的空仓状况，同样的无源核子料位计测量的数据有差异。如果发现个别灰斗泄灰，原有仓泵料位计设置的料位数据可能会出现空仓触发料位的情况。

(2)从仓泵数据可以发现，满泵状态下，无源核子料位计测量不同煤种得出的数据差异大。不同煤种含有的放射性含量物质成分差异，导致同样体积下无源核子料位计测量数据有差异。

(3)灰斗是封闭容器，内部灰量无法知晓，难以准确获知无源核子料位计实际测量范围，给判断和监控实际料位留下较大的隐患。

3 对于无源核子料位计几个关键问题的分析与研究

3.1 测量环境背景辐射问题

无源核子料位计测量的是空间内总辐射信息，因此其测量的辐射值不仅包括容器内物料的辐射数据，还包括宇宙环境的背景辐射。通过无源核子料位计对空间环境测量，往往其测量数据远远大于物料从容器内释放的放射数据。即使测量空的容器，虽然容器对于空间背景辐射具有较强的屏蔽作用，其剩余的背景数据量也非常大。当被测量容器为小尺寸容器时，其背景辐射占比更加显著(实际测量运用中称之为背景噪声)。环境背景辐射包括测量环境中硬件设备的辐射能量、宇宙背景辐射能量、大气环境内物质的辐射能量等因素。环境中硬件的辐射能量产生于地面、墙体和其他硬件设备。地面材料的改变，如增加水泥地面、换地砖，或者增加新的墙体材料等，都会显著改变辐射能量。当季节或者昼夜的转换，宇宙环境的背景辐射也会发生变化。特别是一些极端的天文事件，如空间伽马射线爆等，都显著改变宇宙环境的辐射能量。大气环境的辐射能量由于大气环境中空气成分的改变，也显著改变其辐射能量。研究表明：由于降水过程中，空气中放射性物质氡及其子体等放射性核素与气溶胶、固体颗粒物以及水滴结合，降水过程通过冲洗或者清除作用，带到地面引起地表的Y辐射剂量数据增加。对于测试的地区(我国东部地区)，最大升幅可达38.1%。

3.2 被测量对象料种变化问题

无源核子料位计测量主要是物料中放射性核素释放的辐射能量。以煤炭为例，煤炭中放射核素主要包括232Th、238U、226Ra和40K等。一般认为，煤炭来自古代植物，而植物生长过程中会吸收富集重金属，包括具有放射性的重金属，从而使煤炭中的放射性物质含量大于土壤本底浓度。煤炭燃烧后，这些放射性物质都遗留在不多的煤灰中，使放射性物质又富集3～5倍以上，从而成为含高放射性物质的废弃物。

因此，若无源核子料位计测量过程中忽略被测量对象，如煤炭或者粉煤灰中放射性含量的差异，不对其进行识别与修正，其料位测量准确性在理论上就无法保证。

3.3 无源核子料位计量程问题

无源核子料位计测量范围问题，因国内缺乏相应的设备检测要求以及缺乏第三方检测机构公正检测数据，成为一个极其模糊的问题。目前国内厂家的无源核子料位计产品都采用相同规格的传感器晶体，前几代无源核子料位计由于需要通过硬件结构屏蔽周围环境背景辐射噪声的影响，利用铅材料做定向屏蔽，产品实际检测范围受到进一步限制。上海沃纳的第3代无源核子料位计中，改进了分析技术，提升了算法，无需设置定向铅材料进行背景噪声的抑制，测量范围较前几代产品有显著提升。

为验证无源核子料位计实际测量范围，进行了现场试验。通过在除尘器灰斗高度1.5 m低位测量点，4.5 m高位测量点以及对应的仓泵分别安装一台上海沃纳第3代无源核子料位计进行测量范围的试验。试验结果如图2所示。

试验开始后，关闭仓泵进料阀，对灰斗进行憋灰试验。从仓泵曲线可以看出，仓泵数据一直维持空仓稳定状态，积灰到一定阶段以后，低位数据上升，当低位测量空间满灰后，由于继续进料，灰密度增加；密度增加一定程度后，由于前面灰密度变大，对后面灰放射辐射的吸附遮挡，低位数据呈现一定下降。在此过程中，高位处于测量范围外，数据没有变化。而当继续积灰后，灰进一高位测量点的无源核子料位计测量范围，高位测量数据开始上升，在此过程中低位数据维持稳定。从此可以分析出，被测试无源核子料位计在灰斗上，实际测量范围应该小于1.5 m测量半径。通过现场测量得到，实际测量数据应该在半径1.2～1.3 m。

图2 测量范围的试验结果

对于个别厂家宣传的12 m测量范围，通过理论分析确定其是否具有合理性。 物理学中，Y射线的射线强度与距离变化关系遵循平方反比律。辐射传播路径如图3所示。平方反比律公式：

T1=T0S/4πr2

(1)

式中r——探测器与放射源的距离；S——探测器面积；T0——放射源射线强度；T1——测量点射线强度。

因此，即使不考虑空气本身对辐射能量的显著吸收效果、点状放射源变平面或者立体放射源、单位接收面积内辐射显著下降等因素，要想获得比本试验更大的测量范围，则测量到的辐射能量差异值至少要是本试验数据的平方倍数关系。如测量范围12 m的传感器，其测量能力至少为本次现场试验无源核子料位计16倍以上。如果再考虑空气对于辐射能量吸收和点放射源变立体放射源的实际影响，达到此声明技术参数传感器的能力(32至256倍)，超出了目前实际的技术能力。

图3 辐射传播路径

通过试验与理论推导，可以确定无源核子料位计实际测量范围为半径0.8～1.5 m。

4 结语

无源核子料位计作为一种特殊的非接触式测量料位计，相比较于以往在除尘器灰斗、仓泵使用的接触式料位计具有显著的优势。在三河电厂实际使用中，无源核子料位计的实际使用效果远远超过包括射频导纳料位计在内的接触式料位计。

但如果不解决无源核子料位计测量过程中背景辐射、料种识别与修正等技术缺陷，对于大容器而言，不解决全量程测量问题，其测量的可靠性与准确性就无法得到保障。需要相关领域厂家、专家与用户进一步研究，以解决无源核子料位计实际存在的关键问题。