灰斗料位计测量的可靠性研究

邓勇刚

（大唐湘潭发电有限责任公司，湖南 湘潭 411102）

0 引言

近年来，陆续发生多起除尘器灰斗垮塌事件，造成了严重的人身伤亡和巨大财产损失：2005年1月，湖北蒲圻电厂1号300MW机组除尘器整体坍塌事故；2005年内蒙古某铝电公司自备电厂一期3号机组“4.9”灰斗脱落事故；2013年某炼铁厂除尘器突发坍塌，一电气点检员被困死亡；2014年唐山某公司“9.23”电除尘器灰斗坍塌事故造成3人死亡；2017年，内蒙古某电厂发生除尘器坍塌；2019年某水泥厂布袋收尘器灰斗塌落事故；2021年9月，华银电力株洲电厂4号锅炉A除尘器发生坍塌，造成4人死亡重大事故；2022年2月15日，上海外高桥电厂A侧除尘器发生器坍塌，造成6人死亡[1]。

除尘器灰斗安全问题变得极为重要，同时，国资委、国家能源局以及各大电力集团对于除尘器灰斗、灰斗运行管理、灰斗料位计等，提出了具体明确的要求[2]。在落实执行过程中，有不少的优化措施可以采取，极大地提高了灰斗料位测量的可靠性，为灰斗的安全运行保驾护航[3]。

1 灰斗系统情况

不管是布袋除尘器还是电除尘，在除尘器下方均必须有灰斗收集烟气中的灰分。图1是某电除尘的框架图，灰斗就是下部的金属材质三角锥体。图2是灰斗料位计安装示意图。机组运行中灰斗内系统负压2kPa左右，温度达到160℃左右，灰斗中的灰无法直接观测到。按照《防除尘器坍塌重点要求》，灰斗一般设置有高低两个料位计，壁温测点以及负压取样装置监测灰斗的运行状况[2]。灰斗中正常情况下有一定的灰量，过多会导致灰斗承重过载，过少会导致输灰设备出力不够，浪费能源。因此，需要可靠监测灰斗中的灰位，确保控制灰位在一个合适的位置。

图1 某电除尘框架图Fig.1 Frame diagram of an electrostatic precipitator

图2 灰斗料位计安装示意图Fig.2 Schematic diagram of the installation of the ash hopper level gauge

2 主要存在的问题

2.1 原料位计问题多，可靠性不高

原来本厂#1、#2机组（300MW）采用的是机械式料位计，该种料位计需要线圈带磁间断动作或者电机间断动作来判断料位开关量信号。缺点就是要插入灰斗内部，有机械运动，并且动作很频繁，非常容易发生故障，维修更换必须停机并清空灰斗才能进行。

原来本厂#3、#4机组（600MW）采用的是电容式料位计。缺点也是要插入灰斗内部，由于料位计本身挂灰等原因导致经常误报，同样的原因故障时必须停机清空灰斗拆出来检查或更换，在线运行时无法判断其工作情况。

2.2 无源核子料位计的不足

2009年开始，本厂逐步将原来的机械式料位计和电容式料位计更换为无源核子料位计，整体使用情况较好。由于是较早使用新产品，也还存在以下不足：

1）煤种变化，导致测量不准。

2）故障时无法远方报警。部分型号料位计开关量报警信号是常开节点报警，在料位计故障或者停电时无法发出报警信号，存在误导运行人员灰斗没有料位的可能。

3）存在“堆料辐射衰减”物理现象而不报警。

4）无源核子料位计的校准问题。暂时没有电力行业的标准，无法执行校验和整定工作。

3 问题产生原因分析

3.1 原料位计问题多可靠性不高

本厂使用的机械式料位计和电容式料位计，以及部分电厂使用的射频导纳料位计和旋阻式料位计均是需要插入式安装，测量部分需要插入灰斗的灰中，容易导致在料位计插入处挂灰。由于灰斗的高温特性，在检修维护中拔出料位计就是风险很大的工作。当灰斗内壁上部分挂灰时，以上料位计就会误报警，机组运行中又不便拆下来确认和维护。

3.2 无源核子料位计的不足

1）煤种变化，导致测量不准是其工作原理决定的。无放射源核子料位计工作原理是：不需要人工放射源，充分利用自然环境中广泛存在的微量天然放射性核数。当物料位置发生变化，物料数量的多少与探测器距离的远近发生变化时，探测器检测到的物料自身γ射线是不同的。由于物料的屏蔽作用，当物料位置发生变化时，穿过容器的γ射线强度也会发生变化。NAK系列无放射源核子料位计就是根据探测器测量到的γ射线的变化，采用了随机小信号识别技术和专用的信号处理程序，有效地将物位信号从噪声中提取出来，从而判断物料的位置。其测量的真正对象是煤炭燃烧后粉煤灰中含有的放射性杂质释放的Y射线能量。不同煤炭中含有的放射性杂质比例、特性存在显著的差异性和不规则性，任何一体化无源核子料位计在缺乏外部料种修正仪协助的情况下，事实与理论上都不具备料种变化的修正能力。

2）故障无法远方报警的原因是部分型号料位计开关量报警信号是常开节点报警，在料位计故障或者停电时无法发出报警信号，存在误导运行人员灰斗没有料位的可能。

3）“堆料辐射衰减”是当灰斗内物料增加到一定程度后，由于下部密度增加，导致该测量位置无源核子料位计实际测量到辐射能量下降。从而出现灰斗实际灰位增加，但是无源核子料位计报警信号消失，连续料位下降现象。该现象会导致运行人员对于灰斗灰位状态和变化趋势的错判，给生产安全带来极为严重的安全隐患。

4）无源核子料位计的校准问题是由于其特性决定的，属于新设备，相关的校准和监测仪器仪表没有普及推广，无法像压力和温度一样每个厂均可以自己检定。

4 改进的措施

针对以上问题和原因逐步改进，并在后续工作中也安排了彻底改造的计划。具体内容如下：

4.1 将老式料位计更换为无放射源核子料位计，料位计改模拟量监控

无源核子料位计的工作可靠性，从原理上来说比机械式料位计、电容式料位计、射频导纳料位计和旋阻式料位计有很大的优势，并且具有无放射源、非接触测量、抗挂料、抗粉尘、长寿命，适应各种煤种，能够长期稳定工作，采用灰斗体外安装，随时可以进行安装和维护的特点。本厂从2009年开始就逐步将灰斗料位计更换为无源核子料位计（见图3），可靠性得到了较充分的验证。现在的产品更是能够实现灰斗料位的模拟量监控，直接用信号坏质量判断就可以确定是否料位计正常。通过分析灰斗模拟量料位的变化趋势与机组运行工况、输灰状况的关系，可以很容易判断出来料位测量是否准确。

图3 核子料位计替换原电容料位计Fig.3 The nuclear level gauge replaces the original capacitor level gauge

4.2 核子料位计检查、校准、比对、核实

核子料位计具有免维护的特性[4]，但是并不是不要去管它。定期的巡视检查和比对，以及集中检修期间的核对工作是必不可少的[5]。为此，特意采购了一套便携式核子料位计（见图4），带移动电源和伸缩杆，可以方便现场比对。每周现场巡视一次，主要查看安装位置是否变动，现场电源和显示是否正常。每年集中检修期间进行比对和空仓核对，检修记录表格见表1。日常运行中怀疑有料位误报警或者不报警时也进行现场比对，必要时更换料位计核实测量是否正常。通过以上工作，虽然不能校准核子料位计，但基本可以确保核子料位计的测量可靠。

图4 便携式无源核子料位计Fig.4 Portable passive nuclear level gauge

表1 核子料位计比对核对记录表Table 1 Nuclear level meter comparison check record table

4.3 开关量核子料位计报警的优化

由于使用核子料位计比较早，大部分均是开关量报警，改模拟量信号[6]需要料位计升级和DCS增加模拟量通道，费用太高，只能逐步实施。针对目前情况采取了一些技术措施[7]：①报警回路接常闭节点，高料位报警、料位计故障、失电情况下节点闭合，定期对料位计停电看来不来报警信号，确认整个控制回路是否正常，避免了因为回路问题、电源问题导致的料位计不报警；②料位计提供二对接点，用于高高位和高位报警，在有DI空余通道和电缆备用芯的电厂，可以通过设置两个不同的报警值，实现一个核子料位计在两个不同的料位均可以报警。

4.4 料位计异常报警

增加了智能逻辑判断功能，在机组和除尘设备正常运行，而输灰设备或输灰过程故障时，超过一定时间应该产生料位信号报警而没有产生报警时，触发光字牌报警提醒运行人员该料位计可能有故障，要联系控制人员检测核实。

4.5 壁温辅助判断料位计

输灰设备或过程正常，但实际某个灰斗堵灰，可以通过壁温的周期波动和一段时间内是否有不正常的温度降低来判断灰斗是否在正常的下灰。如果壁温判断灰斗堵灰而料位计没有高料位报警时，也触发光字牌报警，提醒运行人员该料位计可能有故障。“堆料辐射衰减”物理现象而不报警的料位计也能够及时发现。

4.6 负压取样装置辅助确认

在料位计安装的附近位置，灰斗开孔安装负压取样管和阀门。在需要核实灰斗料位时打开阀门，负压吸入空气说明该处无灰，无负压流出干灰即表示灰位至少已经到了该处。

5 结论及建议

1）通过以上一系列的改进措施，能够极大地提高灰斗料位计测量的可靠性。

2）具备条件的电厂可以安装核子料位计配套的煤质修正仪，能够很好地提高料位计模拟量测量的准确度。

3）γ射线强度的标准源或者标准仪器各电厂建标困难，建议参考振动保护探头或质量流量计，统一外送有资质单位检定。

4）开发出更直观、更直接、更可靠的灰斗料位计测量仪表。