國(guó)內(nèi)外核料位計(jì)在IGCC 項(xiàng)目上的應(yīng)用和比較

劉 飄 孫國(guó)平 吳 楠

（華能（天津）煤氣化發(fā)電有限公司）

IGCC （Integrated Gasification Combined Cycle）即整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，是將煤氣化技術(shù)和高效的聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合的一種綠色環(huán)保的煤炭發(fā)電技術(shù)［1］。IGCC 由兩部分組成——?dú)饣瘝u和動(dòng)力島。 氣化島的主要設(shè)備有空分裝置、氣化爐、合成氣凈化裝置和硫回收裝置；動(dòng)力島主要是燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分， 主要設(shè)備有燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)、余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)。 IGCC 工藝過(guò)程為：空氣分離出純氧氣和純氮?dú)?，煤粉和純氧氣?jīng)過(guò)氣化爐汽化成為中低熱值合成氣，經(jīng)過(guò)凈化，除去煤氣中的硫化物、氮化物及粉塵等污染物， 變?yōu)榍鍧嵉暮铣蓺馊剂?，然后送入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室燃燒，加熱氣體工質(zhì)以驅(qū)動(dòng)燃?xì)馔钙阶龉?，燃?xì)廨啓C(jī)排氣進(jìn)入余熱鍋爐加熱給水，產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)做功。

在IGCC 的核心裝置干煤粉氣化爐系統(tǒng)中，煤粉加壓輸送單元是將存儲(chǔ)在儲(chǔ)料罐中的大氣壓狀態(tài)下的煤粉， 經(jīng)過(guò)放料罐從0MPa 加壓至3.8MPa， 煤粉在重力作用下從放料罐進(jìn)入給料罐，由于給料罐和氣化爐之間存在壓力差，煤粉在壓力的作用下，密相輸送至各燒嘴，進(jìn)入氣化爐爐膛。 給料罐煤粉料位的高低影響煤粉密相輸送的穩(wěn)定性。 如果料位過(guò)低必須跳燒嘴，以保護(hù)氣化爐的安全。 由于給料罐里存儲(chǔ)的是3.8MPa下煤粉和氮?dú)獾幕旌衔?，使用常?guī)料位儀表無(wú)法測(cè)量，一般只能通過(guò)核料位計(jì)進(jìn)行測(cè)量。 筆者對(duì)進(jìn)口儀表和國(guó)產(chǎn)儀表進(jìn)行比較，對(duì)各自現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果進(jìn)行了分析。

1 核料位計(jì)的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理

核料位計(jì)（圖1）一般由源罐和探測(cè)器兩部分組成。

圖1 核料位計(jì)測(cè)量原理

1.1 源罐

核料位計(jì)所用放射源通常情況下為Cs-137，特殊情況下為Co-60， 無(wú)論是Cs-137 還是Co-60均為密封型放射源，一般情況下是不會(huì)造成環(huán)境污染的。 放射源固定在源罐內(nèi)，源罐由鉛層、鋼外殼和源開關(guān)裝置組成， 源容器內(nèi)有一個(gè)射線通道，當(dāng)源開關(guān)裝置處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，從射線通道出來(lái)的γ 射線會(huì)被源開關(guān)裝置屏蔽；而當(dāng)源開關(guān)處于開時(shí)，射線通過(guò)射線通道，中間穿過(guò)被測(cè)量罐到探測(cè)器上，源罐通過(guò)加強(qiáng)鉛層厚度保證從源罐泄漏出的射線劑量不超過(guò)安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 探測(cè)器

核料位計(jì)通常使用一種閃爍計(jì)數(shù)器類型的探測(cè)器去測(cè)量從源罐發(fā)出的經(jīng)管道和被測(cè)介質(zhì)的射線。 探測(cè)器由一個(gè)特殊的塑料閃爍體、一個(gè)光電倍增管和相關(guān)的電路組成。 當(dāng)γ 射線入射到塑料閃爍體上時(shí)，閃爍體產(chǎn)生熒光，熒光又射到光電倍增管的光陰極，光陰極又將此熒光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并經(jīng)過(guò)光電倍增管放大后再通過(guò)電子線路進(jìn)行信號(hào)處理，最后經(jīng)過(guò)相關(guān)程序的處理顯示與介質(zhì)高度有關(guān)的測(cè)量值。 這些測(cè)量值通過(guò)信號(hào)處理（一般轉(zhuǎn)換成4～20mA 信號(hào)）傳輸?shù)紻CS 系統(tǒng)上顯示被測(cè)量罐的料位值。

1.3 測(cè)量原理

核料位計(jì)儀表是基于γ 射線穿過(guò)物料時(shí)強(qiáng)度減弱的物理規(guī)律實(shí)現(xiàn)料位測(cè)量的［2］，一束γ射線穿過(guò)物料，其減弱規(guī)律為：

式中 d——射線通過(guò)物料的路徑長(zhǎng)度；

I——穿過(guò)物料后的射線強(qiáng)度；

I0——未穿過(guò)物料的射線強(qiáng)度；

μ——線性吸收系數(shù)。

其中μ是由放射源種類和介質(zhì)成分決定的常數(shù)。 按式（1）可以由射線強(qiáng)弱的變化計(jì)算得到被測(cè)量罐體中介質(zhì)的多少。 γ射線進(jìn)入閃爍體與閃爍體的物質(zhì)產(chǎn)生相互作用， 使閃爍體物質(zhì)中原子、分子電離和激發(fā)，在退激或復(fù)合時(shí)形成閃爍光。 閃爍光被倍增管陰極收集后發(fā)出光電子，經(jīng)倍增放大后被陽(yáng)極收集輸出電信號(hào)。 光電倍增管陽(yáng)極輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大輸出脈沖信號(hào)。 當(dāng)管道內(nèi)物料高度發(fā)生變化時(shí)， 到達(dá)閃爍探測(cè)器的γ射線強(qiáng)度也會(huì)改變。

對(duì)于一定的幾何位置， 經(jīng)過(guò)物料的射線基本上被吸收，物料越高，閃爍探測(cè)器接收到的射線越少，物料高度H與閃爍探測(cè)器輸出的計(jì)數(shù)率n之間成線性關(guān)系：

式中 H——物料實(shí)際高度；

Hmax——量程（總高度）；

n0——零點(diǎn)計(jì)數(shù)率；

n1——滿度計(jì)數(shù)率。

探測(cè)器的信號(hào)處理單元將γ射線穿過(guò)被測(cè)量罐體內(nèi)介質(zhì)的能量變化（或計(jì)數(shù)率的變化）轉(zhuǎn)換為可讀的被測(cè)量罐體物料高度值。

2 核料位計(jì)在IGCC 項(xiàng)目上的應(yīng)用

2.1 進(jìn)口核料位計(jì)在IGCC 項(xiàng)目上的應(yīng)用

進(jìn)口核料位計(jì)（美國(guó)熱電）由3 個(gè)源罐、3 個(gè)探測(cè)器和1 個(gè)調(diào)試手操器組成，3 個(gè)源罐內(nèi)各裝有放射源Co-60， 每個(gè)探測(cè)器都由閃爍體和信號(hào)處理單元組成。 探測(cè)器1 和探測(cè)器2 相連，探測(cè)器2 和探測(cè)器3 相連， 探測(cè)器3 匯總總的計(jì)數(shù)率，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后輸出4～20mA 信號(hào)至DCS 系統(tǒng)。 探測(cè)器1 和探測(cè)器2 長(zhǎng)度均為3.5m，探測(cè)器3 長(zhǎng)度為3.0m。信號(hào)處理單元主要由電源板、CPU板、輸出板及檢測(cè)板等組成。 進(jìn)口核料位計(jì)測(cè)量示意圖如圖2 所示。

圖2 進(jìn)口核料位計(jì)測(cè)量示意圖

2.2 國(guó)產(chǎn)核料位計(jì)在IGCC 項(xiàng)目上的應(yīng)用

國(guó)產(chǎn)核料位計(jì)（武漢波光源）由3 個(gè)源罐、5個(gè)探測(cè)器和1 個(gè)二次儀表組成，3 個(gè)源罐內(nèi)各裝有放射源Co-60， 各探測(cè)器主要是閃爍體本體，5個(gè)探測(cè)器直接連接二次儀表，二次儀表匯總總的計(jì)數(shù)率， 經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后輸出4～20mA 信號(hào)至DCS 系統(tǒng)。 探測(cè)器4、5 長(zhǎng)度均為1.5m，探測(cè)器1、2、3 長(zhǎng)度均為2.4m。 二次儀表主要由集成電路板和液晶顯示屏模塊組成。 國(guó)產(chǎn)核料位計(jì)測(cè)量示意圖如圖3 所示。

3 進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)核料位計(jì)對(duì)比分析

3.1 結(jié)構(gòu)對(duì)比

兩種核料位計(jì)的放射源源罐的數(shù)量相等；進(jìn)口核料位計(jì)有3 個(gè)探測(cè)器，國(guó)產(chǎn)核料位計(jì)有5 個(gè)探測(cè)器； 進(jìn)口核料位計(jì)需配有專用的手操器，國(guó)產(chǎn)核料位計(jì)沒有專用的手操器；進(jìn)口核料位計(jì)沒有二次儀表，國(guó)產(chǎn)核料位計(jì)配置二次儀表；信號(hào)處理上，進(jìn)口核料位計(jì)每個(gè)探測(cè)器由四大電路板組合處理，國(guó)產(chǎn)核料位計(jì)由一塊二次儀表完成處理。

圖3 國(guó)產(chǎn)核料位計(jì)測(cè)量示意圖

3.2 安裝對(duì)比

進(jìn)口核料位計(jì)總重量大于國(guó)產(chǎn)核料位計(jì)。 由于進(jìn)口核料位計(jì)總重量分配在3 個(gè)探測(cè)器上，國(guó)產(chǎn)核料位計(jì)總重量分配在5 個(gè)探測(cè)器和1 個(gè)二次儀表上，在安裝時(shí)，進(jìn)口核料位計(jì)需要3～4 人，國(guó)產(chǎn)核料位計(jì)只需要1～2 人。 進(jìn)口核料位計(jì)安裝時(shí)需要用到手拉葫蘆。

3.3 調(diào)試對(duì)比

調(diào)試時(shí)，進(jìn)口核料位計(jì)需要用到專用的手操器，可設(shè)置的參數(shù)較多，操作復(fù)雜。 國(guó)產(chǎn)核料位計(jì)在二次儀表上觀察數(shù)據(jù)和設(shè)置參數(shù)，可設(shè)置的參數(shù)較少，相比進(jìn)口核料位計(jì)操作較為簡(jiǎn)單。 調(diào)試過(guò)程大致類似，都需要進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定和滿量程標(biāo)定，滿量程標(biāo)定可以通過(guò)關(guān)閉源罐或給料罐里裝滿煤粉來(lái)實(shí)現(xiàn)。 進(jìn)口核料位計(jì)為了測(cè)量準(zhǔn)確，在初始安裝或更換零配件后，一般需要進(jìn)行初始化操作，而國(guó)產(chǎn)核料位計(jì)無(wú)需進(jìn)行此項(xiàng)操作。 在調(diào)試時(shí)間上進(jìn)口核料位計(jì)每個(gè)探測(cè)器大致需要20min，共計(jì)1h，國(guó)產(chǎn)核料位計(jì)整個(gè)調(diào)試過(guò)程僅需要15min 左右。

3.4 故障和維護(hù)對(duì)比

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目使用情況統(tǒng)計(jì)，進(jìn)口核料位計(jì)在投用的3 年里， 平均每年發(fā)生故障4～5 次，主要集中在CPU 板故障、 電源板故障和輸出板上。發(fā)生故障的現(xiàn)象是測(cè)量值突然跳變或者值不變。故障發(fā)生時(shí)， 需要用專用工具打開探測(cè)器頭部，連接手操器， 由于3 個(gè)探測(cè)器是串聯(lián)在一起的，因此需要逐個(gè)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查，確定異常的探測(cè)器后，利用備件替換法對(duì)信號(hào)處理單元各個(gè)電路板進(jìn)行故障判斷。

國(guó)產(chǎn)核料位計(jì)在投用的3 年里，平均每年會(huì)發(fā)生故障0～1 次。 發(fā)生故障的現(xiàn)象是測(cè)量值突然跳變，然后給料罐的料位值不隨著實(shí)際料位的高低而變化。 現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)是由于各探測(cè)器計(jì)數(shù)率發(fā)生變化引起的， 一般重新設(shè)置計(jì)數(shù)率即可解決。

3.5 安全對(duì)比

由于在安裝上， 進(jìn)口核料位計(jì)需要的人員多，受γ射線照射的人的幾率增大。 調(diào)試所需時(shí)間長(zhǎng)，調(diào)試人員會(huì)受到更多的γ射線照射。 現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)上，故障率高，去現(xiàn)場(chǎng)次數(shù)增多，需要用手操器直接連接探測(cè)器， 維護(hù)人員會(huì)受到高頻率的γ射線照射，而國(guó)產(chǎn)核料位計(jì)可以使用遠(yuǎn)離輻射區(qū)域的二次儀表進(jìn)行維護(hù)和調(diào)試， 人員幾乎不會(huì)受到γ射線照射。

4 結(jié)束語(yǔ)

從IGCC 項(xiàng)目氣化爐煤粉給料罐上核料位計(jì)應(yīng)用的情況來(lái)看，進(jìn)口核料位計(jì)和國(guó)產(chǎn)核料位計(jì)在結(jié)構(gòu)上大致相當(dāng)，進(jìn)口核料位計(jì)探測(cè)器比國(guó)產(chǎn)核料位計(jì)的少， 但信號(hào)處理單元各模塊較多；國(guó)產(chǎn)核料位計(jì)調(diào)試上相對(duì)簡(jiǎn)單，調(diào)試時(shí)間短；國(guó)產(chǎn)核料位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)故障發(fā)生率明顯較少，維護(hù)起來(lái)也相對(duì)簡(jiǎn)便；從對(duì)核料位計(jì)安裝、調(diào)試及維護(hù)等人員的γ射線照射強(qiáng)度上， 國(guó)產(chǎn)核料位計(jì)有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)；從投資成本上和售后服務(wù)上國(guó)產(chǎn)核料位計(jì)也有明顯的優(yōu)勢(shì)。 因此在類似的核料位計(jì)選型和應(yīng)用上，完全可以使用國(guó)產(chǎn)核料位計(jì)代替進(jìn)口核料位計(jì)，同時(shí)在儀表選擇上可通過(guò)類似的方法進(jìn)行對(duì)比分析。