劉 飄 孫國平 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——氣化島和動力島。 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發(fā)電系統(tǒng)、余熱鍋爐和蒸汽輪機發(fā)電系統(tǒng)。 IGCC 工藝過程為：空氣分離出純氧氣和純氮氣，煤粉和純氧氣經(jīng)過氣化爐汽化成為中低熱值合成氣，經(jīng)過凈化，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的燃燒室燃燒，加熱氣體工質(zhì)以驅(qū)動燃?xì)馔钙阶龉Γ細(xì)廨啓C排氣進入余熱鍋爐加熱給水，產(chǎn)生過熱蒸汽驅(qū)動蒸汽輪機做功。

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在儲料罐中的大氣壓狀態(tài)下的煤粉， 經(jīng)過放料罐從0MPa 加壓至3.8MPa， 煤粉在重力作用下從放料罐進入給料罐，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。 如果料位過低必須跳燒嘴，以保護氣化爐的安全。 由于給料罐里存儲的是3.8MPa下煤粉和氮氣的混合物，使用常規(guī)料位儀表無法測量，一般只能通過核料位計進行測量。 筆者對進口儀表和國產(chǎn)儀表進行比較，對各自現(xiàn)場應(yīng)用效果進行了分析。

1 核料位計的結(jié)構(gòu)和測量原理

核料位計（圖1）一般由源罐和探測器兩部分組成。

圖1 核料位計測量原理

1.1 源罐

核料位計所用放射源通常情況下為Cs-137，特殊情況下為Co-60， 無論是Cs-137 還是Co-60均為密封型放射源，一般情況下是不會造成環(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)有一個射線通道，當(dāng)源開關(guān)裝置處于關(guān)閉狀態(tài)時，從射線通道出來的γ 射線會被源開關(guān)裝置屏蔽；而當(dāng)源開關(guān)處于開時，射線通過射線通道，中間穿過被測量罐到探測器上，源罐通過加強鉛層厚度保證從源罐泄漏出的射線劑量不超過安全防護標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 探測器

核料位計通常使用一種閃爍計數(shù)器類型的探測器去測量從源罐發(fā)出的經(jīng)管道和被測介質(zhì)的射線。 探測器由一個特殊的塑料閃爍體、一個光電倍增管和相關(guān)的電路組成。 當(dāng)γ 射線入射到塑料閃爍體上時，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)換成電信號并經(jīng)過光電倍增管放大后再通過電子線路進行信號處理，最后經(jīng)過相關(guān)程序的處理顯示與介質(zhì)高度有關(guān)的測量值。 這些測量值通過信號處理（一般轉(zhuǎn)換成4～20mA 信號）傳輸?shù)紻CS 系統(tǒng)上顯示被測量罐的料位值。

1.3 測量原理

核料位計儀表是基于γ 射線穿過物料時強度減弱的物理規(guī)律實現(xiàn)料位測量的［2］，一束γ射線穿過物料，其減弱規(guī)律為：

式中 d——射線通過物料的路徑長度；

I——穿過物料后的射線強度；

I0——未穿過物料的射線強度；

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）可以由射線強弱的變化計算得到被測量罐體中介質(zhì)的多少。 γ射線進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)倍增放大后被陽極收集輸出電信號。 光電倍增管陽極輸出的電信號經(jīng)過放大輸出脈沖信號。 當(dāng)管道內(nèi)物料高度發(fā)生變化時， 到達閃爍探測器的γ射線強度也會改變。

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

式中 H——物料實際高度；

Hmax——量程（總高度）；

n0——零點計數(shù)率；

n1——滿度計數(shù)率。

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

2 核料位計在IGCC 項目上的應(yīng)用

2.1 進口核料位計在IGCC 項目上的應(yīng)用

進口核料位計（美國熱電）由3 個源罐、3 個探測器和1 個調(diào)試手操器組成，3 個源罐內(nèi)各裝有放射源Co-60， 每個探測器都由閃爍體和信號處理單元組成。 探測器1 和探測器2 相連，探測器2 和探測器3 相連， 探測器3 匯總總的計數(shù)率，經(jīng)過信號處理后輸出4～20mA 信號至DCS 系統(tǒng)。 探測器1 和探測器2 長度均為3.5m，探測器3 長度為3.0m。信號處理單元主要由電源板、CPU板、輸出板及檢測板等組成。 進口核料位計測量示意圖如圖2 所示。

圖2 進口核料位計測量示意圖

2.2 國產(chǎn)核料位計在IGCC 項目上的應(yīng)用

國產(chǎn)核料位計（武漢波光源）由3 個源罐、5個探測器和1 個二次儀表組成，3 個源罐內(nèi)各裝有放射源Co-60， 各探測器主要是閃爍體本體，5個探測器直接連接二次儀表，二次儀表匯總總的計數(shù)率， 經(jīng)過信號處理后輸出4～20mA 信號至DCS 系統(tǒng)。 探測器4、5 長度均為1.5m，探測器1、2、3 長度均為2.4m。 二次儀表主要由集成電路板和液晶顯示屏模塊組成。 國產(chǎn)核料位計測量示意圖如圖3 所示。

3 進口和國產(chǎn)核料位計對比分析

3.1 結(jié)構(gòu)對比

兩種核料位計的放射源源罐的數(shù)量相等；進口核料位計有3 個探測器，國產(chǎn)核料位計有5 個探測器； 進口核料位計需配有專用的手操器，國產(chǎn)核料位計沒有專用的手操器；進口核料位計沒有二次儀表，國產(chǎn)核料位計配置二次儀表；信號處理上，進口核料位計每個探測器由四大電路板組合處理，國產(chǎn)核料位計由一塊二次儀表完成處理。

圖3 國產(chǎn)核料位計測量示意圖

3.2 安裝對比

進口核料位計總重量大于國產(chǎn)核料位計。 由于進口核料位計總重量分配在3 個探測器上，國產(chǎn)核料位計總重量分配在5 個探測器和1 個二次儀表上，在安裝時，進口核料位計需要3～4 人，國產(chǎn)核料位計只需要1～2 人。 進口核料位計安裝時需要用到手拉葫蘆。

3.3 調(diào)試對比

調(diào)試時，進口核料位計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。 國產(chǎn)核料位計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，相比進口核料位計操作較為簡單。 調(diào)試過程大致類似，都需要進行零點標(biāo)定和滿量程標(biāo)定，滿量程標(biāo)定可以通過關(guān)閉源罐或給料罐里裝滿煤粉來實現(xiàn)。 進口核料位計為了測量準(zhǔn)確，在初始安裝或更換零配件后，一般需要進行初始化操作，而國產(chǎn)核料位計無需進行此項操作。 在調(diào)試時間上進口核料位計每個探測器大致需要20min，共計1h，國產(chǎn)核料位計整個調(diào)試過程僅需要15min 左右。

3.4 故障和維護對比

根據(jù)現(xiàn)場項目使用情況統(tǒng)計，進口核料位計在投用的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)象是測量值突然跳變或者值不變。故障發(fā)生時， 需要用專用工具打開探測器頭部，連接手操器， 由于3 個探測器是串聯(lián)在一起的，因此需要逐個進行現(xiàn)場檢查，確定異常的探測器后，利用備件替換法對信號處理單元各個電路板進行故障判斷。

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

3.5 安全對比

由于在安裝上， 進口核料位計需要的人員多，受γ射線照射的人的幾率增大。 調(diào)試所需時間長，調(diào)試人員會受到更多的γ射線照射。 現(xiàn)場維護上，故障率高，去現(xiàn)場次數(shù)增多，需要用手操器直接連接探測器， 維護人員會受到高頻率的γ射線照射，而國產(chǎn)核料位計可以使用遠(yuǎn)離輻射區(qū)域的二次儀表進行維護和調(diào)試， 人員幾乎不會受到γ射線照射。

4 結(jié)束語

從IGCC 項目氣化爐煤粉給料罐上核料位計應(yīng)用的情況來看，進口核料位計和國產(chǎn)核料位計在結(jié)構(gòu)上大致相當(dāng)，進口核料位計探測器比國產(chǎn)核料位計的少， 但信號處理單元各模塊較多；國產(chǎn)核料位計調(diào)試上相對簡單，調(diào)試時間短；國產(chǎn)核料位計現(xiàn)場故障發(fā)生率明顯較少，維護起來也相對簡便；從對核料位計安裝、調(diào)試及維護等人員的γ射線照射強度上， 國產(chǎn)核料位計有著絕對的優(yōu)勢；從投資成本上和售后服務(wù)上國產(chǎn)核料位計也有明顯的優(yōu)勢。 因此在類似的核料位計選型和應(yīng)用上，完全可以使用國產(chǎn)核料位計代替進口核料位計，同時在儀表選擇上可通過類似的方法進行對比分析。