摘 要 分析了國內(nèi)外核料位計(jì)在 IGCC 項(xiàng)目上的應(yīng)用情況，從各方面對進(jìn)口核料位計(jì)和國產(chǎn)核料位計(jì)進(jìn)行充分對比，詳細(xì)分析了各自的特點(diǎn)，給出了類似裝置上的核料位計(jì)選型和應(yīng)用上的建議。
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(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 工藝過程為：空氣分離出純氧氣和純氮?dú)猓悍酆图冄鯕饨?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(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 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)獾幕旌衔铮褂贸Ｒ?guī)料位儀表無法測量，一般只能通過核料位計(jì)進(jìn)行測量。 筆者對進(jìn)口儀表和國產(chǎn)儀表進(jìn)行比較，對各自現(xiàn)場應(yīng)用效果進(jìn)行了分析。 1 核料位計(jì)的結(jié)構(gòu)和測量原理核料位計(jì)（圖 1）一般由源罐和探測器兩部分組成。
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)，射線通過射線通道，中間穿過被測量罐到探測器上，源罐通過加強(qiáng)鉛層厚度保證從源罐泄漏出的射線劑量不超過安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。
1.2 探測器
核料位計(jì)通常使用一種 閃爍計(jì)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(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)換成電信號并經(jīng)過光電倍增管放大后再通過電子線路進(jìn)行信號處理，非常后經(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)?DCS 系統(tǒng)上顯示被測量罐的料位值。
1.3 測量原理
核料位計(jì)儀表是基于 γ 射線穿過物料 時(shí)強(qiáng)度減弱的物理規(guī)律實(shí)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(qiáng)度； I0———未穿過物料的射線強(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(shí)， 到達(dá)閃爍探測器的γ射線強(qiáng)度也會(huì)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(jì)數(shù)率n之間成線性關(guān)系：
H=Hmax（n0-n）/（n0-n1） （2）
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(jì)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(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)（美國熱電）由 3 個(gè)源罐、3 個(gè)探測器和 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(jì) 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(jìn)口核料位計(jì)測量示意圖如圖2 所示。
2.2 國產(chǎn)核料位計(jì)在 IGCC 項(xiàng)目上的應(yīng)用
國產(chǎn)核料位計(jì)（武漢波光源）由 3 個(gè)源罐、5個(gè)探測器和 1 個(gè)二次儀表組成，3 個(gè)源罐內(nèi)各裝有放射源 Co-60， 各探測器主要是閃爍體本體，5個(gè)探測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 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(jì)測量示意圖如圖 3 所示。
3 進(jìn)口和國產(chǎn)核料位計(jì)對比分析
3.1 結(jié)構(gòu)對比
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)探測器，國產(chǎn)核料位計(jì)有 5 個(gè)探測器； 進(jìn)口核料位計(jì)需配有專用的手操器，國產(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，國產(chǎn)核料位計(jì)配置二次儀表；信號處理上，進(jìn)口核料位計(jì)每個(gè)探測器由四大電路板組合處理，國產(chǎn)核料位計(jì)由一塊二次儀表完成處理。
3.2 安裝對比
進(jìn)口核料位計(jì)總重量大于國產(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)探測器上，國產(chǎn)核料位計(jì)總重量分配在 5 個(gè)探測器和 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)操作較為簡單。 調(diào)試過程大致類似，都需要進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定和滿量程標(biāo)定，滿量程標(biāo)定可以通過關(guān)閉源罐或給料罐里裝滿煤粉來實(shí)現(xiàn)。 進(jìn)口核料位計(jì)為了測量準(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，而國產(chǎn)核料位計(jì)無需進(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 器 大 致 需 要20min，共計(jì) 1h，國產(chǎn)核料位計(jì)整個(gè)調(diào)試過程僅需要 15min 左右。
3.4 故障和維護(hù)對比
根據(jù)現(xiàn)場項(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器頭部，連接手操器， 由于 3 個(gè)探測器是串聯(lián)在一起的，因此需要逐個(gè)進(jìn)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(gè)電路板進(jìn)行故障判斷。
國產(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)場檢查發(fā)現(xiàn)是由于各探測器計(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，調(diào)試人員會(huì)受到更多的γ射線照射。 現(xiàn)場維護(hù)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(hù)人員會(huì)受到高頻率的γ射線照射，而國產(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
從 IGCC 項(xiàng)目氣化爐煤粉給料罐上核料位計(jì)應(yīng)用的情況來看，進(jìn)口核料位計(jì)和國產(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)探測器比國產(chǎn)核料位計(jì)的少， 但信號處理單元各模塊較多；國產(chǎn)核料位計(jì)調(diào)試上相對簡單，調(diào)試時(shí)間短；國產(chǎn)核料位計(jì)現(xiàn)場故障發(fā)生率明顯較少，維護(hù)起來也相對簡便；從對核料位計(jì)安裝、調(diào)試及維護(hù)等人員的γ射線照射強(qiáng)度上， 國產(chǎn)核料位計(jì)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(jì)也有明顯的優(yōu)勢。 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類似的方法進(jìn)行對比分析。
