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          國內外核料位計在 IGCC 項目上的應用和比較

          來源: 華能(天津)煤氣化發電有限公司 作者:劉 飄 孫國平 吳 楠 發布日期:2020-05-18

                 摘 要 分析了國內外核料位計在 IGCC 項目上的應用情況,從各方面對進口核料位計和國產核料位計進行充分對比,詳細分析了各自的特點,給出了類似裝置上的核料位計選型和應用上的建議。

           
                 IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle)即整體煤氣化聯合循環發電系統,是將煤氣化技術和高效的聯合循環相結合的一種綠色環保的煤炭發電技術[1]。 IGCC 由兩部分組成———氣化島和動力島。 氣化島的主要設備有空分裝置、氣化爐、合成氣凈化裝置和硫回收裝置;動力島主要是燃氣-蒸汽聯合循環發電部分, 主要設備有燃氣輪機發電系統、余熱鍋爐和蒸汽輪機發電系統。 IGCC 工藝過程為:空氣分離出純氧氣和純氮氣,煤粉和純氧氣經過氣化爐汽化成為中低熱值合成氣,經過凈化,除去煤氣中的硫化物、氮化物及粉塵等污染物, 變為清潔的合成氣燃料,然后送入燃氣輪機的燃燒室燃燒,加熱氣體工質以驅動燃氣透平做功,燃氣輪機排氣進入余熱鍋爐加熱給水,產生過熱蒸汽驅動蒸汽輪機做功。 
           
                 在 IGCC 的核心裝置干煤粉氣化爐系統中,煤粉加壓輸送單元是將存儲在儲料罐中的大 氣壓 狀 態 下 的 煤 粉, 經 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儀表進行比較,對各自現場應用效果進行了分析。 1 核料位計的結構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。
          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境污染的。 放射源固定在源罐內,源罐由鉛層、鋼外殼和源開關裝置組成, 源容器內有一 個射線通道,當源開關裝置處于關閉狀態時,從射線通道出來的 γ 射線會被源開關裝置屏蔽;而當源開關處于開時,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準。
           
          1.2 探測器
                 核料位計通常使用一種 閃爍計數器 類型的探測器去測量從源罐發出的經管道和被測介質的射線。 探測器由一個特殊的塑料閃爍體、一個光電倍增管和相關的電路組成。 當 γ 射線入射到塑料閃爍體上時,閃爍體產生熒光,熒光又射到光電倍增管的光陰極,光陰極又將此熒光轉換成電信號并經過光電倍增管放大后再通過電子線路進行信號處理,非常后經過相關程序的處理顯示與介質高度有關的測量值。 這些測量值通過信號處理(一般轉換成 4~20mA 信號)傳輸到 DCS 系統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律實現料位測量的[2],一束γ射線穿過物料,其減弱規律為:其減弱規律公式
           
                 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。
           
                 其中μ是由放射源種類和介質成分決定的常數。 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的多少。 γ射線進入閃爍體與閃爍體的物質產生相互作用, 使閃爍體物 質中原子、分子電離和激發,在退激或復合時形成閃爍光。 閃爍光被倍增管陰極收集后發出光電子,經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過放大輸出脈沖信號。 當管道內物料高度發生變化時, 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率n之間成線性關系:
                        H=Hmax(n0-n)/(n0-n1) (2)
                 式中 H———物料實際高度; Hmax———量程(總高度);n0———零點計數率; n1———滿度計數率。
           
                 探測器的信號處理單元將γ射線穿過被測量罐體內介質的能量變化(或計數率的變化)轉換為可讀的被測量罐體物料高度值。 
           
          2 核料位計在 IGCC 項目上的應用
           
          2.1 進口核料位計在 IGCC 項目上的應用
                 進口核料位計(美國熱電)由 3 個源罐、3 個探測器和 1 個調試手操器組成,3 個源罐內各裝有放射源 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 數率,經過信號處理后輸出 4~20mA 信號至 DCS 系 統。 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。
          進口核料位計測量示意圖
          2.2 國產核料位計在 IGCC 項目上的應用
                 國產核料位計(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率, 經過 信號處理后 輸 出 4~20mA 信 號 至DCS 系統。 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。 國產核料位計測量示意圖如圖 3 所示。
           
           3 進口和國產核料位計對比分析
           
          3.1 結構對比
                 兩種核料位計的放射源源罐的數量相等;進口核料位計有 3 個探測器,國產核料位計有 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,國產核料位計由一塊二次儀表完成處理。
           
          3.2 安裝對比
                 進口核料位計總重量大于國產核料位計。 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 調試對比
                 調試時,進口核料位計需要用到專用的手操器,可設置的參數較多,操作復雜。 國產核料位計在二次儀表上觀察數據和設置參數,可設置的參數較少,相比進口核料位計操作較為簡單。 調試過程大致類似,都需要進行零點標定和滿量程標定,滿量程標定可以通過關閉源罐或給料罐里裝滿煤粉來實現。 進口核料位計為了測量準確,在初始安裝或更換零配件后,一般需要進行初始化操作,而國產核料位計無需進行此項操作。 在調試 時 間 上 進 口 核 料 位 計 每 個 探 測 器 大 致 需 要20min,共計 1h,國產核料位計整個調試過程僅需要 15min 左右。
           
          3.4 故障和維護對比
                 根據現場項目使用情況統計,進口核料位計在投用的 3 年里, 平均每年發生故障 4~5 次,主要集中在 CPU 板故障、 電源板故障和輸出板上。發生故障的現象是測量值突然跳變或者值不變。故障發生時, 需要用專用工具打開探測器頭部,連接手操器, 由于 3 個探測器是串聯在一起的,因此需要逐個進行現場檢查,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。
           
          國產核料位計在投用的 3 年里,平均每年會發生故障 0~1 次。 發生故障的現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。 現場檢查發現是由于各探測器計數率發生變化引起的, 一般重新設置計數率即可解決。
           
          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。 調試所需時間長,調試人員會受到更多的γ射線照射。 現場維護上,故障率高,去現場次數增多,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,而國產核料位計可以使用遠離輻射區域的二次儀表進行維護和調試, 人員幾乎不會受到γ射線照射。
           
           4 結束語
                 從 IGCC 項目氣化爐煤粉給料罐上核料位計應用的情況來看,進口核料位計和國產核料位計在結構上大致相當,進口核料位計探測器比國產核料位計的少, 但信號處理單元各模塊較多;國產核料位計調試上相對簡單,調試時間短;國產核料位計現場故障發生率明顯較少,維護起來也相對簡便;從對核料位計安裝、調試及維護等人員的γ射線照射強度上, 國產核料位計有著絕對的優勢;從投資成本上和售后服務上國產核料位計也有明顯的優勢。 因此在類似的核料位計選型和應用上,完全可以使用國產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。
           
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