国内外核料位计在IGCC 项目上的应用和比较

刘 飘 孙国平 吴 楠

（华能（天津）煤气化发电有限公司）

IGCC （Integrated Gasification Combined Cycle）即整体煤气化联合循环发电系统，是将煤气化技术和高效的联合循环相结合的一种绿色环保的煤炭发电技术［1］。IGCC 由两部分组成——气化岛和动力岛。 气化岛的主要设备有空分装置、气化炉、合成气净化装置和硫回收装置；动力岛主要是燃气-蒸汽联合循环发电部分， 主要设备有燃气轮机发电系统、余热锅炉和蒸汽轮机发电系统。 IGCC 工艺过程为：空气分离出纯氧气和纯氮气，煤粉和纯氧气经过气化炉汽化成为中低热值合成气，经过净化，除去煤气中的硫化物、氮化物及粉尘等污染物， 变为清洁的合成气燃料，然后送入燃气轮机的燃烧室燃烧，加热气体工质以驱动燃气透平做功，燃气轮机排气进入余热锅炉加热给水，产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机做功。

在IGCC 的核心装置干煤粉气化炉系统中，煤粉加压输送单元是将存储在储料罐中的大气压状态下的煤粉， 经过放料罐从0MPa 加压至3.8MPa， 煤粉在重力作用下从放料罐进入给料罐，由于给料罐和气化炉之间存在压力差，煤粉在压力的作用下，密相输送至各烧嘴，进入气化炉炉膛。 给料罐煤粉料位的高低影响煤粉密相输送的稳定性。 如果料位过低必须跳烧嘴，以保护气化炉的安全。 由于给料罐里存储的是3.8MPa下煤粉和氮气的混合物，使用常规料位仪表无法测量，一般只能通过核料位计进行测量。 笔者对进口仪表和国产仪表进行比较，对各自现场应用效果进行了分析。

1 核料位计的结构和测量原理

核料位计（图1）一般由源罐和探测器两部分组成。

图1 核料位计测量原理

1.1 源罐

核料位计所用放射源通常情况下为Cs-137，特殊情况下为Co-60， 无论是Cs-137 还是Co-60均为密封型放射源，一般情况下是不会造成环境污染的。 放射源固定在源罐内，源罐由铅层、钢外壳和源开关装置组成， 源容器内有一个射线通道，当源开关装置处于关闭状态时，从射线通道出来的γ 射线会被源开关装置屏蔽；而当源开关处于开时，射线通过射线通道，中间穿过被测量罐到探测器上，源罐通过加强铅层厚度保证从源罐泄漏出的射线剂量不超过安全防护标准。

1.2 探测器

核料位计通常使用一种闪烁计数器类型的探测器去测量从源罐发出的经管道和被测介质的射线。 探测器由一个特殊的塑料闪烁体、一个光电倍增管和相关的电路组成。 当γ 射线入射到塑料闪烁体上时，闪烁体产生荧光，荧光又射到光电倍增管的光阴极，光阴极又将此荧光转换成电信号并经过光电倍增管放大后再通过电子线路进行信号处理，最后经过相关程序的处理显示与介质高度有关的测量值。 这些测量值通过信号处理（一般转换成4～20mA 信号）传输到DCS 系统上显示被测量罐的料位值。

1.3 测量原理

核料位计仪表是基于γ 射线穿过物料时强度减弱的物理规律实现料位测量的［2］，一束γ射线穿过物料，其减弱规律为：

式中 d——射线通过物料的路径长度；

I——穿过物料后的射线强度；

I0——未穿过物料的射线强度；

μ——线性吸收系数。

其中μ是由放射源种类和介质成分决定的常数。 按式（1）可以由射线强弱的变化计算得到被测量罐体中介质的多少。 γ射线进入闪烁体与闪烁体的物质产生相互作用， 使闪烁体物质中原子、分子电离和激发，在退激或复合时形成闪烁光。 闪烁光被倍增管阴极收集后发出光电子，经倍增放大后被阳极收集输出电信号。 光电倍增管阳极输出的电信号经过放大输出脉冲信号。 当管道内物料高度发生变化时， 到达闪烁探测器的γ射线强度也会改变。

对于一定的几何位置， 经过物料的射线基本上被吸收，物料越高，闪烁探测器接收到的射线越少，物料高度H与闪烁探测器输出的计数率n之间成线性关系：

式中 H——物料实际高度；

Hmax——量程（总高度）；

n0——零点计数率；

n1——满度计数率。

探测器的信号处理单元将γ射线穿过被测量罐体内介质的能量变化（或计数率的变化）转换为可读的被测量罐体物料高度值。

2 核料位计在IGCC 项目上的应用

2.1 进口核料位计在IGCC 项目上的应用

进口核料位计（美国热电）由3 个源罐、3 个探测器和1 个调试手操器组成，3 个源罐内各装有放射源Co-60， 每个探测器都由闪烁体和信号处理单元组成。 探测器1 和探测器2 相连，探测器2 和探测器3 相连， 探测器3 汇总总的计数率，经过信号处理后输出4～20mA 信号至DCS 系统。 探测器1 和探测器2 长度均为3.5m，探测器3 长度为3.0m。信号处理单元主要由电源板、CPU板、输出板及检测板等组成。 进口核料位计测量示意图如图2 所示。

图2 进口核料位计测量示意图

2.2 国产核料位计在IGCC 项目上的应用

国产核料位计（武汉波光源）由3 个源罐、5个探测器和1 个二次仪表组成，3 个源罐内各装有放射源Co-60， 各探测器主要是闪烁体本体，5个探测器直接连接二次仪表，二次仪表汇总总的计数率， 经过信号处理后输出4～20mA 信号至DCS 系统。 探测器4、5 长度均为1.5m，探测器1、2、3 长度均为2.4m。 二次仪表主要由集成电路板和液晶显示屏模块组成。 国产核料位计测量示意图如图3 所示。

3 进口和国产核料位计对比分析

3.1 结构对比

两种核料位计的放射源源罐的数量相等；进口核料位计有3 个探测器，国产核料位计有5 个探测器； 进口核料位计需配有专用的手操器，国产核料位计没有专用的手操器；进口核料位计没有二次仪表，国产核料位计配置二次仪表；信号处理上，进口核料位计每个探测器由四大电路板组合处理，国产核料位计由一块二次仪表完成处理。

图3 国产核料位计测量示意图

3.2 安装对比

进口核料位计总重量大于国产核料位计。 由于进口核料位计总重量分配在3 个探测器上，国产核料位计总重量分配在5 个探测器和1 个二次仪表上，在安装时，进口核料位计需要3～4 人，国产核料位计只需要1～2 人。 进口核料位计安装时需要用到手拉葫芦。

3.3 调试对比

调试时，进口核料位计需要用到专用的手操器，可设置的参数较多，操作复杂。 国产核料位计在二次仪表上观察数据和设置参数，可设置的参数较少，相比进口核料位计操作较为简单。 调试过程大致类似，都需要进行零点标定和满量程标定，满量程标定可以通过关闭源罐或给料罐里装满煤粉来实现。 进口核料位计为了测量准确，在初始安装或更换零配件后，一般需要进行初始化操作，而国产核料位计无需进行此项操作。 在调试时间上进口核料位计每个探测器大致需要20min，共计1h，国产核料位计整个调试过程仅需要15min 左右。

3.4 故障和维护对比

根据现场项目使用情况统计，进口核料位计在投用的3 年里， 平均每年发生故障4～5 次，主要集中在CPU 板故障、 电源板故障和输出板上。发生故障的现象是测量值突然跳变或者值不变。故障发生时， 需要用专用工具打开探测器头部，连接手操器， 由于3 个探测器是串联在一起的，因此需要逐个进行现场检查，确定异常的探测器后，利用备件替换法对信号处理单元各个电路板进行故障判断。

国产核料位计在投用的3 年里，平均每年会发生故障0～1 次。 发生故障的现象是测量值突然跳变，然后给料罐的料位值不随着实际料位的高低而变化。 现场检查发现是由于各探测器计数率发生变化引起的， 一般重新设置计数率即可解决。

3.5 安全对比

由于在安装上， 进口核料位计需要的人员多，受γ射线照射的人的几率增大。 调试所需时间长，调试人员会受到更多的γ射线照射。 现场维护上，故障率高，去现场次数增多，需要用手操器直接连接探测器， 维护人员会受到高频率的γ射线照射，而国产核料位计可以使用远离辐射区域的二次仪表进行维护和调试， 人员几乎不会受到γ射线照射。

4 结束语

从IGCC 项目气化炉煤粉给料罐上核料位计应用的情况来看，进口核料位计和国产核料位计在结构上大致相当，进口核料位计探测器比国产核料位计的少， 但信号处理单元各模块较多；国产核料位计调试上相对简单，调试时间短；国产核料位计现场故障发生率明显较少，维护起来也相对简便；从对核料位计安装、调试及维护等人员的γ射线照射强度上， 国产核料位计有着绝对的优势；从投资成本上和售后服务上国产核料位计也有明显的优势。 因此在类似的核料位计选型和应用上，完全可以使用国产核料位计代替进口核料位计，同时在仪表选择上可通过类似的方法进行对比分析。