灰斗料位計測量的可靠性研究

鄧勇剛

（大唐湘潭發電有限責任公司，湖南 湘潭 411102）

0 引言

近年來，陸續發生多起除塵器灰斗垮塌事件，造成了嚴重的人身傷亡和巨大財產損失：2005年1月，湖北蒲圻電廠1號300MW機組除塵器整體坍塌事故；2005年內蒙古某鋁電公司自備電廠一期3號機組“4.9”灰斗脫落事故；2013年某煉鐵廠除塵器突發坍塌，一電氣點檢員被困死亡；2014年唐山某公司“9.23”電除塵器灰斗坍塌事故造成3人死亡；2017年，內蒙古某電廠發生除塵器坍塌；2019年某水泥廠布袋收塵器灰斗塌落事故；2021年9月，華銀電力株洲電廠4號鍋爐A除塵器發生坍塌，造成4人死亡重大事故；2022年2月15日，上海外高橋電廠A側除塵器發生器坍塌，造成6人死亡[1]。

除塵器灰斗安全問題變得極為重要，同時，國資委、國家能源局以及各大電力集團對于除塵器灰斗、灰斗運行管理、灰斗料位計等，提出了具體明確的要求[2]。在落實執行過程中，有不少的優化措施可以采取，極大地提高了灰斗料位測量的可靠性，為灰斗的安全運行保駕護航[3]。

1 灰斗系統情況

不管是布袋除塵器還是電除塵，在除塵器下方均必須有灰斗收集煙氣中的灰分。圖1是某電除塵的框架圖，灰斗就是下部的金屬材質三角錐體。圖2是灰斗料位計安裝示意圖。機組運行中灰斗內系統負壓2kPa左右，溫度達到160℃左右，灰斗中的灰無法直接觀測到。按照《防除塵器坍塌重點要求》，灰斗一般設置有高低兩個料位計，壁溫測點以及負壓取樣裝置監測灰斗的運行狀況[2]。灰斗中正常情況下有一定的灰量，過多會導致灰斗承重過載，過少會導致輸灰設備出力不夠，浪費能源。因此，需要可靠監測灰斗中的灰位，確保控制灰位在一個合適的位置。

圖1 某電除塵框架圖Fig.1 Frame diagram of an electrostatic precipitator

圖2 灰斗料位計安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of the installation of the ash hopper level gauge

2 主要存在的問題

2.1 原料位計問題多，可靠性不高

原來本廠#1、#2機組（300MW）采用的是機械式料位計，該種料位計需要線圈帶磁間斷動作或者電機間斷動作來判斷料位開關量信號。缺點就是要插入灰斗內部，有機械運動，并且動作很頻繁，非常容易發生故障，維修更換必須停機并清空灰斗才能進行。

原來本廠#3、#4機組（600MW）采用的是電容式料位計。缺點也是要插入灰斗內部，由于料位計本身掛灰等原因導致經常誤報，同樣的原因故障時必須停機清空灰斗拆出來檢查或更換，在線運行時無法判斷其工作情況。

2.2 無源核子料位計的不足

2009年開始，本廠逐步將原來的機械式料位計和電容式料位計更換為無源核子料位計，整體使用情況較好。由于是較早使用新產品，也還存在以下不足：

1）煤種變化，導致測量不準。

2）故障時無法遠方報警。部分型號料位計開關量報警信號是常開節點報警，在料位計故障或者停電時無法發出報警信號，存在誤導運行人員灰斗沒有料位的可能。

3）存在“堆料輻射衰減”物理現象而不報警。

4）無源核子料位計的校準問題。暫時沒有電力行業的標準，無法執行校驗和整定工作。

3 問題產生原因分析

3.1 原料位計問題多可靠性不高

本廠使用的機械式料位計和電容式料位計，以及部分電廠使用的射頻導納料位計和旋阻式料位計均是需要插入式安裝，測量部分需要插入灰斗的灰中，容易導致在料位計插入處掛灰。由于灰斗的高溫特性，在檢修維護中拔出料位計就是風險很大的工作。當灰斗內壁上部分掛灰時，以上料位計就會誤報警，機組運行中又不便拆下來確認和維護。

3.2 無源核子料位計的不足

1）煤種變化，導致測量不準是其工作原理決定的。無放射源核子料位計工作原理是：不需要人工放射源，充分利用自然環境中廣泛存在的微量天然放射性核數。當物料位置發生變化，物料數量的多少與探測器距離的遠近發生變化時，探測器檢測到的物料自身γ射線是不同的。由于物料的屏蔽作用，當物料位置發生變化時，穿過容器的γ射線強度也會發生變化。NAK系列無放射源核子料位計就是根據探測器測量到的γ射線的變化，采用了隨機小信號識別技術和專用的信號處理程序，有效地將物位信號從噪聲中提取出來，從而判斷物料的位置。其測量的真正對象是煤炭燃燒后粉煤灰中含有的放射性雜質釋放的Y射線能量。不同煤炭中含有的放射性雜質比例、特性存在顯著的差異性和不規則性，任何一體化無源核子料位計在缺乏外部料種修正儀協助的情況下，事實與理論上都不具備料種變化的修正能力。

2）故障無法遠方報警的原因是部分型號料位計開關量報警信號是常開節點報警，在料位計故障或者停電時無法發出報警信號，存在誤導運行人員灰斗沒有料位的可能。

3）“堆料輻射衰減”是當灰斗內物料增加到一定程度后，由于下部密度增加，導致該測量位置無源核子料位計實際測量到輻射能量下降。從而出現灰斗實際灰位增加，但是無源核子料位計報警信號消失，連續料位下降現象。該現象會導致運行人員對于灰斗灰位狀態和變化趨勢的錯判，給生產安全帶來極為嚴重的安全隱患。

4）無源核子料位計的校準問題是由于其特性決定的，屬于新設備，相關的校準和監測儀器儀表沒有普及推廣，無法像壓力和溫度一樣每個廠均可以自己檢定。

4 改進的措施

針對以上問題和原因逐步改進，并在后續工作中也安排了徹底改造的計劃。具體內容如下：

4.1 將老式料位計更換為無放射源核子料位計，料位計改模擬量監控

無源核子料位計的工作可靠性，從原理上來說比機械式料位計、電容式料位計、射頻導納料位計和旋阻式料位計有很大的優勢，并且具有無放射源、非接觸測量、抗掛料、抗粉塵、長壽命，適應各種煤種，能夠長期穩定工作，采用灰斗體外安裝，隨時可以進行安裝和維護的特點。本廠從2009年開始就逐步將灰斗料位計更換為無源核子料位計（見圖3），可靠性得到了較充分的驗證。現在的產品更是能夠實現灰斗料位的模擬量監控，直接用信號壞質量判斷就可以確定是否料位計正常。通過分析灰斗模擬量料位的變化趨勢與機組運行工況、輸灰狀況的關系，可以很容易判斷出來料位測量是否準確。

圖3 核子料位計替換原電容料位計Fig.3 The nuclear level gauge replaces the original capacitor level gauge

4.2 核子料位計檢查、校準、比對、核實

核子料位計具有免維護的特性[4]，但是并不是不要去管它。定期的巡視檢查和比對，以及集中檢修期間的核對工作是必不可少的[5]。為此，特意采購了一套便攜式核子料位計（見圖4），帶移動電源和伸縮桿，可以方便現場比對。每周現場巡視一次，主要查看安裝位置是否變動，現場電源和顯示是否正常。每年集中檢修期間進行比對和空倉核對，檢修記錄表格見表1。日常運行中懷疑有料位誤報警或者不報警時也進行現場比對，必要時更換料位計核實測量是否正常。通過以上工作，雖然不能校準核子料位計，但基本可以確保核子料位計的測量可靠。

圖4 便攜式無源核子料位計Fig.4 Portable passive nuclear level gauge

表1 核子料位計比對核對記錄表Table 1 Nuclear level meter comparison check record table

4.3 開關量核子料位計報警的優化

由于使用核子料位計比較早，大部分均是開關量報警，改模擬量信號[6]需要料位計升級和DCS增加模擬量通道，費用太高，只能逐步實施。針對目前情況采取了一些技術措施[7]：①報警回路接常閉節點，高料位報警、料位計故障、失電情況下節點閉合，定期對料位計停電看來不來報警信號，確認整個控制回路是否正常，避免了因為回路問題、電源問題導致的料位計不報警；②料位計提供二對接點，用于高高位和高位報警，在有DI空余通道和電纜備用芯的電廠，可以通過設置兩個不同的報警值，實現一個核子料位計在兩個不同的料位均可以報警。

4.4 料位計異常報警

增加了智能邏輯判斷功能，在機組和除塵設備正常運行，而輸灰設備或輸灰過程故障時，超過一定時間應該產生料位信號報警而沒有產生報警時，觸發光字牌報警提醒運行人員該料位計可能有故障，要聯系控制人員檢測核實。

4.5 壁溫輔助判斷料位計

輸灰設備或過程正常，但實際某個灰斗堵灰，可以通過壁溫的周期波動和一段時間內是否有不正常的溫度降低來判斷灰斗是否在正常的下灰。如果壁溫判斷灰斗堵灰而料位計沒有高料位報警時，也觸發光字牌報警，提醒運行人員該料位計可能有故障。“堆料輻射衰減”物理現象而不報警的料位計也能夠及時發現。

4.6 負壓取樣裝置輔助確認

在料位計安裝的附近位置，灰斗開孔安裝負壓取樣管和閥門。在需要核實灰斗料位時打開閥門，負壓吸入空氣說明該處無灰，無負壓流出干灰即表示灰位至少已經到了該處。

5 結論及建議

1）通過以上一系列的改進措施，能夠極大地提高灰斗料位計測量的可靠性。

2）具備條件的電廠可以安裝核子料位計配套的煤質修正儀，能夠很好地提高料位計模擬量測量的準確度。

3）γ射線強度的標準源或者標準儀器各電廠建標困難，建議參考振動保護探頭或質量流量計，統一外送有資質單位檢定。

4）開發出更直觀、更直接、更可靠的灰斗料位計測量儀表。