料位傳感器及其在火電廠中的應(yīng)用

一、引言

料位測(cè)量是物位測(cè)量中的一個(gè)分支。物位是指貯存容器或工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備里的液體、粉粒狀固體、氣體之間的分界面位置，根據(jù)具體用途分為液位、料位和界位傳感器。

目前，我國(guó)主要是以原煤為發(fā)電燃料，大多數(shù)電廠鍋爐都采用煤粉向鍋爐供料。對(duì)于直吹式供料的鍋爐，煤倉(cāng)料位高低關(guān)系到鍋爐乃至發(fā)電系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。煤倉(cāng)料位過(guò)滿溢出，造成冒煤事故；煤倉(cāng)料位過(guò)低或排空會(huì)造成燃燒不穩(wěn)甚至滅火停機(jī)的大事故。對(duì)于中貯式供料的鍋爐，既有煤倉(cāng)，又有粉倉(cāng)，煤倉(cāng)粉位的控制尤為重要。煤粉倉(cāng)是燃料的中轉(zhuǎn)站，煤粉是用空氣傳輸?shù)?，高熱的氣體使煤粉進(jìn)入煤倉(cāng)中就有了一定的“基溫”，一般在70° C左右，其作用是使煤粉有一定的離散性?？墒?，這個(gè)溫度使煤粉中的水分快速蒸發(fā)并被吸潮管排出倉(cāng)外，煤粉將越來(lái)越干燥，這種煤粉是極易集熱，集熱的最終結(jié)果是燃燒。燃燒加劇周?chē)酥羵}(cāng)內(nèi)的集熱，周而復(fù)始，惡性循環(huán)，這樣如不能及時(shí)的有效控制，其結(jié)局將是白白燒掉大量煤粉。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，自燃煤粉約占發(fā)電總用煤量的0.5%左右。另外，煤倉(cāng)煤粉爆炸的損失更大，多年來(lái)，煤倉(cāng)煤粉爆炸事故常有發(fā)生，給火電廠造成巨大損失。目前，最經(jīng)濟(jì)、最適用的方法是通過(guò)可靠的料位傳感器對(duì)煤倉(cāng)的煤位和粉位進(jìn)行監(jiān)控，使其始終處于最佳中轉(zhuǎn)適控狀態(tài)，這是火力發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的首要保證。

二、原理及特點(diǎn)

火電廠目前采用的料位傳感器主要有重錘式、核輻射式、超聲波式和電容式。

1．重錘式料位傳感器

重錘式料位傳感器由伺服電動(dòng)機(jī)、懸有重錘的鋼絲繩、料位發(fā)信裝置以及帶微機(jī)的顯示儀表所組成。起動(dòng)后，微機(jī)發(fā)出降錘信號(hào)，伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)放下重錘，當(dāng)重錘碰到料面后，發(fā)信器發(fā)出信號(hào)給微機(jī)，使重錘停止下降并發(fā)出升錘信號(hào)，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)使重錘上升，并發(fā)出料位信號(hào)值給顯示儀表。重錘升至倉(cāng)頂后電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)一段延時(shí)后再重復(fù)上述動(dòng)作。顯示儀表上還有料位上、下限報(bào)警發(fā)信等裝置。 重錘式料位傳感器可解決一定量程范圍內(nèi)的測(cè)量問(wèn)題，典型的測(cè)量范圍可達(dá)60m，而且這種測(cè)量與蒸汽、灰塵無(wú)關(guān)，具有較高的測(cè)量精度。

2．核輻射式料位傳感器

放射源Co-60（半衰期5.26年）和Cs-137（半衰期32.2年）發(fā)射的g 射線能夠穿透容器壁和容器內(nèi)的物料。在貯倉(cāng)下側(cè)裝有g(shù) 射線接收器，隨著料面高度的變化，g 射線穿過(guò)料層后的強(qiáng)度也不同，接收器檢測(cè)出射入的g 射線強(qiáng)度并通過(guò)顯示儀表顯示出料位高度。

這是一種非接觸式測(cè)量法，無(wú)需在容器上穿孔而損壞容器，所以適用于危險(xiǎn)物品以及高溫高壓等惡劣環(huán)境下的測(cè)量。g 射線對(duì)人體固然存在有害作用，但對(duì)于有限劑量，在妥善防護(hù)下并無(wú)危險(xiǎn)。

3．超聲波式料位傳感器

在貯倉(cāng)頂部對(duì)著料面裝有超聲波發(fā)生器和接收器。發(fā)生器發(fā)出的超聲波經(jīng)空氣層射至料面后就被反射，一部分反射被接收器所接收，由超聲波發(fā)射至接收所經(jīng)歷的時(shí)間乘以聲速就可計(jì)算出料位高度。 由于空氣溫度的高低會(huì)影響聲波的傳播速度，所以還需測(cè)量空氣溫度以修正聲速。超聲波式料位傳感器適合于測(cè)量粒度較大的塊料料位。

4．電容式料位傳感器

電容式料位傳感器是采用測(cè)量容器的探頭與容器內(nèi)壁之間、兩探頭之間或探頭與同心測(cè)量管之間的電容，利用物料介電常數(shù)恒定時(shí)極間電容正比于料位的原理進(jìn)行工作的。

電容式料位傳感器的特點(diǎn)是無(wú)可動(dòng)部件，與物料密度無(wú)關(guān)，但要求物料的介電常數(shù)與空氣介電常數(shù)差別大，變化的介電常數(shù)在進(jìn)行連續(xù)測(cè)量時(shí)要加以補(bǔ)償，且需用高頻電路。

超聲波式和核輻射式料位傳感器多為國(guó)外引進(jìn)產(chǎn)品，如美國(guó)凱瑞（Kay-Ray）公司和馬格尼特（Magnitrol）公司的超聲波式料位計(jì)，精度可達(dá)0.25級(jí)；德國(guó)E+H（Endress+Hauser）公司的DU212和DU213，最小盲區(qū)是0.7m，此范圍以內(nèi)不能使用，最遠(yuǎn)距離受聲功率限制，只能測(cè)40m內(nèi)的料位；德國(guó)E+H公司的QG型為核輻射式料位傳感器，發(fā)射源的Co-60或Cs-137封裝在灌鉛的鋼保護(hù)罩內(nèi)，此罩設(shè)有可開(kāi)閉的窗口，不用時(shí)關(guān)閉，以免輻射危害。接收器是管狀結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)100 ～1500mm，它安裝在與發(fā)射源相對(duì)應(yīng)的位置，若g 射線發(fā)散角、距離和接收器三者相互配合，在整個(gè)量程范圍內(nèi)都能有效地檢測(cè)。

三、應(yīng)用

沈陽(yáng)電力高等專(zhuān)科學(xué)校自動(dòng)控制研究所研制了重錘式料位傳感器，并把它應(yīng)用在670T/h鍋爐煤粉倉(cāng)的料位測(cè)量上。

（一）構(gòu)成原理

該重錘式料位傳感器的型號(hào)為SE-2，也稱(chēng)智能料位儀，它主要由探測(cè)器和控制器組成。探測(cè)器由開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和重錘也稱(chēng)探頭）組成，由重錘行程反映料位高度?？刂破饔蓡纹瑱C(jī)（8098）、顯示器、功率變換器和面板組成。面板采用PVC貼膜，具有數(shù)碼管顯示器、觸摸按鍵和指示燈。用軟件控制探測(cè)器中重錘的升降過(guò)程。

重錘固定在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的鋼絲繩上，依靠自身重力隨繞線輪垂直下降某一單位高度，以提升電流的大小判斷重錘是否接觸到煤粉表面。若提升電流很小，說(shuō)明重錘已接觸到煤粉，這時(shí)發(fā)出脈沖信號(hào)，電機(jī)反轉(zhuǎn)至初始位置，使重錘提升至倉(cāng)頂復(fù)位，防止重錘被煤、粉淹埋。 若煤或粉很少時(shí)，重錘繼續(xù)下降，分段采集信號(hào)，直到觸及到煤或粉位，或重錘下降到煤、粉位極限位置，再將重錘提到復(fù)位位置并報(bào)警，限位開(kāi)關(guān)閉合，電機(jī)斷電，一次檢測(cè)結(jié)束，等待下一次檢測(cè)指令。
以單片機(jī)（8098）為主控單元的二次儀表接收光電開(kāi)關(guān)輸送的磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行料位的數(shù)字顯示。

（二）特性

SE-2重錘式料位傳感器的主要特性如下：

①可在加料過(guò)程中自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行，不受物料的塌落埋壓及沖擊等影響；

②其結(jié)構(gòu)可靠性高，適應(yīng)溫度高、灰塵大和煙霧濃的惡劣環(huán)境；

③具有手動(dòng)隨時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)定時(shí)檢測(cè)兩種功能；

④具備上、下限值報(bào)警功能和循環(huán)顯示多點(diǎn)料位高度功能；

⑤有可恢復(fù)性故障的恢復(fù)處理功能，不可恢復(fù)故障的重錘復(fù)位及故障信號(hào)的顯示報(bào)警；

⑥對(duì)不可恢復(fù)的重錘故障，可以用強(qiáng)制提升和下放重錘的功能來(lái)處理；

⑦操作簡(jiǎn)便，使用安全，測(cè)量精度高。

（三）應(yīng)用效果

SE-2重錘式料位傳感器經(jīng)過(guò)調(diào)試和近兩年的生產(chǎn)運(yùn)行，取得了良好的應(yīng)用效果：

1．改變了煤倉(cāng)料位檢測(cè)的落后狀態(tài)，提高了料位控制的監(jiān)測(cè)水平；

2．徹底結(jié)束了人工搖漂測(cè)量煤粉粉位的歷史，把工人從繁重的手工勞動(dòng)中解脫出來(lái)，改善了工作條件；

3．為火電廠的制粉系統(tǒng)提供了可靠的料位數(shù)據(jù)，保證了燃煤供給系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。