科创中国

*** 研究目的与意义

在国内，绝大多数的火力发电厂均为燃煤电厂，这就必然需要配备相应的除灰系统来对煤燃烧后的粉煤灰进行处理。火电厂的除灰系统主要由除尘器、灰斗、仓泵、压缩空气系统、灰库以及相应的控制系统等组成，如图1所示。若要实现除灰作业的自动化控制，通过料位计来检测灰斗和仓泵中的灰位则是必不可少的一个环节。

目前，火电厂普遍使用音叉式、电容式、射频导纳式等各种形式的料位计来对灰位进行检测。但是，这些料位计有一个共同特点，就是它们都属于接触式测量。这种料位计在使用时需要在容器上开孔，将料位计的敏感元件插入到容器内部，存在如下各种普遍性问题：

（1）容易因料位计探头挂灰而出现误报警，可靠性低;

（2）误报警时气力输灰启动提前，导致输送过程灰气比低，输送频繁，输送同等灰量情况下导致压缩空气耗气量增大，能耗浪费严重；

（3）较低的输送灰气比增大了输送流速，增加了设备磨损（管道磨损与流速的三次方成正比），容易出现气动阀漏气及损坏、管道漏灰等问题；

（4）误报警出现时，需要技术人员亲临现场对料位计的误报警进行确认和处理，使得技术人员的工作强度较高，而且由于工作环境恶劣，员工的工作满意度和幸福感较低。

本作品“一种用于粉煤灰料位检测的无源核子料位计”的设计目的就是解决火力发电企业除灰系统因为料位计误报警率高、可靠性低而存在的上述问题，改善除灰系统的运行状况、降低能耗、减少设备磨损、降低工人劳动强度、提升技术人员的满意度和幸福感。

*** 国内外研究现状

目前，虽然大多数燃煤电厂在除灰系统中使用的灰位检测装置多数仍为接触式料位计，但由于接触式料位计存在的上述问题使得其不能满足用户的需求，近年来，我国对于该类仪器仪表的开发重心转向非接触式料位计，其中，无源核子料位计占有重要比例。

无源核子料位计是随着我国核仪器仪表技术的发展和日趋成熟，近年来刚刚出现的一种新型核仪器仪表，其检测原理是对周围空间中所存在的自然放射源所放出的射线强度进行检测，并根据探测到的计数水平获得所需相关数据。

由于无源核子料位计基于物料自身释放的射线，而这种射线强度相对较低，因此对测量精度的要求较高，在使用过程中又受到检测环境的影响，所以在工业领域中应用较少，设备的研发进度较为滞后。最先应用无源核子料位计的行业就是煤炭发电行业中粉煤灰的料位测量。因煤炭本身具有放射性，且在煤经充分燃烧后放射性核素含量会大大提高，他所释放出的射线强度足可以达到探测要求。

目前国内可以生产出无源核子料位计的厂家较少，且产品大都不够成熟，主要表现在：料位计的指向性和抗干扰能力较差，容易受到环境中无关射线和电磁干扰的影响，测量结果不稳定；测量结果受温度的影响较大，需要经常性地进行标定；在煤源活度（煤种）发生变化时，需要重新进行标定，这使得产品的实用性大打折扣。

在国外，使用较为普遍的是有源核子料位计，也就是需要额外配置放射源的料位计。基于国外加工技术及水平的优势，国外有源核子料位计在测量精度、加工工艺等方面都表现出较大的优势。由于市场发展需求或者是发展重点的不同，通过对市场的调查，无源核子料位计并没有在国外得到研制成功，尚没有发现有公司已经生产出这种无源核子料位计。  

因此，我国在无源核子料位计上的发展是领先于国外的。进一步完善该产品的性能和增强其实用性，不管是从国内应用还是从与国外竞争考虑都有着十分重要的意义。

*** 基本设计思路

根据核物理学的研究可知，放射性在自然界中是广泛存在的，尤其是在矿物质中。而煤本身就是一种矿物质，含有微量的铀、钍、钾等放射性核素。煤燃烧后，这些放射性核素全部转移到粉煤灰中，它们在发生衰变时放射出的γ射线具有很强的穿透能力，从灰斗和仓泵外面就可以将其探测到。

本作品就是通过在容器外侧接收容器内物料放射出的伽马射线，将其转化成电脉冲信号并进行处理，再根据特定的测量模型来计算实时料位。由于利用的是原子核的衰变产生的放射性，所以叫核子料位计；又由于利用的是物料本身的放射性，不需要额外的放射源，所以叫做无源核子料位计。