料位傳感器及其在火電廠中的應用

一、引言：
　　料位測量是物位測量中的一個分支。物位是指貯存容器或工業生產設備里的液體、粉粒狀固體、氣體之間的分界面位置，根據具體用途分為液位、料位和界位傳感器。
　　目前，我國主要是以原煤為發電燃料，大多數電廠鍋爐都采用煤粉向鍋爐供料。對于直吹式供料的鍋爐，煤倉料位高低關系到鍋爐乃至發電系統能否正常運行。煤倉料位過滿溢出，造成冒煤事故；煤倉料位過低或排空會造成燃燒不穩甚至滅火停機的大事故。對于中貯式供料的鍋爐，既有煤倉，又有粉倉，煤倉粉位的控制尤為重要。煤粉倉是燃料的中轉站，煤粉是用空氣傳輸的，高熱的氣體使煤粉進入煤倉中就有了一定的“基溫”，一般在70°C左右，其作用是使煤粉有一定的離散性。可是，這個溫度使煤粉中的水分快速蒸發并被吸潮管排出倉外，煤粉將越來越干燥，這種煤粉是極易集熱，集熱的最終結果是燃燒。燃燒加劇周圍乃至倉內的集熱，周而復始，惡性循環，這樣如不能及時的有效控制，其結局將是白白燒掉大量煤粉。據有關資料報道，自燃煤粉約占發電總用煤量的0.5%左右。另外，煤倉煤粉爆炸的損失更大，多年來，煤倉煤粉爆炸事故常有發生，給火電廠造成巨大損失。目前，最經濟、最適用的方法是通過可靠的料位傳感器對煤倉的煤位和粉位進行監控，使其始終處于最佳中轉適控狀態，這是火力發電機組安全運行的首要保證。
二、原理及特點：
　　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機、懸有重錘的鋼絲繩、料位發信裝置以及帶微機的顯示儀表所組成。起動后，微機發出降錘信號，伺服電動機轉動放下重錘，當重錘碰到料面后，發信器發出信號給微機，使重錘停止下降并發出升錘信號，伺服電動機反轉使重錘上升，并發出料位信號值給顯示儀表。重錘升至倉頂后電動機停轉，經過一段延時后再重復上述動作。顯示儀表上還有料位上、下限報警發信等裝置。重錘式料位傳感器可解決一定量程范圍內的測量問題，典型的測量范圍可達60m，而且這種測量與蒸汽、灰塵無關，具有較高的測量精度。
　　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）發射的g射線能夠穿透容器壁和容器內的物料。在貯倉下側裝有g射線接收器，隨著料面高度的變化，g射線穿過料層后的強度也不同，接收器檢測出射入的g射線強度并通過顯示儀表顯示出料位高度。
　　這是一種非接觸式測量法，無需在容器上穿孔而損壞容器，所以適用于危險物品以及高溫高壓等惡劣環境下的測量。g射線對人體固然存在有害作用，但對于有限劑量，在妥善防護下并無危險。
　　3．超聲波式料位傳感器
　　在貯倉頂部對著料面裝有超聲波發生器和接收器。發生器發出的超聲波經空氣層射至料面后就被反射，一部分反射被接收器所接收，由超聲波發射至接收所經歷的時間乘以聲速就可計算出料位高度。由于空氣溫度的高低會影響聲波的傳播速度，所以還需測量空氣溫度以修正聲速。超聲波式料位傳感器適合于測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量容器的探頭與容器內壁之間、兩探頭之間或探頭與同心測量管之間的電容，利用物料介電常數恒定時極間電容正比于料位的原理進行工作的。
　　電容式料位傳感器的特點是無可動部件，與物料密度無關，但要求物料的介電常數與空氣介電常數差別大，變化的介電常數在進行連續測量時要加以補償，且需用高頻電路。
　　超聲波式和核輻射式料位傳感器多為國外引進產品，如美國凱瑞（Kay-Ray）公司和馬格尼特（Magnitrol）公司的超聲波式料位計，精度可達0.25級；德國E+H（Endress+Hauser）公司的DU212和DU213，最小盲區是0.7m，此范圍以內不能使用，最遠距離受聲功率限制，只能測40m內的料位；德國E+H公司的QG型為核輻射式料位傳感器，發射源的Co-60或Cs-137封裝在灌鉛的鋼保護罩內，此罩設有可開閉的窗口，不用時關閉，以免輻射危害。接收器是管狀結構，長100～1500mm，它安裝在與發射源相對應的位置，若g射線發散角、距離和接收器三者相互配合，在整個量程范圍內都能有效地檢測。
三、應用：
　　沈陽電力高等專科學校自動控制研究所研制了重錘式料位傳感器，并把它應用在670T/h鍋爐煤粉倉的料位測量上。
　　（一）構成原理
　　該重錘式料位傳感器的型號為SE-2，也稱智能料位儀，它主要由探測器和控制器組成。探測器由開關磁阻電動機、傳動機構和重錘也稱探頭）組成，由重錘行程反映料位高度。控制器由單片機（8098）、顯示器、功率變換器和面板組成。面板采用PVC貼膜，具有數碼管顯示器、觸摸按鍵和指示燈。用軟件控制探測器中重錘的升降過程。
　　重錘固定在開關磁阻電機的鋼絲繩上，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，說明重錘已接觸到煤粉，這時發出脈沖信號，電機反轉至初始位置，使重錘提升至倉頂復位，防止重錘被煤、粉淹埋。若煤或粉很少時，重錘繼續下降，分段采集信號，直到觸及到煤或粉位，或重錘下降到煤、粉位極限位置，再將重錘提到復位位置并報警，限位開關閉合，電機斷電，一次檢測結束，等待下一次檢測指令。
以單片機（8098）為主控單元的二次儀表接收光電開關輸送的磁阻電動機轉數信號，經數據處理后進行料位的數字顯示。
（二）特性
　　SE-2重錘式料位傳感器的主要特性如下：
　　①可在加料過程中自動連續運行，不受物料的塌落埋壓及沖擊等影響；
　　②其結構可靠性高，適應溫度高、灰塵大和煙霧濃的惡劣環境；
　　③具有手動隨時檢測和自動定時檢測兩種功能；
　　④具備上、下限值報警功能和循環顯示多點料位高度功能；
　　⑤有可恢復性故障的恢復處理功能，不可恢復故障的重錘復位及故障信號的顯示報警；
　　⑥對不可恢復的重錘故障，可以用強制提升和下放重錘的功能來處理；
　　⑦操作簡便，使用安全，測量精度高。
　　超聲波式料位傳感器適合于測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量容器的探頭與容器內壁之間、兩探頭之間或探頭與同心測量管之間的電容，利用物料介電常數恒定時極間電容正比于料位的原理進行工作的。
　　電容式料位傳感器的特點是無可動部件，與物料密度無關，但要求物料的介電常數與空氣介電常數差別大，變化的介電常數在進行連續測量時要加以補償，且需用高頻電路。
　　超聲波式和核輻射式料位傳感器多為國外引進產品，如美國凱瑞（Kay-Ray）公司和馬格尼特（Magnitrol）公司的超聲波式料位計，精度可達0.25級；德國E+H（Endress+Hauser）公司的DU212和DU213，最小盲區是0.7m，此范圍以內不能使用，最遠距離受聲功率限制，只能測40m內的料位；德國E+H公司的QG型為核輻射式料位傳感器，發射源的Co-60或Cs-137封裝在灌鉛的鋼保護罩內，此罩設有可開閉的窗口，不用時關閉，以免輻射危害。接收器是管狀結構，長100～1500mm，它安裝在與發射源相對應的位置，若g射線發散角、距離和接收器三者相互配合，在整個量程范圍內都能有效地檢測。
三、應用：
　　沈陽電力自動控制研究所研制了重錘式料位傳感器，并把它應用在670T/h鍋爐煤粉倉的料位測量上。
　　（一）構成原理
　　該重錘式料位傳感器的型號為SE-2，也稱智能料位儀，它主要由探測器和控制器組成。探測器由開關磁阻電動機、傳動機構和重錘也稱探頭）組成，由重錘行程反映料位高度。控制器由單片機（8098）、顯示器、功率變換器和面板組成。面板采用PVC貼膜，具有數碼管顯示器、觸摸按鍵和指示燈。用軟件控制探測器中重錘的升降過程。
    重錘固定在開關磁阻電機的鋼絲繩上，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，說明重錘已接觸到煤粉，這時發出脈沖信號，電機反轉至初始位置，使重錘提升至倉頂復位，防止重錘被煤、粉淹埋。若煤或粉很少時，重錘繼續下降，分段采集信號，直到觸及到煤或粉位，或重錘下降到煤、粉位極限位置，再將重錘提到復位位置并報警，限位開關閉合，電機斷電，一次檢測結束，等待下一次檢測指令。
以單片機（8098）為主控單元的二次儀表接收光電開關輸送的磁阻電動機轉數信號，經數據處理后進行料位的數字顯示。