料位传感器及在火电厂中的应用

一、引言
料位测量是物位测量中的一个分支。物位是指贮存容器或工业生产设备里的液体、粉粒状固体、气体之间的分界面位置，根据具体用途分为液位、料位和界位传感器。
目前，我国主要是以原煤为发电燃料，大多数电厂锅炉都采用煤粉向锅炉供料。对于直吹式供料的锅炉，煤仓料位高低关系到锅炉乃至发电系统能否正常运行。煤仓料位过满溢出，造成冒煤事故；煤仓料位过低或排空会造成燃烧不稳甚至灭火停机的大事故。对于中贮式供料的锅炉，既有煤仓，又有粉仓，煤仓粉位的控制尤为重要。煤粉仓是燃料的中转站，煤粉是用空气传输的，高热的气体使煤粉进入煤仓中就有了一定的“基温”，一般在70° C左右，其作用是使煤粉有一定的离散性。可是，这个温度使煤粉中的水分快速蒸发并被吸潮管排出仓外，煤粉将越来越干燥，这种煤粉是极易集热，集热的最终结果是燃烧。燃烧加剧周围乃至仓内的集热，周而复始，恶性循环，这样如不能及时的有效控制，其结局将是白白烧掉大量煤粉。据有关资料报道，自燃煤粉约占发电总用煤量的0.5%左右。另外，煤仓煤粉爆炸的损失更大，多年来，煤仓煤粉爆炸事故常有发生，给火电厂造成巨大损失。目前，最经济、最适用的方法是通过可靠的料位传感器对煤仓的煤位和粉位进行监控，使其始终处于最佳中转适控状态，这是火力发电机组安全运行的首要保证。
二、原理及特点
火电厂目前采用的料位传感器主要有重锤式、核辐射式、超声波式和电容式。
1．重锤式料位传感器
重锤式料位传感器由伺服电动机、悬有重锤的钢丝绳、料位发信装置以及带微机的显示仪表所组成。起动后，微机发出降锤信号，伺服电动机转动放下重锤，当重锤碰到料面后，发信器发出信号给微机，使重锤停止下降并发出升锤信号，伺服电动机反转使重锤上升，并发出料位信号值给显示仪表。重锤升至仓顶后电动机停转，经过一段延时后再重复上述动作。显示仪表上还有料位上、下限报警发信等装置。 重锤式料位传感器可解决一定量程范围内的测量问题，典型的测量范围可达60m，而且这种测量与蒸汽、灰尘无关，具有较高的测量精度。
2．核辐射式料位传感器
放射源Co-60（半衰期5.26年）和Cs-137（半衰期32.2年）发射的g 射线能够穿透容器壁和容器内的物料。在贮仓下侧装有g 射线接收器，随着料面高度的变化，g 射线穿过料层后的强度也不同，接收器检测出射入的g 射线强度并通过显示仪表显示出料位高度。
这是一种非接触式测量法，无需在容器上穿孔而损坏容器，所以适用于危险物品以及高温高压等恶劣环境下的测量。g 射线对人体固然存在有害作用，但对于有限剂量，在妥善防护下并无危险。
3．超声波式料位传感器
在贮仓顶部对着料面装有超声波发生器和接收器。发生器发出的超声波经空气层射至料面后就被反射，一部分反射被接收器所接收，由超声波发射至接收所经历的时间乘以声速就可计算出料位高度。 由于空气温度的高低会影响声波的传播速度，所以还需测量空气温度以修正声速。超声波式料位传感器适合于测量粒度较大的块料料位。
4．电容式料位传感器
电容式料位传感器是采用测量容器的探头与容器内壁之间、两探头之间或探头与同心测量管之间的电容，利用物料介电常数恒定时极间电容正比于料位的原理进行工作的。
电容式料位传感器的特点是无可动部件，与物料密度无关，但要求物料的介电常数与空气介电常数差别大，变化的介电常数在进行连续测量时要加以补偿，且需用高频电路。
超声波式和核辐射式料位传感器多为国外引进产品，如美国凯瑞（Kay-Ray）公司和马格尼特（Magnitrol）公司的超声波式料位计，精度可达0.25级；德国E+H（Endress+Hauser）公司的DU212和DU213，最小盲区是0.7m，此范围以内不能使用，最远距离受声功率限制，只能测40m内的料位；德国E+H公司的QG型为核辐射式料位传感器，发射源的Co-60或Cs-137封装在灌铅的钢保护罩内，此罩设有可开闭的窗口，不用时关闭，以免辐射危害。接收器是管状结构，长100 ～1500mm，它安装在与发射源相对应的位置，若g 射线发散角、距离和接收器三者相互配合，在整个量程范围内都能有效地检测。
三、应用
沈阳电力高等专科学校自动控制研究所研制了重锤式料位传感器，并把它应用在670T/h锅炉煤粉仓的料位测量上。
（一）构成原理
该重锤式料位传感器的型号为SE-2，也称智能料位仪，它主要由探测器和控制器组成。探测器由开关磁阻电动机、传动机构和重锤也称探头）组成，由重锤行程反映料位高度。控制器由单片机（8098）、显示器、功率变换器和面板组成。面板采用PVC贴膜，具有数码管显示器、触摸按键和指示灯。用软件控制探测器中重锤的升降过程。
重锤固定在开关磁阻电机的钢丝绳上，依靠自身重力随绕线轮垂直下降某一单位高度，以提升电流的大小判断重锤是否接触到煤粉表面。若提升电流很小，说明重锤已接触到煤粉，这时发出脉冲信号，电机反转至初始位置，使重锤提升至仓顶复位，防止重锤被煤、粉淹埋。 若煤或粉很少时，重锤继续下降，分段采集信号，直到触及到煤或粉位，或重锤下降到煤、粉位极限位置，再将重锤提到复位位置并报警，限位开关闭合，电机断电，一次检测结束，等待下一次检测指令。
以单片机（8098）为主控单元的二次仪表接收光电开关输送的磁阻电动机转数信号，经数据处理后进行料位的数字显示。
（二）特性
SE-2重锤式料位传感器的主要特性如下：
①可在加料过程中自动连续运行，不受物料的塌落埋压及冲击等影响；
②其结构可靠性高，适应温度高、灰尘大和烟雾浓的恶劣环境；

③具有手动随时检测和自动定时检测两种功能；
④具备上、下限值报警功能和循环显示多点料位高度功能；
⑤有可恢复性故障的恢复处理功能，不可恢复故障的重锤复位及故障信号的显示报警；
⑥对不可恢复的重锤故障，可以用强制提升和下放重锤的功能来处理；
⑦操作简便，使用安全，测量精度高。
（三）应用效果
SE-2重锤式料位传感器经过调试和近两年的生产运行，取得了良好的应用效果：
1．改变了煤仓料位检测的落后状态，提高了料位控制的监测水平；
2．彻底结束了人工摇漂测量煤粉粉位的历史，把工人从繁重的手工劳动中解脱出来，改善了工作条件；
3．为火电厂的制粉系统提供了可靠的料位数据，保证了燃煤供给系统的安全和经济运行。