无源核子灰斗料位计的蒙特卡罗模拟及软件设计

发布时间：2020-08-05 20:27

【摘要】：火电厂中对料仓、灰斗料位的快速、可靠检测是电力生产中的重要环节。无源核子料位计通过探测物料中微量伽玛射线照射量率随时间(料位)的变化,进而获得料位的变化信息,由于不使用放射源,在火电厂电除尘、除灰系统料位测量中有着十分明显的优势,不但避免了其它方法存在的易挂料、易损耗及容易误报等缺点,而且具有非接触式测量、系统运行稳定、维护费用低、测量精确、安装简易等特点。但无源核子灰斗料位计也存在不少问题,如:(1)料位计刻度过程中需要人工测定料位高度,难度大,准确性差,不能自动刻度。(2)忽略了煤灰中放射性活度变化对料位测量的影响,造成料位测量误差,导致料位误报甚至发生事故。(3)煤灰的放射性较弱时,料位测量精度较差。因此,对无源核子料位计自动刻度技术、误漏报处理技术、放射性活度变化的校正技术等技术难题展开研究,具有重要的现实意义。论文取得的主要成果和创新性如下:(1)提出“四联组合探测”的料位测定方法,解决了无源核子灰斗料位计受物料放射性活度变化的影响和自动刻度的难题。(a)设计了四联组合探测和“等高多级测量模式”,利用相邻级联探头的吸收剂量率比与料位的关系曲线和参数,完成料位计的在线刻度,避免了“停工”标定,提高了工效。(b)有效地校正了物料中放射性活度变化造成的料位测量误差,提高了无源核子灰斗料位计的测量精度和料位定位准确性。由于影响煤灰的放射性因素很多,各地或者不同时期煤灰的放射性活度都有所差异,容易造成测量误差和误报。采用四联组合探测和等高多级测量模式,在煤灰的放射性活度发生变化时,可以根据刻度曲线自动进行校正或者自动重新刻度,有效地降低了因粉煤灰中放射性活度的改变所带来的影响。既节省了反复繁冗的刻度程序,也提高了刻度的准确性,避免误判,并能提高测量精度。研究结果表明:当物料的放射性活度增大1倍,“四联组合探测”方法的料位误差降低至1.1%～5.4%之间,比传统方法的料位误差(12%～57%)明显减少。当物料的放射性活度减小1倍时,“四联组合探测”方法的料位误差降低为-1.7%～-7.6%之间,比传统方法的料位误差(-25%～-43%)明显减少。(2)经理论计算和蒙特卡洛模拟,得出了晶体尺寸为φ7.62×7.62cm3的闪烁探头的最佳探测角度为30°,使探测灵敏度比常规安装方式提高了 17%。当料位探测器与水平位置的夹角为30度时,探测界面能量积分流量值最大;当夹角从0度变化到90度时,探测界面能量积分流量先从低到高变化,达到峰值后又逐渐降低。最低值为90度角时测量值,其与最大值相差达一倍左右。(3)运用蒙特卡罗方法建立了电除尘灰斗无源核子料位计的整体模型,在30度最佳探测角度条件下,模拟出吸收剂量率随灰斗内料位高度的关系曲线图。根据低位料位计和高位料位计的吸收剂量率变化曲线,利用二阶导数法可得出灰位的变化趋势,由此得出高低料位开关点。对实验所用的料位计系统,当灰位到达100cm时,低位料位计(位于灰斗高度90cm处)吸收剂量率的变化率最大,即100cm处为低位开关点。当灰位到达300cm时,高位料位计(位于灰斗高度270cm处)吸收剂量率的变化率最大,即300cm处为高位开关点。(4)建立了灰斗伽玛场分布的计算公式,计算了倒四棱台灰斗中粉煤灰的吸收剂量率,与利用蒙特卡罗模拟结果的相对偏差均在10%以内。(5)实验表明,蒙特卡罗料位变化模拟曲线与实测曲线吻合良好,料位测量结果与蒙卡模拟结果的相对偏差小于10%。(6)基于Labview平台开发了四联组合探测的无源核子料位计应用软件,实现灰位变化曲线测量、灰位监测、料位报警、数据采集、数据存储和查询等功能。论文完成了火电厂电除尘装置中无源核子灰斗料位计中关键技术的理论研究和蒙特卡罗模拟,取得了预期成果。但由于时间限制,对无源核子灰斗料位计的环境本底影响修正问题还没有进行深入研究,有待在今后的进一步研究中完成。
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TL81;TP311.52
【图文】：

料位计,料位,测定方法,刻度

图１－２传统料位测定方法示意图逡逑“四联组合探测”方法是在高低料位料位计的基础上，增加两个辅助料位计逡逑（如图１－３所示），用来进行高低料位计的自动刻度，不需灰斗停止工作，节省逡逑刻度时间，提高刻度精度。利用级联料位计探测数据的比值和对应料位高度进行逡逑曲线拟合，得到拟合参数，完成刻度。根据放射性累积原理以及体源的Ｙ场分布，逡逑可以得出粉煤灰放射性强度与粉煤灰的含量和粉煤灰的放射性活度成正比。利用逡逑级联料位计探测到的射线强度数据比值能有效地消除粉煤灰中放射性活度变化逡逑所导致的测量误差。四联组合探测料位测定方法还能实时跟踪煤灰放射性活度变逡逑化情况，自动修正刻度系数，完成自动刻度。逡逑ｕ逦Ｔ］－：：逡逑＼邋＼逦／邋／逦４号辅助料位计逡逑＼邋＼ｒ：：ｙ邋—＇■＇：—＂…／邋／逦高料位料位计逡逑Ｉ邋ｉ邋－，逡逑＼邋＼逦／逦／逦２号辅助料位计逡逑＼邋＼逦／逦ｒ逦逡逑＼＼逦Ｉ逦一逦低料位料位计逡逑ｕ逦ＬＩ邋一？逡逑图１－３四联组合探

示意图,料位,测定法,料位计

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衰变纲图,铀系,衰变纲图,钍系

来自自然界中的三个天然放射性系列，即铀（Ｕ）系列，钍（Ｔｈ）系列和锕铀（ＡｃＵ）系逡逑列，以及长寿独立放射性核素，如钾（４ＱＫ），铷（８７Ｒｂ）等。其中，铀系（衰变纲图如逡逑图２－１所示）的主要７辐射体有铀组中的２３４Ｔｈ（Ｙ辐射能量只占铀系７辐射总量逡逑的１％），镭组的２１４Ｐｂ和２１４Ｂｉ（Ｙ辐射能量分别占铀系ｙ辐射总能量的１２．４％和逡逑８５．５％），而最有意义的几种邋ｙ邋射线能量有邋０．０９３ＭｅＶ（２３４Ｔｈ）、０．３５２ＭｅＶ（２１４Ｐｂ）、逡逑１．１２ＭｅＶ邋和邋０．６０９ＭｅＶ（２１４Ｂｉ），１．７６４ＭｅＶ（２１４Ｂｉ），其中邋１．７６４ＭｅＶ邋在邋ｙ邋射线能谱逡逑分析中可作为铀系的特征射线，具有很重要的意义［２１。逡逑铀系衰变图Ｉ逦逦逦逦逦逡逑２３４邋Ｔｈ邋—？邋２３４邋Ｐａ邋邋＾邋２３４ｙ逡逑２４．１ｄ逦＇ｆｉＴＳｈ＂逦２．４５ｘｉ0＊ａ逡逑逦邋逦逦＾逡逑，｜邋表示逦｜逦ｆ＾Ｔｈ逡逑Ｉ逦１逦７．７Ｘ１０＊３逡逑—丨表示ｇ爱＾丨逦逦＾３逡逑２２６Ｒａ逡逑１６００ａ逡逑逦逦逡逑２２２Ｒｎ逡逑３．８２４ａ逡逑逦—逡逑２？ｐ0邋Ｊ邋２１８Ａｔ逡逑３０．０５ｍｉｎ逦２ｓ逡逑逦＾邋￣￣逡逑２１４ｐｂ逦２１４ＢＪ逦２１４ｐ0逡逑２６－Ｓｍｉｎ邋一邋１９．７ｍｉｎ邋￣＂邋１．６４ｘｉ0－？ｓ逡逑＾邋￣邋逦逡逑２１0ｎ邋２１0Ｐｂ逦２１0Ｂｉ逦２１0Ｐ0逡逑１．３０ｍｉｎ邋—＊＊邋２２．３ａ邋￣５．０１邋ｄ逦１３８．４ｄ逡逑２０６Ｔ！「

【参考文献】