專利名稱：基于自然伽馬譜分析的火電廠煤質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃煤火力發(fā)電測控技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種火電機組入爐煤質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
由于發(fā)電用燃煤的市場化，電廠的燃煤供應(yīng)很難保證一直燃用設(shè)計煤種，絕大多數(shù)火電廠的供給煤種類繁多，煤質(zhì)波動較大，普遍存在配煤摻燒的現(xiàn)象，這對發(fā)電機組的自動控制帶來極大的難度，尤其對于現(xiàn)代超臨界和超超臨界大功率機組，煤質(zhì)的不穩(wěn)定嚴(yán)重制約了機組控制和調(diào)節(jié)的性能。對入爐燃燒的煤質(zhì)進行實時的在線監(jiān)測，是鍋爐燃燒調(diào)整和機組協(xié)調(diào)控制的迫切要求。目前，煤質(zhì)在線監(jiān)測技術(shù)主要分為五大類，以現(xiàn)有國內(nèi)外相關(guān)專利為例，主要技術(shù)分別采用X射線、Y射線、光分析、間接計算和采樣燃燒分析方法。其中精度較高應(yīng)用最為廣泛的是基于X射線和Y射線的分析方法，這兩類方法都采用放射源發(fā)出輻射線對煤試樣進行分析，對人體有害，因此一般都在密閉容器內(nèi)以采樣的方式進行分析，不能實現(xiàn)在線的連續(xù)監(jiān)測。采樣燃燒和大部分光分析方法也存在同樣的問題，這也是目前煤質(zhì)在線連續(xù)監(jiān)測技術(shù)的主要瓶頸。自然Y輻射與有源的Y輻射和X射線輻射不同，是指天然礦物內(nèi)部原生的極微量放射性元素發(fā)出的輻射線，在自然界的巖石、泥土中是廣泛存在的，也稱天然Y輻射，是自然環(huán)境本底輻射的一部分，因此，基于檢測自然Y輻射技術(shù)的設(shè)備并不附加任何有害放射線，對人體無害。自然Υ射線來自天然放射性元素，主要包括鈾系、錒系、釷系元素和Κ40(鉀)、Rb87(銣)等。巖石和粘土中一般都含有不同數(shù)量的放射性元素，并且不斷地放出Y射線。不同的元素放出的Y射線能量是不同的，K40只能發(fā)出1.46MeV的、射線，釷系大部分Y射線分布在1.3MeV以下，在2.62MeV處有明顯峰值，鈾系有各種能量的Y射線，大部分都分布在1.3MeV以下，在1.76MeV處有明顯峰值。地層中放射性元素的含量的多少，是由含有放射性元素的母巖，經(jīng)過長期的地質(zhì)作用，不斷分離和重新分布而形成的。它與巖石的類型、沉積環(huán)境、搬運過程、成巖后生作用、風(fēng)化程度等等因素有關(guān)，這樣，我們就可以通過測量出巖石中各種放射性元素的相對含量，并推出上述各因素，從而應(yīng)用于油田和煤礦的勘探開發(fā)。石油和煤炭勘探工業(yè)上廣泛采用的自然Y測井，一般采用三能窗法，即捕捉1.46MeV、l.76MeV和2.62MeV特征能量的Y射線強度，求解K40、鈾系和釷系元素含量的比例，從而用于尋找含石油的巖層或確定煤層的位置。此外，因煤中固定碳和揮發(fā)分中都不含放射性元素，因此對于同一灰分成分的煤種來說，自然Y輻射強度正比于煤中灰分的含量，其線性標(biāo)準(zhǔn)差可達0.6-1.3%。這被用于煤的灰分儀，通過對煤礦樣本的預(yù)先校正，采用該原理的灰分儀測量自然Y輻射強度來檢測煤堆、火車或汽車車廂內(nèi)的煤和傳送帶上煤的灰分。但這種灰分的測量僅局限于同一煤層或同一煤礦的煤，而目前我國電站燃燒的煤炭存在煤質(zhì)變化顯著且大量配煤摻燒的情況，因此，采用該技術(shù)的灰分儀無法直接用于電站煤質(zhì)的在線監(jiān)測。以上信息表明，現(xiàn)有Y射線煤質(zhì)監(jiān)測技術(shù)是在密閉容器內(nèi)，采用放射源發(fā)出的Y射線照射煤樣，根據(jù)煤內(nèi)各成分吸收Y輻射的不同特性來進行煤質(zhì)的監(jiān)測的；現(xiàn)有自然Y輻射檢測用于煤和石油的勘探中是采用三種易識別特征頻率的Y輻射強度用來輔助判斷地層的巖性，根據(jù)輻射強度的變化來輔助尋找煤層和油層，是諸多測井中的一種，不單獨使用，需結(jié)合其它類型(聲、電等)測井通過人工分析的方法進行地質(zhì)勘探；現(xiàn)有應(yīng)用于原煤的自然Y輻射檢測通過檢測煤的自然Y輻射強度用來進行煤礦出產(chǎn)的單一煤種灰分的估計，只對預(yù)設(shè)的單一煤種有效，無法獲得其它煤質(zhì)參數(shù)。
發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有煤質(zhì)在線監(jiān)測技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于自然伽馬譜分析的火電廠煤質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠快速、準(zhǔn)確、連續(xù)的對火電廠的煤質(zhì)進行在線監(jiān)測，滿足目前我國火電普遍煤質(zhì)變化顯著和配煤摻燒條件下自動控制系統(tǒng)對煤質(zhì)參數(shù)的實時監(jiān)測要求。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種基于自然伽馬譜分析的火電廠煤質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括自然Y能譜測量系統(tǒng)和煤質(zhì)辨識系統(tǒng)10 ；所述自然Y能譜測量系統(tǒng)，包括包裹在火電廠燃煤輸送通道上一定長度的鉛金屬層3形成的防宇宙輻射干擾測量區(qū)，在防輻射干擾測量區(qū)安裝的收集自然Y輻射射線的自然Y能譜測量探頭4，和自然Y能譜測量探頭4相連接的信號放大器5、穩(wěn)譜控制系統(tǒng)6和電脈沖分析系統(tǒng)7 ；所述穩(wěn)譜控制系統(tǒng)6的輸入端和自 然Y能譜測量探頭4相連接，輸出端通過數(shù)據(jù)接口 8和煤質(zhì)辨識系統(tǒng)10相連接，采用內(nèi)置的溫度校正曲線對自然Y能譜測量探頭4的放大系數(shù)進行粗調(diào)，并根據(jù)典型放射元素特征能量進行細調(diào)，保證自然Y測量探頭4的輸出精度；所述電脈沖分析系統(tǒng)7的輸入端和信號放大器5相連接，輸出端通過數(shù)據(jù)接口 8和煤質(zhì)辨識系統(tǒng)10相連接，將信號放大器傳來的電脈沖信號，根據(jù)脈沖幅度分多個能量窗進行脈沖計數(shù)；所述煤質(zhì)辨識系統(tǒng)10的輸入端通過數(shù)據(jù)接口 8分別和穩(wěn)譜控制系統(tǒng)6以及電脈沖分析系統(tǒng)7相連接，輸出端和電廠的控制系統(tǒng)相連接，根據(jù)電脈沖分析系統(tǒng)7各能量窗脈沖計數(shù)值，獲得目標(biāo)煤粉的自然Y輻射譜的特征向量，在預(yù)先標(biāo)定好的各典型煤質(zhì)自然Y輻射譜特征向量庫中基于最小化自然Y輻射譜特征向量偏差的原則進行入爐煤的煤種組分的辨識，并根據(jù)各典型煤種的煤質(zhì)參數(shù)采用下式(I)的計算方法計算入爐煤的發(fā)熱量、揮發(fā)分、灰分和水分。
NMabj = X MiOCi(I)
;=1式中Mtjbj表示所求的入爐煤的發(fā)熱量、揮發(fā)分、灰分或水分參數(shù)Wi表示與所求參數(shù)對應(yīng)的第i組分的發(fā)熱量、揮發(fā)分、灰分或水分參數(shù)；a i表示辨識出來的第i組分所占的質(zhì)量百分比；N為辨識出來的組成被測煤的典型煤種數(shù)量。所述自然Y能譜測量探頭4由低鉀NaI晶體和光電倍增管組成，安裝于煤粉的輸送通道側(cè)壁上。上述所述的基于自然伽馬譜分析的火電廠煤質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，首先，燃煤輸送通道I內(nèi)輸送的煤2中灰分所含放射性元素不斷放出的部分自然Y射線被安裝于通道側(cè)壁上的自然Y能譜測量探頭4吸收，轉(zhuǎn)換為電信號送到信號放大器5放大后輸出可供脈沖分析的電脈沖信號并送至電脈沖分析系統(tǒng)7;與此同時，穩(wěn)譜控制系統(tǒng)6通過安裝于自然Y能譜測量探頭4內(nèi)部的溫度傳感器，獲得溫度信號，根據(jù)穩(wěn)譜控制系統(tǒng)6內(nèi)置的溫度校正曲線對自然Y能譜測量探頭4的放大系數(shù)進行粗調(diào)，并根據(jù)典型放射元素特征能量進行細調(diào)，保證自然Y能譜測量探頭4的輸出精度；隨后，電脈沖分析系統(tǒng)7根據(jù)設(shè)置的多個能量窗，對接收到的對應(yīng)能量的脈沖進行計數(shù)，并以At時間為周期進行計數(shù)結(jié)果的保存并傳遞給煤質(zhì)辨識系統(tǒng)10，隨后，煤質(zhì)辨識系統(tǒng)10以Λ t時間為周期，統(tǒng)計當(dāng)前時間之前η個At時間內(nèi)各能量窗的計數(shù)結(jié)果，生成測量煤質(zhì)自然Y輻射特征編碼，煤質(zhì)辨識系統(tǒng)10內(nèi)部的智能辨識算法對已知煤種的特征編碼進行組合，并與實測特征編碼進行比較，直至最小化自然Y輻射譜特征向量輸出偏差，辨識得出各典型煤種的摻混比例Qi,據(jù)此參考各煤種樣本的發(fā)熱量、揮發(fā)分、灰分和水分，根據(jù)式(I)計算被測燃煤的混合發(fā)熱量、揮發(fā)分、灰分和水分，供電廠的控制系統(tǒng)使用。本發(fā)明基于自然伽馬譜分析的火電廠煤質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的核心測量方法主要基于來自同一礦源或同一礦區(qū)的燃煤礦層環(huán)境在地理上具有極為類似的成巖、沉積環(huán)境、搬運過程和風(fēng)化程度等地質(zhì)作用，因此其所含天然放射性元素的組成比例極為類似。燃煤的固定碳和揮發(fā)分中不含這類天然放射性元素，但燃煤中的灰分則含有這一組成比例的放射性成分。不同地質(zhì)特性對應(yīng)燃煤灰分的自然Y輻射特性表現(xiàn)為自然Y輻射譜中輻射能量分布的不同，這被用來標(biāo)識不同來源的煤種。由于電廠供給的燃煤普遍存在摻混和配煤摻燒的情況，本發(fā)明的煤質(zhì)在線監(jiān)測方法通過建立燃用煤質(zhì)自然Y輻射頻譜特征及其對應(yīng)的煤質(zhì)參數(shù)樣本庫，采用混合煤種自然Y輻射譜中輻射能量分布誤差最小化為目標(biāo)，通過參數(shù)辨識方法辨識出各已知煤種的摻混組分，從而根據(jù)樣本庫的煤質(zhì)參數(shù)計算實際入爐煤質(zhì)參數(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的測量方法采用基于采用煤種自然Y輻射譜特性辨識入爐煤種及其摻混組分，從而實現(xiàn)對于入爐煤質(zhì)參數(shù)的在線監(jiān)測。數(shù)據(jù)分析采用滑動統(tǒng)計的方法，采用η個At時間作為統(tǒng)計的計數(shù)周期，但每隔At時間即可輸出計算結(jié)果，在提高分析精度的同時也提高了響應(yīng)速度。該系統(tǒng)硬件不含任何放射源，對人體及環(huán)境無污染，可安裝于現(xiàn)有燃煤輸送路徑(給煤機傳送帶、磨煤機出口、粉管等)上，實時不間斷地分析送入鍋爐燃燒的燃煤發(fā)熱量、灰分、揮發(fā)分、水分等重要的煤質(zhì)參數(shù)，對電廠穩(wěn)定負(fù)荷的自動控制具有重要的意義。

圖1是本發(fā)明基于自然伽馬譜分析及參數(shù)辨識技術(shù)的火電廠煤質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明基于自然伽馬譜分析及參數(shù)辨識技術(shù)的火電廠煤質(zhì)在線監(jiān)測[0026]方法的流程框圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作更詳細的說明。如圖1所示，本發(fā)明一種基于自然伽馬譜分析的火電廠煤質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括自然Y能譜測量系統(tǒng)，和自然Y能譜測量系統(tǒng)相連接的穩(wěn)譜控制系統(tǒng)6以及電脈沖分析系統(tǒng)7，所述穩(wěn)譜控制系統(tǒng)6和電脈沖分析系統(tǒng)7通過數(shù)據(jù)接口 8和煤質(zhì)辨識系統(tǒng)10相連接，其中:穩(wěn)譜控制系統(tǒng)6、脈沖分析系統(tǒng)7與煤質(zhì)辨識系統(tǒng)10之間通過通信電纜9和數(shù)據(jù)接口8進行雙向通信；所述自然Y能譜測量系統(tǒng)包括包裹在火電廠煤粉輸送通道I上一定長度的鉛金屬層3形成的防輻射干擾測量區(qū)，在防輻射干擾測量區(qū)安裝的收集自然Y輻射射線的自然Y能譜測量探頭4，自然Y能譜測量探頭4由低鉀NaI晶體和光電倍增管組成，安裝于煤粉的輸送通道側(cè)壁上，和自然Y能譜測量探頭4相連接的信號放大器5;所述穩(wěn)譜控制系統(tǒng)6的輸入端和自然Y能譜測量探頭4相連接，輸出端通過數(shù)據(jù)接口 8和煤質(zhì)辨識系統(tǒng)10相連接，由于光電倍增管的放大系數(shù)隨溫度變化漂移嚴(yán)重，穩(wěn)譜控制系統(tǒng)6利用光電倍增管的高電壓調(diào)節(jié)來實時穩(wěn)譜控制，控制光電倍增管的放大系數(shù)，該控制系統(tǒng)不使用通常采用的放射性參考源，而是采用光電管放大系數(shù)的溫度校正曲線來實施粗調(diào)，以避免放射性污染和危險，配置在光電倍增管處的溫度傳感器實時測量光電倍增管的工作溫度，由于火電煤質(zhì)測量環(huán)境的溫度變化非常緩慢，且變化范圍較窄，因此基于預(yù)先標(biāo)定的溫度漂移曲線具備粗調(diào)的控制精度要求，其精確控制結(jié)合被測煤粉中放射性元素的特征能量峰值來進行精確調(diào)整；所述電脈沖分析系統(tǒng)7的輸入端和信號放大器5相連接，輸出端通過數(shù)據(jù)接口 8和煤質(zhì)辨識系統(tǒng)10相連接，將信號放大器傳來的電脈沖信號，根據(jù)脈沖幅度分多個能量窗進行脈沖計數(shù)；所述煤質(zhì)辨識系統(tǒng)10的輸入端通過數(shù)據(jù)接口 8分別和穩(wěn)譜控制系統(tǒng)6以及電脈沖分析系統(tǒng)7相連接，輸出端和電廠的控制系統(tǒng)相連接，煤質(zhì)辨識系統(tǒng)10通過通信電纜9接受數(shù)據(jù)并發(fā)送控制指令，根據(jù)電脈沖分析系統(tǒng)7各能量窗脈沖計數(shù)值，獲得目標(biāo)煤粉的自然Y輻射特征向量，根據(jù)預(yù)設(shè)的典型煤質(zhì)特征向量組進行目標(biāo)煤粉組分的辨識，確定各煤種的組分，并 在預(yù)先標(biāo)定好的各典型煤質(zhì)自然Y輻射譜特征向量庫中基于最小化自然Y輻射譜特征向量偏差的原則進行入爐煤的煤種組分的辨識，并根據(jù)各典型煤種的煤質(zhì)參數(shù)計算入爐煤的發(fā)熱量、揮發(fā)分、灰分和水分。如圖1和圖2所示，本發(fā)明一種基于自然伽馬譜分析的火電廠煤質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，首先，煤粉輸送通道I內(nèi)輸送的煤2中灰分所含放射性元素不斷放出的部分Y射線被安裝于通道側(cè)壁上的自然Y能譜測量探頭4吸收，轉(zhuǎn)換為電信號送到信號放大器5放大后輸出可供脈沖分析的電脈沖信號并送至電脈沖分析系統(tǒng)7 ;與此同時,穩(wěn)譜控制系統(tǒng)6通過安裝于自然Y能譜測量探頭4內(nèi)部的溫度傳感器，獲得溫度信號，根據(jù)穩(wěn)譜控制系統(tǒng)6內(nèi)置的溫度校正曲線對自然Y能譜測量探頭4的放大系數(shù)進行粗調(diào)，并根據(jù)典型放射元素特征能量進行細調(diào)，保證自然Y能譜測量探頭4的輸出精度；隨后，電脈沖分析系統(tǒng)7根據(jù)設(shè)置的多個能量窗，對接收到的對應(yīng)能量的脈沖進行計數(shù)，并以△ t時間為周期進行計數(shù)結(jié)果的保存并傳遞給煤質(zhì)辨識系統(tǒng)10，隨后，煤質(zhì)辨識系統(tǒng)10以At時間為周期，統(tǒng)計當(dāng)前時間之前η個At時間內(nèi)各能量窗的計數(shù)結(jié)果，生成測量煤質(zhì)自然Y輻射特征編碼，煤質(zhì)辨識系統(tǒng)10內(nèi)部的智能辨識算法對已知煤種的特征編碼進行組合，并與實測特征編碼進行比較，直至最小化自然Y輻射譜特征向量輸出偏差，辨識得出各典型煤種的摻混比例a i，據(jù)此參考各煤種樣本的發(fā)熱量、揮發(fā)分、灰分和水分，根據(jù)式(I)計算被測燃煤的混合發(fā)熱量、揮發(fā)分、灰分和水分，供電廠的控制系統(tǒng)使用。本發(fā)明系統(tǒng)的具體實施方法通過在脈沖分析系統(tǒng)7中設(shè)置三個以上的能量窗Wi,(i>3)，并對落入各能量窗Wi的電脈沖進行給定時間長度At內(nèi)的計數(shù)，計數(shù)結(jié)果以At時間為周期送入煤質(zhì)辨識系統(tǒng)。辨識系統(tǒng)滑動選取連續(xù)η個At時間內(nèi)的計數(shù)結(jié)果對被測燃煤的自然Y輻射譜分布特性進行特征編碼，通過只能參數(shù)辨識算法對已知煤種的特征編碼進行組合，并與實測特征編碼進行比較，直至最小化輸出誤差，辨識得出各已知煤種的摻混比例，據(jù)此參考各煤種樣本的發(fā)熱量和灰分等煤質(zhì)參數(shù)計算被測燃煤的混合發(fā)熱量和其它煤質(zhì)參數(shù)。由于計數(shù)周期時間At越長，計數(shù)結(jié)果反映的測量精度越高，但測量周期也被加大。
權(quán)利要求1.一種基于自然伽馬譜分析的火電廠煤質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:包括自然Y能譜測量系統(tǒng)和煤質(zhì)辨識系統(tǒng)(10)； 所述自然Y能譜測量系統(tǒng)，包括包裹在火電廠煤粉的輸送通道上一定長度的鉛金屬層(3)形成的防輻射干擾測量區(qū)，在防輻射干擾測量區(qū)安裝的收集自然Y輻射射線的自然Y能譜測量探頭(4)，和自然Y能譜測量探頭(4)相連接的信號放大器(5)、穩(wěn)譜控制系統(tǒng)(6)和電脈沖分析系統(tǒng)(7); 所述穩(wěn)譜控制系統(tǒng)(6)的輸入端和自然Y能譜測量探頭(4)相連接，輸出端通過數(shù)據(jù)接口(8)和煤質(zhì)辨識系統(tǒng)(10)相連接； 所述電脈沖分析系統(tǒng)(7)的輸入端和信號放大器(5)相連接，輸出端通過數(shù)據(jù)接口(8)和煤質(zhì)辨識系統(tǒng)(10)相連接，將信號放大器傳來的電脈沖信號，根據(jù)脈沖幅度分多個能量窗進行脈沖計數(shù)； 所述煤質(zhì)辨識系統(tǒng)(10)的輸入端通過數(shù)據(jù)接口(8)分別和穩(wěn)譜控制系統(tǒng)(6)以及電脈沖分析系統(tǒng)(7)相連接，輸出端和電廠的控制系統(tǒng)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述自然Y能譜測量探頭(4)由低鉀NaI晶體和光電倍增管組成，安裝于燃煤的輸送通道上。
專利摘要一種基于自然伽馬譜分析的火電廠煤質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括自然γ能譜測量系統(tǒng)和煤質(zhì)辨識系統(tǒng)；自然γ能譜測量系統(tǒng)包括自然γ測量探頭、信號放大器和與之相連的穩(wěn)譜控制系統(tǒng)及電脈沖分析系統(tǒng)，穩(wěn)譜控制系統(tǒng)和電脈沖分析系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)接口和煤質(zhì)辨識系統(tǒng)相連；監(jiān)測方法通過實時測量煤的自然γ輻射特征并根據(jù)煤質(zhì)和自然γ輻射特征樣本庫，辨識入爐煤種及其組分，計算煤質(zhì)參數(shù)；能夠快速、準(zhǔn)確、連續(xù)的對火電廠的煤質(zhì)進行在線監(jiān)測，滿足目前我國火電普遍煤質(zhì)變化顯著和配煤摻燒條件下自動控制系統(tǒng)對煤質(zhì)參數(shù)的實時監(jiān)測要求。
文檔編號G01N23/00GK203053892SQ20122057887
公開日2013年7月10日 申請日期2012年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月5日
發(fā)明者高林, 王田 申請人:西安熱工研究院有限公司