CN101246033A - 应用核辐射场理论测量粉煤灰料位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的应用核辐射场理论测量粉煤灰料位的方法，首先确定粉煤灰斗的边界条件；将灰斗中粉煤灰分界面近似成面状辐射体，并建立面状辐射体边界与灰斗边界条件的关系；根据分界面面状辐射体上空γ场照射量率的数学模型，建立γ照射量率与料位高度的对应关系；将实际测量的γ照射量率带入该对应关系中，即得到该γ照射量率对应的灰斗内料位高度。本发明方法利用核辐射场理论知识，将灰斗中粉煤灰分界面当作面状辐射体来考虑，建立面状辐射体上空γ场照射量率与灰斗内物位高度的关系，只需知道灰斗的边界条件及测量出γ场照射量率，即可得到灰斗内物位的高度。在实际应用中，切实可行，并且操作简单，数据准确。

Description

应用核辐射场理论测量粉煤灰料位的方法

技术领域

本发明为核辐射场理论在粉煤灰料位测量上的应用，具体涉及一种应用核辐射场理论进行测量粉煤灰料位的方法。

背景技术

目前，对粉煤灰的料位进行测量的方法一般分为三大类：

接触式料位测量方法：测量时，测量装置需要接触粉煤灰。常用的测量装置有浮子式料位计、电容式料位计、射频导纳式料位计、振动棒料位计等。由于测量装置直接接触粉煤灰，当粉煤灰温度很高时，致使测量装置的电子线路部分经常损坏，在工业化使用中，粉煤灰对测量装置的磨损影响也不可忽视。

半接触式料位测量方法：测量原理采用非接触式方法，但测量装置需要直接对准粉煤灰分界面，中间不能有遮挡物，安装时，对于储料仓的仓壁必须开孔。常用的测量装置有超声波料位计、微波(雷达)料位计等。由于超声波和微波穿透能力的限制，需要将超声波或者微波探头开孔安装于储料仓内，仓内的高温环境影响探头的工作，而且，粉煤灰的扬尘环境影响超声波和微波的工作，超声波和微波本身也存在测量盲区或者死区。

非接触式料位测量方法：测量原理采用非接触的方法，具体以γ射线方法为多，分为带辐射源的γ射线方法和无辐射源的γ射线方法。采用带辐射源的γ射线装置有核料位计或者γ物位计，由于具有辐射源，使用中受到限制。采用无辐射源的γ射线方法有专利号为ZL03115824.2，发明名称为《利用天然放射性测量物位的方法》的专利文本。其公开的方法核心是“标定测量到的放射性水平与容器内物位的对应关系，根据标定的放射性水平与容器内物位的对应关系，得到容器内的实际物位”，这种“标定物位对应关系”的方法，在粉煤灰的灰位测量中，由于粉煤灰的储料仓一般为钢制或者混凝土密闭结构，很难实现标定步骤，如果采用人工方法判断，通过人的视觉、声觉以及其它感觉器官，几乎不可能实现，只有通过仪器来实现标定物位对应关系，而仪器标定过程过于烦琐，一般很难采用。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用核辐射场理论测量粉煤灰料位的方法，利用粉煤灰具有的天然放射性成分发出γ射线来测定粉煤灰的料位，解决了现有技术的缺陷。

本发明所采用的技术方案是，应用核辐射场理论测量粉煤灰料位的方法，按以下步骤进行，

a.确定粉煤灰斗的边界条件

将测量物料γ照射量率的探头在灰斗外壁安装点所处的水平面作为灰斗的边界，得到灰斗的边界坐标尺寸：

H₁(a，-b，H)，H₂(a，b，H)，H₃(-a，b，H)，H₄(-a，-b，H)，

其中，H₁、H₂、H₃、H₄分别为灰斗边界的四个顶点，H为将灰斗近似成锥体后边界平面的高度，a，-a，b，-b分别为灰斗边界顶点的长、宽坐标尺寸；

b.将灰斗中粉煤灰分界面近似成面状辐射体，并建立面状辐射体边界与灰斗边界条件的关系

分界面面状辐射体顶点坐标位置为：

h₁(a_h，-b_h，h)、h₂(a_h，b_h，h)、h₃(-a_h，b_h，h)、h₄(-a_h，-b_h，h)，

其中，h₁、h₂、h₃、h₄分别为分界面面状辐射体的四个顶点，h为面状辐射体到边界平面的距离，a_h、-a_h、b_h、-b_h分别为面状辐射体顶点的长、宽坐标尺寸；

将步骤a得到的灰斗边界尺寸坐标带入上述分界面面状辐射体边界尺寸坐标，得到分界面面状辐射体顶点坐标位置与灰斗边界顶点坐标位置的关系：

$h_4(\frac{h-H}{H}\×a,\frac{h-H}{H}\×b,h),$ $h_3(\frac{h-H}{H}\×a,\frac{H-h}{H}\×b,h),$

$h_1(\frac{H-h}{H}\×a,\frac{h-H}{H}\×b,h),$ $h_2(\frac{H-h}{H}\×a,\frac{H-h}{H}\×b,h);$

c.根据分界面面状辐射体上空γ场照射量率数学模型，建立γ照射量率与料位高度的对应关系

建立分界面面状辐射体上空P点的γ场照射量率数学模型为

$I=\frac{\mathrm{kc\ρ}}{\mathrm{\μ}}\×h\×{\∫}_{\frac{h-H}{H}\×a}^{\frac{H-h}{H}\×a}{\∫}_{\frac{h-H}{H}\×b}^{\frac{H-h}{H}\×b}\frac{e^{-\mathrm{\μ}{r}_0}}{r_0^3}\mathrm{dydx},$

其中， $r_0=\sqrt{x^2+{(y+b)}^2+h^2},$ c为粉煤灰中放射性物质的含量，k为粉煤灰发出γ射线的γ常数，ρ为粉煤灰的密度，μ为粉煤灰层上方空气对γ射线的线性有效吸收系数；

确定

将确定的值带入上述数学模型，并求解该数学模型，得到γ照射量率与料位高度h的对应关系；

d.将实际测量得到的γ照射量率带入上步的对应关系中，即得到与该γ照射量率对应的灰斗内料位高度h。

本发明测量粉煤灰料位的方法是一种非接触式的料位测量方法，不使用辐射源，而且免除了繁杂的标定过程，实用性强，操作方便。

附图说明

图1是燃煤火力发电厂的电除尘灰斗示意图；

图2是灰斗的边界条件示意图；

图3是面状辐射体边界与灰斗的边界条件的关系模型图；

图4是理论计算的γ照射量率与料位高度h的对应曲线图；

图5是实际测量的γ照射量率与料位高度h的对应曲线图；

图6是理论计算结果与实际测量结果的曲线拟合图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在燃煤火力发电厂，煤粉经过充分燃烧后，形成渣、粉煤灰、废气等产物，其中，粉煤灰是由电除尘装置除尘收集在灰斗中，如图1，灰斗也就是粉煤灰的储料仓。采用本发明方法测量灰斗内粉煤灰料位的步骤如下：

(1)确定粉煤灰斗的边界条件

将测量物料γ照射量率的探头在灰斗外壁安装点所处的水平面作为灰斗的边界，此水平面称为边界平面。

一般可通过查施工图或者直接测量，得到灰斗的上述边界顶点的坐标尺寸，其坐标的建立如图2：

H₁(a，-b，H)，H₂(a，b，H)，H₃(-a，b，H)，H₄(-a，-b，H)，

其中，H₁、H₂、H₃、H₄分别为灰斗边界的四个顶点，H为将灰斗近似成锥体后边界平面的高度，也就是边界平面距离坐标原点的高度，a，-a，b，-b分别为灰斗边界顶点的长、宽坐标尺寸。

(2)将灰斗中粉煤灰分界面当作面状辐射体考虑，并建立分界面面状辐射体边界与灰斗边界条件的关系

如图3所示，分界面面状辐射体顶点坐标位置为：

h₁(a_h，-b_h，h)、h₂(a_h，b_h，h)、h₃(-a_h，b_h，h)、h₄(-a_h，-b_h，h)，

其中，h₁、h₂、h₃、h₄分别为分界面面状辐射体的四个顶点，h为面状辐射体到边界平面的距离，a_h、-a_h、b_h、-b_h分别为面状辐射体顶点的长、宽坐标尺寸；

将灰斗边界尺寸坐标带入分界面面状辐射体边界尺寸坐标，建立分界面面状辐射体顶点坐标位置与灰斗边界顶点坐标位置的关系，得到：

$h_4(\frac{h-H}{H}\×a,\frac{h-H}{H}\×b,h),$ $h_3(\frac{h-H}{H}\×a,\frac{H-h}{H}\×b,h),$

$h_1(\frac{H-h}{H}\×a,\frac{h-H}{H}\×b,h),$ $h_2(\frac{H-h}{H}\×a,\frac{H-h}{H}\×b,h).$

(3)根据分界面面状辐射体上空γ场照射量率数学模型，建立γ照射量率与料位高度的对应关系

根据核辐射场理论，高等教育试用教材《场论》中第91～91页所述，(马根和、赵廷业主编主审，1995年11月北京原子能出版社出版、发行)，γ场照射量率的数学模型为：

$I=\frac{\mathrm{kc\ρ}}{\mathrm{\μ}}{\∫}_{-a}^a{\∫}_{-b}^b{e}^{-\mathrm{\μ}{r}_0}\frac{H}{r_0^3}\mathrm{dxdy}$

将上步得到的对应关系带入上面的数学模型，得到分界面面状辐射体上空P点的γ场照射量率数学模型为：

$I=\frac{\mathrm{kc\ρ}}{\mathrm{\μ}}\×h\×{\∫}_{\frac{h-H}{H}\×a}^{\frac{H-h}{H}\×a}{\∫}_{\frac{h-H}{H}\×b}^{\frac{H-h}{H}\×b}\frac{e^{-\mathrm{\μ}{r}_0}}{r_0^3}\mathrm{dydx},$

P点如图3所示，为边界平面上，线段H₁H₂的中间点，

其中， $r_0=\sqrt{x^2+{(y+b)}^2+h^2};$ c为粉煤灰中放射性物质的含量；k为粉煤灰发出γ射线的γ常数；ρ为粉煤灰的密度；μ为粉煤灰层上方空气对γ射线的线性有效吸收系数，通常，μ＝4.0×10^-3m^-1，也可以实际测量确定。

确定

采用任一套γ总量测量核仪表，可分别测量出k、c、ρ参数，然后计算出结果

也可以直接将

当作一项参数来测量结果。

(4)建立γ照射量率与料位高度的对应关系

将确定的

值带入γ场照射量率数学模型，并求解该数学模型，得到γ照射量率与料位高度h的对应关系。

将照射量率与高度的对应关系采用电子学或者计算机技术处理，即可得到两者之间的对应关系，可制成对应关系表或对应曲线图。

例如，灰斗尺寸及参数为H＝5米、a＝2.1米、b＝1.9米、 $\frac{\mathrm{kc\ρ}}{\mathrm{\μ}}=12000,$ μ＝4.0×10^-3m^-1时，求解模型 $I=\frac{\mathrm{kc\ρ}}{\mathrm{\μ}}\×h\×{\∫}_{\frac{h-H}{H}\×a}^{\frac{H-h}{H}\×a}{\∫}_{\frac{h-H}{H}\×b}^{\frac{H-h}{H}\×b}\frac{e^{-\mathrm{\μ}{r}_0}}{r_0^3}\mathrm{dydx},$ 可得出图4所示的γ照射量率与料位高度h的对应曲线图，也可得出γ照射量率与料位高度h的对应关系表，如表1。

表1

γ照射量率	3581	6308	7930	8651	8776	8549	8135	7632	7100	6573
											对应高度/mm	200	400	600	800	1000	1200	1400	1600	1800	2000
γ照射量率	6068	5594	5156	4754	4387	4052	3749	3473	3223	2995
											对应高度/mm	2200	2400	2600	2800	3000	3200	3400	3600	3800	4000

(6)将实际测量的γ照射量率带入上述对应关系中，即得到与该γ照射量率对应的灰斗内料位高度。

应用常规的γ总量类核仪表办法，对储料仓内的粉煤灰进行测量，可得到粉煤灰的γ照射量率，对照γ照射量率与料位高度h的对应关系表或者对应曲线图，即可得到储料仓中粉煤灰的料位高度。

按照本发明的方法，对XX燃煤电厂6号机组1号除尘器B侧1电场2号灰斗进行测量，测量时间为2005年4月。测量的灰斗内物料的γ照射量率如表2：

表2

测量时间	8:00	8:30	9:00	9:30	10:00	10:30	11:00	11:30	12:00
										γ总量(扣本底)	3622	6279	7291	7809	7993	7436	7134	6589	6244
测量时间	12:30	13:00	13:30	14:00	14:30	15:00	15:30	16:00	16:30
										γ总量(扣本底)	6323	6048	6118	5380	4696	4305	3930	3719	3358

根据表2的γ照射量率，采用本发明的方法计算出灰斗内物料的高度如表3：

表3

测量时间	8:00	8:30	9:00	9:30	10:00	10:30	11:00	11:30	12:00
										γ总量(扣本底)	3622	6279	7291	7809	7993	7436	7134	6589	6244
计算高度/mm	200	400	600	800	1000	1200	1400	1600	1800
										测量时间	12:30	13:00	13:30	14:00	14:30	15:00	15:30	16:00	16:30
γ总量(扣本底)	6323	6048	6118	5380	4696	4305	3930	3719	3358
										计算高度/mm	2000	2200	2400	2600	2800	3000	3200	3400	3600

图5所示的是实际测量的粉煤灰料位曲线，图6为理论计算结果与实际测量结果的曲线拟合图，从图中可以看出，本发明方法得到的结果与实际测量的结果很好的拟合，验证了本发明方法的准确性。

本发明方法利用核辐射场理论知识，将灰斗中粉煤灰分界面当作面状辐射体来考虑，建立面状辐射体上空γ场照射量率与灰斗内物位高度的关系，只需知道灰斗的边界条件及测量出γ场照射量率，即可得到灰斗内物位的高度。在实际应用中，切实可行，并且操作简单，数据准确。

Claims (1)

1.一种应用核辐射场理论测量粉煤灰料位的方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行，

a.确定粉煤灰斗的边界条件

将测量物料γ照射量率的探头在灰斗外壁安装点所处的水平面作为灰斗的边界，得到灰斗的边界坐标尺寸：

H₁(a，-b，H)，H₂(a，b，H)，H₃(-a，b，H)，H₄(-a，-b，H)，

其中，H₁、H₂、H₃、H₄分别为灰斗边界的四个顶点，H为将灰斗近似成锥体后边界平面的高度，a，-a，b，-b分别为灰斗边界顶点的长、宽坐标尺寸；

b.将灰斗中粉煤灰分界面近似成面状辐射体，并建立面状辐射体边界与灰斗边界条件的关系

分界面面状辐射体顶点坐标位置为：

h₁(a_h，-b_h，h)、h₂(a_h，b_h，h)、h₃(-a_h，b_h，h)、h₄(-a_h，-b_h，h)，

其中，h₁、h₂、h₃、h₄分别为分界面面状辐射体的四个顶点，h为面状辐射体到边界平面的距离，a_h、-a_h、b_h、-b_h分别为面状辐射体顶点的长、宽坐标尺寸；

将步骤a得到的灰斗边界尺寸坐标带入上述分界面面状辐射体边界尺寸坐标，得到分界面面状辐射体顶点坐标位置与灰斗边界顶点坐标位置的关系：

$h_4(\frac{h-H}{H}\×a,\frac{h-H}{H}\×b,h),$ $h_3(\frac{h-H}{H}\×a,\frac{H-h}{H}\×b,h),$

$h_1(\frac{h-H}{H}\×a,\frac{h-H}{H}\×b,h),$ $h_2(\frac{h-H}{H}\×a,\frac{H-h}{H}\×b,h);$

c.根据分界面面状辐射体上空γ场照射量率数学模型，建立γ照射量率与料位高度的对应关系

建立分界面面状辐射体上空P点的γ场照射量率数学模型为

$I=\frac{\mathrm{kc\ρ}}{\mathrm{\μ}}\×h\×{\∫}_{\frac{h-H}{H}\×a}^{\frac{H-h}{H}\×a}{\∫}_{\frac{h-H}{H}\×b}^{\frac{H-h}{H}\×b}\frac{e^{-\mathrm{\μ}{r}_0}}{r_0^3}\mathrm{dydx},$

其中， $r_0=\sqrt{x^2+{(y+b)}^2+h^2},$ c为粉煤灰中放射性物质的含量，k为粉煤灰发出γ射线的γ常数，ρ为粉煤灰的密度，μ为粉煤灰层上方空气对γ射线的线性有效吸收系数；

确定

将确定的

值带入上述数学模型，并求解该数学模型，得到γ照射量率与料位高度h的对应关系；

d.将实际测量得到的γ照射量率带入上步的对应关系中，即得到与该γ照射量率对应的灰斗内料位高度h。

Images