CN102954971B - 基于自然伽马谱分析的火电厂煤质在线监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于自然伽马谱分析的火电厂煤质在线监测系统及方法，该系统包括自然γ能谱测量系统和煤质辨识系统；自然γ能谱测量系统包括自然γ测量探头、信号放大器和与之相连的稳谱控制系统及电脉冲分析系统，稳谱控制系统和电脉冲分析系统通过数据接口和煤质辨识系统相连；监测方法为：通过实时测量煤的自然γ辐射特征并根据煤质和自然γ辐射特征样本库，辨识入炉煤种及其组分，计算煤质参数；能够快速、准确、连续的对火电厂的煤质进行在线监测，满足目前我国火电普遍煤质变化显著和配煤掺烧条件下自动控制系统对煤质参数的实时监测要求。

Description

基于自然伽马谱分析的火电厂煤质在线监测系统及方法

技术领域

本发明涉及燃煤火力发电测控技术领域，具体涉及一种火电机组入炉煤质在线监测系统及方法。

背景技术

由于发电用燃煤的市场化，电厂的燃煤供应很难保证一直燃用设计煤种，绝大多数火电厂的供给煤种类繁多，煤质波动较大，普遍存在配煤掺烧的现象，这对发电机组的自动控制带来极大的难度，尤其对于现代超临界和超超临界大功率机组，煤质的不稳定严重制约了机组控制和调节的性能。对入炉燃烧的煤质进行实时的在线监测，是锅炉燃烧调整和机组协调控制的迫切要求。

目前，煤质在线监测技术主要分为五大类，以现有国内外相关专利为例，主要技术分别采用X射线、γ射线、光分析、间接计算和采样燃烧分析方法。其中精度较高应用最为广泛的是基于X射线和γ射线的分析方法，这两类方法都采用放射源发出辐射线对煤试样进行分析，对人体有害，因此一般都在密闭容器内以采样的方式进行分析，不能实现在线的连续监测。采样燃烧和大部分光分析方法也存在同样的问题，这也是目前煤质在线连续监测技术的主要瓶颈。

自然γ辐射与有源的γ辐射和X射线辐射不同，是指天然矿物内部原生的极微量放射性元素发出的辐射线，在自然界的岩石、泥土中是广泛存在的，也称天然γ辐射，是自然环境本底辐射的一部分，因此，基于检测自然γ辐射技术的设备并不附加任何有害放射线，对人体无害。

自然γ射线来自天然放射性元素，主要包括铀系、锕系、钍系元素和K40(钾)、Rb87(铷)等。岩石和粘土中一般都含有不同数量的放射性元素，并且不断地放出γ射线。不同的元素放出的γ射线能量是不同的，K40只能发出1.46MeV的γ射线，钍系大部分γ射线分布在1.3MeV以下，在2.62MeV处有明显峰值，铀系有各种能量的γ射线，大部分都分布在1.3MeV以下，在1.76MeV处有明显峰值。

地层中放射性元素的含量的多少，是由含有放射性元素的母岩，经过长期的地质作用，不断分离和重新分布而形成的。它与岩石的类型、沉积环境、搬运过程、成岩后生作用、风化程度等等因素有关，这样，我们就可以通过测量出岩石中各种放射性元素的相对含量，并推出上述各因素，从而应用于油田和煤矿的勘探开发。

石油和煤炭勘探工业上广泛采用的自然γ测井，一般采用三能窗法，即捕捉1.46MeV、1.76MeV和2.62MeV特征能量的γ射线强度，求解K40、铀系和钍系元素含量的比例，从而用于寻找含石油的岩层或确定煤层的位置。

此外，因煤中固定碳和挥发分中都不含放射性元素，因此对于同一灰分成分的煤种来说，自然γ辐射强度正比于煤中灰分的含量，其线性标准差可达0.6-1.3%。这被用于煤的灰分仪，通过对煤矿样本的预先校正，采用该原理的灰分仪测量自然γ辐射强度来检测煤堆、火车或汽车车厢内的煤和传送带上煤的灰分。但这种灰分的测量仅局限于同一煤层或同一煤矿的煤，而目前我国电站燃烧的煤炭存在煤质变化显著且大量配煤掺烧的情况，因此，采用该技术的灰分仪无法直接用于电站煤质的在线监测。

以上信息表明，现有γ射线煤质监测技术是在密闭容器内，采用放射源发出的γ射线照射煤样，根据煤内各成分吸收γ辐射的不同特性来进行煤质的监测的；现有自然γ辐射检测用于煤和石油的勘探中是采用三种易识别特征频率的γ辐射强度用来辅助判断地层的岩性，根据辐射强度的变化来辅助寻找煤层和油层，是诸多测井中的一种，不单独使用，需结合其它类型（声、电等）测井通过人工分析的方法进行地质勘探；现有应用于原煤的自然γ辐射检测通过检测煤的自然γ辐射强度用来进行煤矿出产的单一煤种灰分的估计，只对预设的单一煤种有效，无法获得其它煤质参数。

发明内容

为了解决现有煤质在线监测技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于自然伽马谱分析的火电厂煤质在线监测系统及方法，能够快速、准确、连续的对火电厂的煤质进行在线监测，满足目前我国火电普遍煤质变化显著和配煤掺烧条件下自动控制系统对煤质参数的实时监测要求。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于自然伽马谱分析的火电厂煤质在线监测系统，包括自然γ能谱测量系统和煤质辨识系统10；

所述自然γ能谱测量系统，包括包裹在火电厂燃煤输送通道上一定长度的铅金属层3形成的防宇宙辐射干扰测量区，在防辐射干扰测量区安装的收集自然γ辐射射线的自然γ能谱测量探头4，和自然γ能谱测量探头4相连接的信号放大器5、稳谱控制系统6和电脉冲分析系统7；

所述稳谱控制系统6的输入端和自然γ能谱测量探头4相连接，输出端通过数据接口8和煤质辨识系统10相连接，采用内置的温度校正曲线对自然γ能谱测量探头4的放大系数进行粗调，并根据典型放射元素特征能量进行细调，保证自然γ测量探头4的输出精度；

所述电脉冲分析系统7的输入端和信号放大器5相连接，输出端通过数据接口8和煤质辨识系统10相连接，将信号放大器传来的电脉冲信号，根据脉冲幅度分多个能量窗进行脉冲计数；

所述煤质辨识系统10的输入端通过数据接口8分别和稳谱控制系统6以及电脉冲分析系统7相连接，输出端和电厂的控制系统相连接，根据电脉冲分析系统7各能量窗脉冲计数值，获得目标煤粉的自然γ辐射谱的特征向量，在预先标定好的各典型煤质自然γ辐射谱特征向量库中基于最小化自然γ辐射谱特征向量偏差的原则进行入炉煤的煤种组分的辨识，并根据各典型煤种的煤质参数采用下式（1）的计算方法计算入炉煤的发热量、挥发分、灰分和水分。

$M_{\mathrm{obj}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i{\mathrm{\α}}_i---\left(1\right)$

式中M_obj表示所求的入炉煤的发热量、挥发分、灰分或水分参数；M_i表示与所求参数对应的第i组分的发热量、挥发分、灰分或水分参数；α_i表示辨识出来的第i组分所占的质量百分比；N为辨识出来的组成被测煤的典型煤种数量。

所述自然γ能谱测量探头4由低钾NaI晶体和光电倍增管组成，安装于煤粉的输送通道侧壁上。

上述所述的基于自然伽马谱分析的火电厂煤质在线监测系统的监测方法，通过实时测量煤的自然γ辐射特征并根据煤质和自然γ辐射特征样本库，辨识入炉煤种及其组分，计算煤质参数。

所述通过实时测量煤的自然γ辐射特征并根据煤质和自然γ辐射特征样本库，辨识入炉煤种及其组分，计算煤质参数的具体方法为：首先，燃煤输送通道1内输送的煤2中灰分所含放射性元素不断放出的部分自然γ射线被安装于通道侧壁上的自然γ能谱测量探头4吸收，转换为电信号送到信号放大器5放大后输出可供脉冲分析的电脉冲信号并送至电脉冲分析系统7；与此同时，稳谱控制系统6通过安装于自然γ能谱测量探头4内部的温度传感器，获得温度信号，根据稳谱控制系统6内置的温度校正曲线对自然γ能谱测量探头4的放大系数进行粗调，并根据典型放射元素特征能量进行细调，保证自然γ能谱测量探头4的输出精度；随后，电脉冲分析系统7根据设置的多个能量窗，对接收到的对应能量的脉冲进行计数，并以Δt时间为周期进行计数结果的保存并传递给煤质辨识系统10，随后，煤质辨识系统10以Δt时间为周期，统计当前时间之前n个Δt时间内各能量窗的计数结果，生成测量煤质自然γ辐射特征编码，煤质辨识系统10内部的智能辨识算法对已知煤种的特征编码进行组合，并与实测特征编码进行比较，直至最小化自然γ辐射谱特征向量输出偏差，辨识得出各典型煤种的掺混比例α_i，据此参考各煤种样本的发热量、挥发分、灰分和水分，根据式（1）计算被测燃煤的混合发热量、挥发分、灰分和水分，供电厂的控制系统使用。

本发明基于自然伽马谱分析的火电厂煤质在线监测系统的核心测量方法主要基于来自同一矿源或同一矿区的燃煤矿层环境在地理上具有极为类似的成岩、沉积环境、搬运过程和风化程度等地质作用，因此其所含天然放射性元素的组成比例极为类似。燃煤的固定碳和挥发分中不含这类天然放射性元素，但燃煤中的灰分则含有这一组成比例的放射性成分。不同地质特性对应燃煤灰分的自然γ辐射特性表现为自然γ辐射谱中辐射能量分布的不同，这被用来标识不同来源的煤种。由于电厂供给的燃煤普遍存在掺混和配煤掺烧的情况，本发明的煤质在线监测方法通过建立燃用煤质自然γ辐射频谱特征及其对应的煤质参数样本库，采用混合煤种自然γ辐射谱中辐射能量分布误差最小化为目标，通过参数辨识方法辨识出各已知煤种的掺混组分，从而根据样本库的煤质参数计算实际入炉煤质参数。

与现有技术相比，本发明的测量方法采用基于采用煤种自然γ辐射谱特性辨识入炉煤种及其掺混组分，从而实现对于入炉煤质参数的在线监测。数据分析采用滑动统计的方法，采用n个Δt时间作为统计的计数周期，但每隔Δt时间即可输出计算结果，在提高分析精度的同时也提高了响应速度。该系统硬件不含任何放射源，对人体及环境无污染，可安装于现有燃煤输送路径（给煤机传送带、磨煤机出口、粉管等）上，实时不间断地分析送入锅炉燃烧的燃煤发热量、灰分、挥发分、水分等重要的煤质参数，对电厂稳定负荷的自动控制具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明基于自然伽马谱分析及参数辨识技术的火电厂煤质在线监测系统的组成结构图。

图2是本发明基于自然伽马谱分析及参数辨识技术的火电厂煤质在线监测方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作更详细的说明。

如图1所示，本发明一种基于自然伽马谱分析的火电厂煤质在线监测系统，包括自然γ能谱测量系统，和自然γ能谱测量系统相连接的稳谱控制系统6以及电脉冲分析系统7，所述稳谱控制系统6和电脉冲分析系统7通过数据接口8和煤质辨识系统10相连接，其中：稳谱控制系统6、脉冲分析系统7与煤质辨识系统10之间通过通信电缆9和数据接口8进行双向通信；所述自然γ能谱测量系统包括包裹在火电厂煤粉输送通道1上一定长度的铅金属层3形成的防辐射干扰测量区，在防辐射干扰测量区安装的收集自然γ辐射射线的自然γ能谱测量探头4，自然γ能谱测量探头4由低钾NaI晶体和光电倍增管组成，安装于煤粉的输送通道侧壁上，和自然γ能谱测量探头4相连接的信号放大器5；所述稳谱控制系统6的输入端和自然γ能谱测量探头4相连接，输出端通过数据接口8和煤质辨识系统10相连接，由于光电倍增管的放大系数随温度变化漂移严重，稳谱控制系统6利用光电倍增管的高电压调节来实时稳谱控制，控制光电倍增管的放大系数，该控制系统不使用通常采用的放射性参考源，而是采用光电管放大系数的温度校正曲线来实施粗调，以避免放射性污染和危险，配置在光电倍增管处的温度传感器实时测量光电倍增管的工作温度，由于火电煤质测量环境的温度变化非常缓慢，且变化范围较窄，因此基于预先标定的温度漂移曲线具备粗调的控制精度要求，其精确控制结合被测煤粉中放射性元素的特征能量峰值来进行精确调整；所述电脉冲分析系统7的输入端和信号放大器5相连接，输出端通过数据接口8和煤质辨识系统10相连接，将信号放大器传来的电脉冲信号，根据脉冲幅度分多个能量窗进行脉冲计数；所述煤质辨识系统10的输入端通过数据接口8分别和稳谱控制系统6以及电脉冲分析系统7相连接，输出端和电厂的控制系统相连接，煤质辨识系统10通过通信电缆9接受数据并发送控制指令，根据电脉冲分析系统7各能量窗脉冲计数值，获得目标煤粉的自然γ辐射特征向量，根据预设的典型煤质特征向量组进行目标煤粉组分的辨识，确定各煤种的组分，并在预先标定好的各典型煤质自然γ辐射谱特征向量库中基于最小化自然γ辐射谱特征向量偏差的原则进行入炉煤的煤种组分的辨识，并根据各典型煤种的煤质参数计算入炉煤的发热量、挥发分、灰分和水分。

如图1和图2所示，本发明一种基于自然伽马谱分析的火电厂煤质在线监测系统的监测方法，首先，煤粉输送通道1内输送的煤2中灰分所含放射性元素不断放出的部分γ射线被安装于通道侧壁上的自然γ能谱测量探头4吸收，转换为电信号送到信号放大器5放大后输出可供脉冲分析的电脉冲信号并送至电脉冲分析系统7；与此同时，稳谱控制系统6通过安装于自然γ能谱测量探头4内部的温度传感器，获得温度信号，根据稳谱控制系统6内置的温度校正曲线对自然γ能谱测量探头4的放大系数进行粗调，并根据典型放射元素特征能量进行细调，保证自然γ能谱测量探头4的输出精度；随后，电脉冲分析系统7根据设置的多个能量窗，对接收到的对应能量的脉冲进行计数，并以Δt时间为周期进行计数结果的保存并传递给煤质辨识系统10，随后，煤质辨识系统10以Δt时间为周期，统计当前时间之前n个Δt时间内各能量窗的计数结果，生成测量煤质自然γ辐射特征编码，煤质辨识系统10内部的智能辨识算法对已知煤种的特征编码进行组合，并与实测特征编码进行比较，直至最小化自然γ辐射谱特征向量输出偏差，辨识得出各典型煤种的掺混比例α_i，据此参考各煤种样本的发热量、挥发分、灰分和水分，根据式（1）计算被测燃煤的混合发热量、挥发分、灰分和水分，供电厂的控制系统使用。

本发明系统的具体实施方法通过在脉冲分析系统7中设置三个以上的能量窗Wi,（i>3），并对落入各能量窗Wi的电脉冲进行给定时间长度Δt内的计数，计数结果以Δt时间为周期送入煤质辨识系统。辨识系统滑动选取连续n个Δt时间内的计数结果对被测燃煤的自然γ辐射谱分布特性进行特征编码，通过只能参数辨识算法对已知煤种的特征编码进行组合，并与实测特征编码进行比较，直至最小化输出误差，辨识得出各已知煤种的掺混比例，据此参考各煤种样本的发热量和灰分等煤质参数计算被测燃煤的混合发热量和其它煤质参数。由于计数周期时间Δt越长，计数结果反映的测量精度越高，但测量周期也被加大。

Claims (4)

1.一种基于自然伽马谱分析的火电厂煤质在线监测系统，其特征在于：包括自然γ能谱测量系统和煤质辨识系统(10)；

所述自然γ能谱测量系统，包括包裹在火电厂煤粉的输送通道上一定长度的铅金属层(3)形成的防辐射干扰测量区，在防辐射干扰测量区安装的收集自然γ辐射射线的自然γ能谱测量探头(4)，和自然γ能谱测量探头(4)相连接的信号放大器(5)、稳谱控制系统(6)和电脉冲分析系统(7)；

所述稳谱控制系统(6)的输入端和自然γ能谱测量探头(4)相连接，输出端通过数据接口(8)和煤质辨识系统(10)相连接，采用内置的温度校正曲线对自然γ能谱测量探头(4)的放大系数进行粗调，并根据典型放射元素特征能量进行细调，保证自然γ测量探头(4)的输出精度；

所述电脉冲分析系统(7)的输入端和信号放大器(5)相连接，输出端通过数据接口(8)和煤质辨识系统(10)相连接，将信号放大器传来的电脉冲信号，根据脉冲幅度分多个能量窗进行脉冲计数；

所述煤质辨识系统(10)的输入端通过数据接口(8)分别和稳谱控制系统(6)以及电脉冲分析系统(7)相连接，输出端和电厂的控制系统相连接，电脉冲分析系统(7)根据设置的多个能量窗，对接收到的对应能量的脉冲进行计数，并以Δt时间为周期进行计数结果的保存并传递给煤质辨识系统(10)，随后，煤质辨识系统(10)以Δt时间为周期，统计当前时间之前n个Δt时间内各能量窗的计数结果，生成测量煤质自然γ辐射特征编码，煤质辨识系统(10)内部的智能辨识算法对已知煤种的特征编码进行组合，并与实测特征编码进行比较，直至最小化自然γ辐射谱特征向量输出偏差，辨识得出各典型煤种的掺混比例α_i，据此参考各煤种样本的发热量、挥发分、灰分和水分，根据组分加权平均计算被测燃煤的混合发热量、挥发分、灰分和水分，供电厂的控制系统使用。

2.根据权利要求1所述的在线监测系统，其特征在于：所述自然γ能谱测量探头(4)由低钾NaI晶体和光电倍增管组成，安装于燃煤的输送通道上。

3.一种使用权利要求1或2所述的在线监测系统所进行的在线监测方法，其特征在于：通过实时测量煤的自然γ辐射特征并根据煤质和自然γ辐射特征样本库，辨识入炉煤种及其组分，计算煤质参数。

4.根据权利要求3所述在线监测方法，其特征在于：所述通过实时测量煤的自然γ辐射特征并根据煤质和自然γ辐射特征样本库，辨识入炉煤种及其组分，计算煤质参数的具体方法为：首先，煤粉输送通道(1)内输送的煤(2)中灰分所含放射性元素不断放出的部分γ射线被安装于通道侧壁上的自然γ能谱测量探头(4)吸收，转换为电信号送到信号放大器(5)放大后送至电脉冲分析系统(7)；与此同时，稳谱控制系统(6)通过安装于自然γ能谱测量探头(4)内部的温度传感器，获得温度信号，根据稳谱控制系统(6)内置的温度校正曲线对自然γ能谱测量探头(4)的放大系数进行粗调，并根据典型放射元素特征能量进行细调，保证自然γ能谱测量探头(4)的输出精度；随后，电脉冲分析系统(7)根据设置的多个能量窗，对接收到的对应能量的脉冲进行计数，并以Δt时间为周期进行计数结果的保存并传递给煤质辨识系统(10)，随后，煤质辨识系统(10)以Δt时间为周期，统计当前时间之前n个Δt时间内各能量窗的计数结果，生成测量煤质自然γ辐射特征编码，煤质辨识系统(10)内部的智能辨识算法对已知煤种的特征编码进行组合，并与实测特征编码进行比较，直至最小化自然γ辐射谱特征向量输出偏差，辨识得出各典型煤种的掺混比例α_i，据此参考各煤种样本的发热量、挥发分、灰分和水分，根据组分加权平均计算被测燃煤的混合发热量、挥发分、灰分和水分，供电厂的控制系统使用。