CN110161058A - 煤发热量在线测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种煤发热量在线测量系统是由料斗、分料管、输送机、水分测量装置、灰分测量装置、数据采集控制器以及离线挥发检测仪构成。数据采集控制器采集水分装置的水分信号M_测、灰分测量装置的灰分信号A_测以及挥发分检测仪的挥发分信号V_测，并按Q＝K_Q×f(M_测，A_测，V_测)测量数学模型计算出煤发热量Q值，其中K_Q是发热量标定系数。本发明还公开了一种煤发热量Q的测量方法。

Description

煤发热量在线测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及煤质工业分析的煤质参数测量技术，特别涉及煤发热量在线测量系统及其测量方法。

背景技术

煤炭是我国主要能源之一，煤的发热量是煤炭的重要参数，无论是煤炭生产单位，如煤矿、洗煤厂，还是使用单位如，燃煤电厂、焦化厂、钢铁厂以及动力配煤等都需要测量煤的发热量，特别是生产加工过程或是燃烧过程，更需要在线测量煤的发热量，以便实时控制，达到提高煤加工质量和提高燃烧效率。目前煤加工和实际应用中，发热量大都采用离线测量方法，测量时间长，不能实现实时控制，迫切要求煤发热量在线测量。经查悉，有西安热工研究院有限公司研发的XL-4388煤发热量在线监测仪，它是采用高低能两个γ射线源测量煤的灰分，但由于γ射线源要求管理严格、退役后对环境产生一定影响以及辐射安全性差等，至今尚未得到广泛应用。

针对上述情况，本发明公开了一种“煤发热量在线测量系统及其测量方法”。本系统采用低能X射线测量技术，它具有高鉴别力、高稳定性和辐射安全性高等特点。

发明内容

本发明解决的技术问题：

1、根据煤质工业分析方法确定煤发热量Q是煤水分M、煤灰分A和煤挥发分V的三元函数，即Q＝f(M，A，V)，据此建立煤发热量在线测量系统的数学模型：

Q_计＝C-K₁M_测-K₂A_测-K₃V_测………(1)

Q_测＝K_Q×Q_计………(2)

2、确定在线测量M_测、A_测、V_测的测量技术方案和测量系统的机械结构；

3、建立煤发热量在线测量方法。

一种“煤发热量在线测量系统”，其特点包括：

料斗(1)安装在分料管(2)的上方，用于下料；

分料管(2)安装在输送机(3)或下料装置(11)的上方，用于分流多余物料并维持物料高度近似常数；

输送机(3)或下料装置(11)安装在外壳支架(9)上，用于输送来自分料管(2)内物料；

水分测量装置(4)安装在输送机(3)的上方和下方或安装在分料管(2)的两侧，用于测量物料水分，并给出其信号M_测；

灰分测量装置(5)安装在输送机(3)的上方和下方或安装在分料管(2)的两侧，用于测量物料灰分，并给出其信号A_测；

挥发分检测仪(7)用于测量物料挥发分，并给出其信号V_测；

外壳支架(9)安装在地基上，用于固定输送机(3)或下料装置(11)和破碎机(10)；

数据采集控制器(8)，用于接收M_测、A_测、V_测信号，并按测量数学模型：

Q_计＝C-K₁M_测-K₂A_测-K₃V_测………(1)

Q_测＝K_Q×Q_计………(2)

计算出煤发热量Q_测，

式中：Q_计——按公式(1)计算出的煤的发热量；

Q_测——按公式(2)算出的煤发热量；

K_Q——发热量标定系数；

C——煤种系数；

K₁——煤水分系数；

K₂——煤灰分系数；

K₃——煤挥发分系数；

M_测——水分测量装置测得的煤水分值；

A_测——灰分测量装置测得的煤灰分值；

V_测——挥发分测量仪测得的煤挥发分值。

煤发热量在线测量系统，其特点是还包括一台破碎机(10)，安装在料斗(1)的上方，用于破碎物料煤；

煤发热量在线测量系统，其特点是所述水分测量装置是微波式水分测量装置；

煤发热量在线测量系统，其特点是所述微波式水分测量装置包括：

高度测量装置(4-1)，安装在输送机上方，用于测量煤的高度，并给出其信号h_测；

微波发生器(4-2)，安装在输送机上方，用于发生微波信号；

微波信号接收器(4-3)，安装在输送机下方，用于接收微波信号并给出其水分信号M，M＝f(ΔE，ΔΦ)；

数据采集控制器8，根据采集信号h_测、M并按数学模型：

M_测＝K_m×K_ρ×M………(3)

计算出煤的水分；

式中：M_测——测量的水分；

M——微波接收器输出水分信号；

K_m——水分标定系数；

K_ρ——修正系数，K_ρ＝f[h_测，x_i]，其中x_i-单位面积上物料负荷；

h_测——煤的高度；

ΔE——微波通过被测物料后能量的变化；

Δφ——微波通过被测物料后相位的变化。

煤发热量在线测量系统，其特点是所述灰分测量装置是X射线式灰分测量装置；

煤发热量在线测量系统，其特点是所述X射线式灰分测量装置，包括：

高度测量装置(5-1)安装在输送机上方，用于测量煤的高度，并给出其信号h测；

X射线源(5-2)安装在输送机上方，用于发射X射线；

X射线探测器(5-3)安装在输送机下方，用于接收X射线并给出其信号U₀，U_测。

数据采集控制器(8)根据采集的信号h_测、U₀、U_测以及水分测量装置(4)测得的信号M_测，按数学模型：

计算出煤灰分A_测；

式中x_i——单位面积上物料负荷；

A_测——灰分测量装置测得的灰分值；

U_测——有物料时X射线探测器输出信号；

U₀——无物料时X射线探测器输出信号；

h_测——高度测量装置测得的物料厚度；

K_M——水分修正系数，K_M＝f(M_测)；

K_h——修正系数，K_h＝f(h_测)；

K_M——灰分标定系数。

煤发热量在线测量系统，其特点是所述输送机是皮带式输送机或螺旋式输送机；所述下料装置是给料机或是拨料机；

煤发热量在线测量系统，其特点是所述高度测量装置是激光式高度测重装置或是压轮-角位移式高度测量装置；

煤发热量在线测量系统，其特点是所述发热量Q的计算数学模型为：Q_计＝C-K₁M_测-K₂A_测-K₃V_测………(1)，其中的系数K₁、K₂、K₃是用以下方法确定的：

(1)对被测煤取N个煤样(N＞3)；

(2)用静态(离线)水分检测仪、灰分检测仪、挥发分检测仪和发热量检测仪分别测出N个煤样的M_测、A_测、V_测值和Q_计；

(3)将N个M_测、N个A_测、N个V_测值和N个Q_计代入公式(1)，得n＝N/3个三元一次联立方程式组；

(4)解n个三元一次联立方程式可得：n个K₁、n个K₂、n个K₃，以n个平均值确定K₁、K₂、K₃即：

K₁的平均值K_1平均＝(K_1-1+K_1-2+……K _n )/n

K₂的平均值K_2平均＝(K_2-1+K_2-2+……K _2-n )/n

K₃的平均值K_3平均＝(K_3-1+K_3-2+……K _3-n )/n

本发明还公开了一种“煤发热量在线测量方法”，其特点是：

步骤1、建立计算煤发热量的数学模型

Q_计＝C-K₁M_测-K₂A_测-K₃V_测………(1)；

步骤2、确定系数K₁、K₂、K₃；

步骤2-1、根据被测煤的种类和现有技术的煤发热量经验公式确定C，K₁，K₂，K₃；

或步骤2-2、取被测煤N个煤样(N＞3)用静态离线检测仪测出N个煤样的发热量，发热量：Q₁、Q₂、……Q_N、水分：M₁、M₂、……M_N、灰分：A₁、A₂、……A_N、挥发分：V₁、V₂、……V_N，建立N/3＝n，n个三元一次联立方程组，解n个联立方程式，得n个K₁，n个K₂，n个K₃，以其平均值确定K₁、K₂、K₃即：

K₁＝K_1平均＝(K_1-1+K_1-2+……K _n )/n

K₂＝K_2平均＝(K_2-1+K_2-2+……K _2-n )/n

K₃＝K_3平均＝(K_3-1+K_3-2+……K _3-n )/n

步骤3、将K₁、K₂、K₃输入数据处理采集控制器；

步骤4、建立测量数学模型Q_测＝K_Q×Q_计………(2)；

步骤5、标定K_Q值；

步骤5-1、假定K_Q＝1，则测量数学模型Q_测＝C-K₁M_测-K₂A_测-K₃V_测…(5)；

步骤5-2、煤发热量测量系统按公式(5)测量被测煤发热量得Q_测，与此同时对已测过发热量的煤取样，再用静态离线发热量检测仪测出煤样的发热量值Q_标，而后以Q_标为标准值求：K_Q＝Q_标/Q_测；

步骤6、将确定的标定系数K_Q输入到数据采集控制器，可得测量数学模型：

Q_计＝C-K₁M_测-K₂A_测-K₃V_测………(1)

Q_测＝K_Q×Q_计………(2)

步骤7、煤发热量在线测量系统按测量数学模型进行煤发热量在线测量。

附图说明

图1——水分测量装置、灰分测量装置安装在输送机上方和下方的煤发热量在线测量系统示意图

1——料斗、2——分料管、3——输送机、4——水分测量装置、5——灰分测量装置、6——物料、7——挥发分检测仪、8——数据采集控制器、9——支架、10——破碎机。

图2——水分测量装置、灰分测量装置安装在分料管两侧的煤发热量在线测量系统示意图

11——叶片式拨料器。

图3——X射线灰分测量装置、微波水分测量装置安装在皮带输送机上方和下方测量系统示意图

4-1——高度测量装置、4-2——微波发生器、4-3——微波接收器、5-1——高度测量装置、5-2——X射线源、5-3——X射线探测器

图4——拨料器示意图

11-1——法兰盘、11-2——外壳、11-3——叶片、11-4——旋转轴

具体实施方式

根据煤质工业分析方法确定煤发热量Q是煤水分M、煤灰分A、煤挥发分V的三元函数，即Q＝f(M、A、V)，国内外技术人员根据煤质实际情况，对大量煤样进行了M、A、V、Q测量并进行了分析，得出许多计算发热量的经验公式，如施密特公式、格兰林公式等，我国有煤科院公式(GB2589-81)、北京化学所和北京物资学院的创新公式等。本发明的测量系统可采用上述任何经验公式建立发热量计算数学模型，但由于上述经验公式与被测煤的实际发热量有较大差异，为此本发明给出了根据被测煤的实际状况找出Q＝f(M、A、V)函数关系，并建立了数学模型：

Q_计＝C-K₁M_测-K₂A_测-K₃V_测

Q_测＝K_Q×Q_计

采用本发明方法，可提高系统的测量准确度。

此外，本系统采用的是微波式水分测量装置，并带有高度或堆积密度修正、采用X射线灰分测量装置并带有高度和水分修正等措施，以提高水分和灰分测量准确度。

以下结合附图对本发明技术方案做进一步说明：

实施方案1如图1所示：

图1是采用输送机(3)输送来自分料管(2)中的物料；水分测量装置(4)，灰分测量装置(5)都安装在输送机(3)上，用于进行在线测量水分M_测和灰分A_测；挥发分检测器(7)对定时采取的煤样进行离线测量V_测，数据采集控制器(8)采集的信号M_测，A_测和V_测按数学模型计算出煤的发热量。

输送机可选取皮带式或螺旋式输送机，水分测量装置可选取微波水分测量仪，灰分测量装置选X射线灰分测量仪，为提高水分和灰分测量准确度，在输送机上方设有高度测量装置，测量煤的高度h_测，用以对水分和灰分进行修正，详见图3.

实施方案2如图2所示：

图2是采用拨料器(11)拨送来自分料管(2)中物料，水分测量装置、灰分测量装置安装在分料管(2)上或两侧，实现水分M_测、灰分A_测在线测量，用挥发分检测仪离线测量挥发分V_测，数据采集控制器(8)根据上述信号M_测，A_测和V_测计算出煤发热量Q_计。本方案的测量系统是全封闭式测量系统，适用于煤粉的发热量测量，图4给出了拨料器(11)的示意图。

本领域里的技术人员，可根据本专利所述技术做出各种相应的变形和改动实施方案，均属本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种煤发热量在线测量系统，其特征是：

料斗(1)安装在分料管(2)的上方，用于下料；

分料管(2)安装在输送机(3)或下料装置(11)的上方，用于分流多余物料并维持物料高度近似常数；

输送机(3)或下料装置(11)安装在外壳支架(9)上，用于输送来自分料管(2)内物料；

水分测量装置(4)安装在输送机(3)的上方和下方或安装在分料管(2)的两侧，用于测量物料水分，并给出其信号M_测；

灰分测量装置(5)安装在输送机(3)的上方和下方或安装在分料管(2)的两侧，用于测量物料灰分，并给出其信号A_测；

挥发分检测仪(7)用于测量物料挥发分，并给出其信号V_测；

外壳支架(9)安装在地基上，用于固定输送机(3)或下料装置(11)和破碎机(10)；

数据采集控制器(8)，用于接收M_测、A_测、V_测信号，并按测量数学模型：

Q_计＝C-K₁M_测-K₂A_测-K₃V_测………(1)

Q_测＝K_Q×Q_计………(2)

计算出煤发热量Q_测，

式中：Q_计——按公式(1)计算出的煤的发热量；

Q_测——按公式(2)算出的煤发热量；

K_Q——发热量标定系数；

C——煤种系数；

K₁——煤水分系数；

K₂——煤灰分系数；

K₃——煤挥发分系数；

M_测——水分测量装置测得的煤水分值；

A_测——灰分测量装置测得的煤灰分值；

V_测——挥发分测量仪测得的煤挥发分值。

2.根据权利要求1所述的煤发热量在线测量系统，其特征是还包括一台破碎机(10)，安装在料斗(1)的上方，用于破碎物料煤。

3.根据权利要求1所述的煤发热量在线测量系统，其特征是所述水分测量装置是微波式水分测量装置。

4.根据权利要求3所述的煤发热量在线测量系统，其特征是所述微波式水分测量装置包括：

高度测量装置(4-1)，安装在输送机上方，用于测量煤的高度，并给出其信号h_测；

微波发生器(4-2)，安装在输送机上方，用于发生微波信号；

微波信号接收器(4-3)，安装在输送机下方，用于接收微波信号并给出其水分信号M，M＝f(ΔE，ΔΦ)；

数据采集控制器8，根据采集信号h_测、M并按数学模型：

M_测＝K_m×K_ρ×M………(3)

计算出煤的水分；

式中：M_测——测量的水分；

M——微波接收器输出水分信号；

K_m——水分标定系数；

K_ρ——修正系数，K_ρ＝f[h_测，x_i]，其中x_i-单位面积上物料负荷；

h_测——煤的高度；

ΔE——微波通过被测物料后能量的变化；

Δφ——微波通过被测物料后相位的变化。

5.根据权利要求1所述的煤发热量在线测量系统，其特征是所述灰分测量装置是X射线式灰分测量装置。

6.根据权利要求5所述的煤发热量在线测量系统，其特征是所述X射线式灰分测量装置，包括：

高度测量装置(5-1)安装在输送机上方，用于测量煤的高度，并给出其信号h测；

X射线源(5-2)安装在输送机上方，用于发射X射线；

X射线探测器(5-3)安装在输送机下方，用于接收X射线并给出其信号U₀，U_测；

数据采集控制器(8)根据采集的信号h_测、U₀、U_测以及水分测量装置(4)测得的信号M_测，按数学模型：

计算出煤灰分A_测；

式中x_i——单位面积上物料负荷；

A_测——灰分测量装置测得的灰分值；

U_测——有物料时X射线探测器输出信号；

U₀——无物料时X射线探测器输出信号；

h_测——高度测量装置测得的物料厚度；

——水分修正系数；

K_h——修正系数，K_ρ＝f(h_测)；

K_A——灰分标定系数。

7.根据权利要求1所述的煤发热量在线测量系统，其特征是所述输送机是皮带式输送机或螺旋式输送机；所述下料装置是给料机或是拨料机。

8.根据权利要求6所述的煤发热量在线测量系统，其特征是所述高度测量装置是激光式高度测重装置或是压轮-角位移式高度测量装置。

9.根据权利要求1所述的煤发热量在线测量系统，其特征是所述测量数学模型为Q_计＝C-K₁M_测-K₂A_测-K₃V_测………(1)，其中的系数K₁、K₂、K₃是用以下方法确定的：

(1)对被测煤取N个煤样(N＞3)；

(2)用静态(离线)水分检测仪、灰分检测仪、挥发分检测仪和发热量检测仪分别测出N个煤样的M_测、A_测、V_测值和Q_计；

(3)将N个M_测、N个A_测、N个V_测值和N个Q_计代入公式(1)，得n＝N/3个三元一次联立方程式组；

(4)解n个三元一次联立方程式可得：n个K₁、n个K₂、n个K₃，以n个平均值确定K₁、K₂、K₃即：

K₁的平均值K_1平均＝(K_1-1+K_{1 2}+……K _n )/n

K₂的平均值K_2平均＝(K_{2 1}+K_{2 2}+……K_{2- n} )/n

K₃的平均值K_3平均＝(K_3-1+K_3-2+……K_{3- n} )/n。

10.一种煤发热量在线测量方法，其特征是：

步骤1、建立计算煤发热量的数学模型Q_计＝C-K₁M_测-K₂A_测-K₃V_测………(1)；

步骤2、确定系数K₁、K₂、K₃；

步骤2-1、根据被测煤的种类和现有技术的煤发热量经验公式确定C，K₁，K₂，K₃；

或步骤2-2、取被测煤N个煤样(N＞3)用静态离线检测仪测出N个煤样的发热量，发热量：Q₁、Q₂、……Q_N、水分：M₁、M₂、……M_N、灰分：A₁、A₂、……A_N、挥发分：V₁、V₂、……V_N，建立N/3＝n，n个三元一次联立方程组，解n个联立方程式，可得n个K₁，n个K₂，n个K₃，以其平均值确定K₁、K₂、K₃即：

K₁＝K_1平均＝(K_{1 1}+K_1-2+……K _n )/n

K₂＝K_2平均＝(K_{2 1}+K_2-2+……K_{2- n} )/n

K₃＝K_3平均＝(K_{3 1}+K_3-2+……K_{3- n} )/n

步骤3、将K₁、K₂、K₃输入数据处理采集控制器；

步骤4、建立测量数学模型Q_测＝K_Q×Q_计………(2)；

步骤5、标定K_Q值；

步骤5-1、假定K_Q＝1，则测量数学模型Q_测＝C-K₁M_测-K₂A_测-K₃V_测…(5)；

步骤5-2、煤发热量测量系统按公式(5)测量被测煤发热量得Q_测，与此同时对已测过发热量的煤取样，再用静态离线发热量测量仪测煤样的发热量值Q_标，而后以Q_标为标准值求：K_Q＝Q_标/Q_测；

步骤6、将确定的标定系数K_Q输入到数据采集控制器，可得测量数学模型：

Q_计＝C-K₁M_测-K₂A_测-K₃V_测………(1)

Q_测＝K_Q×Q_计………(2)；

步骤7、煤发热量在线测量系统按测量数学模型进行煤发热量在线测量。