专利名称：一种煤炭灰分和发热量测量系统及其测量方法
技术领域：
本发明涉及煤炭检测领域，尤其涉及一种煤炭灰分和发热量的测量系统及其测量方法。
背景技术：
双能量伽马射线透射法是目前广泛应用的测量煤炭灰分的方法，通过测量煤流对于双能量伽马射线透射测量装置中的两个不同能量的伽马射线的衰减系数，计算煤炭灰分，进而可以通过煤炭灰分值推算出煤炭的发热量。该方法实时快捷、便于操作，可以较好地应用于煤炭来源固定的用煤场所。但是该方法的缺点在于测量结果受煤炭中高原子序数元素含量变化的影响较大，例如煤炭中的铁、钙等元素含量的变化将直接影响灰分的测量结果。对于火力发电厂等煤炭来源复杂的用煤单位，由于所用煤炭来自多个矿井和产区，一般情况下，其高原子序数元素含量变化较大，因此使用该方法测量煤炭灰分，误差较大。并且此问题难以通过标定来解决，因为利用标定的灰分计算参数，只对所标定时煤质是准确的，煤质变化后利用该标定的参数计算灰分可能产生较大误差。而在实际应用中，煤质变化通常是无规律的、难以预测的，从而给这种灰分测量设备在煤炭来源复杂的情况下应用带来很大困难。火力发电厂等用煤单位是煤炭利用的最后一个环节之一，其能源消耗数据是评价煤炭利用领域节能减排效果的最真实依据，要求其测量数据必须准确。因此，对煤炭使用单位，需要一种煤炭灰分和发热量的测量系统和测量方法，既满足实时性要求，又能够准确测量、不受煤种变化影响。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。为此，本发明提出一种煤炭灰分和发热量测量系统及其测量方法，即满足实时性要求，又实现消除高原子序数对煤炭灰分和发热量测量的影响，使煤炭灰分和发热量的测量准确、不受煤种变化的影响。本发明一方面提出一种煤炭灰分和发热量测量系统，包括至少两个双能量伽马射线透射测量装置和计算装置。其中，至少一个所述双能量伽马射线透射测量装置设置在煤炭燃烧设备入口之前，用于测量未燃烧的煤炭对于所述双能量伽马射线透射测量装置的伽马射线的第一衰减系数；至少一个所述双能量伽马射线透射测量装置设置在煤炭燃烧设备出口之后，用于测量所述煤炭燃烧后的煤灰对于所述双能量伽马射线透射测量装置的伽马射线的第二衰减系数；所述至少两个双能量伽马射线透射测量装置分别与所述计算装置连接，以将所述第一和第二衰减系数传输至所述计算装置，所述计算装置根据所述第一和第二衰减系数，计算所述煤炭的灰分和/或发热量。所述第一衰减系数受煤炭中可燃物元素和矿物质元素含量的共同影响，所述第二衰减系数仅受矿物质元素的氧化物的影响，煤中高原子序数元素(如铁、钙)含量变化在第一衰减系数和第二衰减系数中同时产生影响，而煤灰分的变化只在第一衰减系数中产生影响，因此利用所述第二衰减系数，可以扣除所述第一衰减系数中受高原子序数元素含量变化影响的部分，从而计算出准确的灰分值和发热量值。根据本发明的一个实施例，所述至少两个双能量伽马射线透射测量装置通过电缆或无线通信分别与所述计算装置连接。根据本发明的一个实施例，所述至少一个所述双能量伽马射线透射测量装置设置在为所述煤炭燃烧设备输送煤炭的传输带上。根据本发明的一个实施例，所述至少一个所述双能量伽马射线透射测量装置设置在与所述煤炭燃烧设备出口连接的煤灰传输带上。根据本发明的一个实施例，所述至少一个所述双能量伽马射线透射测量装置设置在所述煤炭燃烧设备出口附近的煤灰采样设备上，用于测量所述煤灰采样设备采集的所述煤炭燃烧设备输出的煤灰的所述第二衰减系数。根据本发明的一个实施例，根据煤炭从测量所述第一衰减系数的位置到燃烧后生成煤灰，并被输出到测量所述第二衰减系数的位置的系统运行时间，设置所述煤炭灰分测量系统的校正延迟时间；所述计算装置根据当前测得的所述第二衰减系数，与经过一个所述校正延迟时间之前测得的所述第一衰减系数，计算煤炭灰分和发热量。通过设置系统的校正延迟时间，确保第一衰减系数和第二衰减系数是针对同一煤炭堆测量的。由于利用所述第二衰减系数，扣除所述第一衰减系数中受高原子序数元素含量变化影响的部分，从而计算出准确的灰分值与发热量值。根据本发明的一个实施例，所述计算装置根据当前测得的所述第一衰减系数，以及从当前时间开始向前的固定时间段内测得的所述第二衰减系数的平均值，计算煤炭灰分和发热量。所述固定时间段可以根据应用场合的实际情况进行调整。本发明另一方面提出一种煤炭灰分和发热量的测量方法，包括以下步骤在煤炭进入煤炭燃烧设备入口之前，通过至少一个双能量伽马射线透射测量装置测量未燃烧的煤炭对于所述测量装置的伽马射线的第一衰减系数；在煤灰输出所述煤炭燃烧设备出口之后，通过至少一个双能量伽马射线透射测量装置测量燃烧后的煤灰对于所述测量装置的伽马射线的第二衰减系数；将所述第一衰减系数和所述第二衰减系数分别传输至计算装置， 所述计算装置根据所述第一和第二衰减系数，计算所述煤炭的灰分和/或发热量。根据本发明的一个实施例，根据煤炭从测量所述第一衰减系数的位置到燃烧后生成煤灰，并被输出到测量所述第二衰减系数的位置的延迟时间，设置测量系统的校正延迟时间；所述计算装置根据当前当前测得的所述第二衰减系数，与经过一个所述校正延迟时间之前测得的所述第一衰减系数，计算煤炭的灰分和发热量。通过设置系统的校正延迟时间，确保第一衰减系数和第二衰减系数是针对同一煤炭堆测量的。由于利用所述第二衰减系数，扣除所述第一衰减系数中受高原子序数元素含量变化影响的部分，从而计算出准确的灰分值与发热量值。根据本发明的一个实施例，所述计算装置根据当前测得的所述第一衰减系数，以及从当前时间开始向前的固定时间段内测得的所述第二衰减系数的平均值，计算煤炭灰分和发热量。所述固定时间段可以根据应用场合的实际情况进行调整。本发明提供一种煤炭灰分和发热量测量系统以及运用该系统测量煤炭灰分和发热量的方法，通过在煤炭燃烧设备入口之前和煤炭燃烧设备出口之后分别设置双能量伽马
5射线透射测量装置，以分别测量煤炭和煤灰的衰减系数，结合煤炭和煤灰的衰减系数计算煤炭灰分和发热量，既满足实时性测量要求，又实现消除高原子序数对煤炭灰分和发热量测量的影响，使煤炭灰分和发热量的测量不受煤种变化的影响，提高测量准确度。本发明适用于产生煤灰的煤炭应用场所或设备，例如发电厂、供热锅炉等。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中图1是本发明实施例的煤炭灰分和发热量测量系统示意图；图2是本发明实施例的煤炭灰分和发热量测量方法流程图。
具体实施例方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此夕卜，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之 “上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。需要说明的是，此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。图1是本发明实施例的煤炭灰分和发热量测量系统示意图。该煤炭灰分和发热量测量系统包括两个双能量伽马射线透射测量装置Iio和120以及计算装置150。其中，双能量伽马射线透射测量装置110设置在煤炭燃烧设备100入口 A之前，用于测量未燃烧的煤炭对于双能量伽马射线透射测量装置的伽马射线的第一衰减系数；双能量伽马射线透射测量装置120设置在煤炭燃烧设备100出口 B之后，用于测量燃烧后的煤灰对于双能量伽马射线透射测量装置的伽马射线的第二衰减系数。双能量伽马射线透射测量装置110和120 分别与计算装置150连接，以将其测得的第一和第二衰减系数传输至计算装置150，计算装置150根据第一和第二衰减系数，计算得到煤炭的灰分和/或发热量。具体地，能量伽马射线透射测量装置110和120可以通过电缆或无线通信分别与计算装置150连接。需指出的是，本发明实施例的双能量伽马射线透射测量装置为本领域技术人员所公知，其包含两种不同能量的伽马射线，在此对其结构功能不再赘述。另外，本实施例仅以两个双能量伽马射线透射测量装置为例，对于有多条煤炭传输带向煤炭燃烧设备供煤的情况，需要在每条煤炭传输带安装双能量伽马射线透射测量装置，即在煤炭燃烧设备100入口 A之前设置多个双能量伽马射线透射测量装置。在本发明实施例中，煤炭燃烧设备100为锅炉，锅炉100的入口 A处连接有煤炭传输带130，用于将待燃烧煤炭输送至锅炉100，锅炉100的出口 B处连接有煤灰传输带140， 用于将燃烧后的煤灰从锅炉100输出。故优选地，双能量伽马射线透射测量装置110设置在煤炭传输带130上，双能量伽马射线透射测量装置120设置在煤灰传输带140上。在本发明另一个的实施例中，可以在煤炭燃烧设备100出口安装煤灰采样设备用于采集煤炭燃烧后的煤灰，双能量伽马射线透射测量装置120可以设置在所述煤灰采样设备上，以测量第二衰减系数。在本发明一个实施例中，根据煤炭从测量第一衰减系数的位置到燃烧后生成煤灰，并被输出到测量第二衰减系数的位置的系统运行时间，设置所述煤炭灰分测量系统的校正延迟时间；计算装置150根据当前测得的第二衰减系数，与经过一个校正延迟时间之前测得的第一衰减系数，计算煤炭灰分和发热量。通过设置系统的校正延迟时间，确保第一衰减系数和第二衰减系数是针对同一煤炭堆测量的。由于利用第二衰减系数，扣除第一衰减系数中受高原子序数元素含量变化影响的部分，从而计算出准确的灰分值与发热量值。在本发明另一个实施例中，计算装置150根据当前测得的第一衰减系数，以及从当前时间开始向前的固定时间段内测得的第二衰减系数的平均值，计算煤炭灰分和发热量。所述固定时间段可以根据应用场合的实际情况确定和调整。根据本发明实施例的煤炭灰分和发热量测量系统，本发明进一步提出一种煤炭灰分和发热量的测量方法，参照图2，该方法包括以下步骤步骤SOl 在煤炭进入煤炭燃烧设备100入口 A之前，通过至少一个双能量伽马射线透射测量装置110测量燃烧前的煤炭对于所述测量装置110的伽马射线的第一衰减系数；步骤S02 在煤灰输出所述煤炭燃烧设备100出口 B之后，通过至少一个双能量伽马射线透射测量装置120测量燃烧后的煤灰对于所述测量装置120的伽马射线的第二衰减系数；步骤S03 将第一衰减系数和第二衰减系数分别传输至计算装置150，计算装置 150根据第一和第二衰减系数，计算煤炭的灰分和发热量。具体计算方法如下第一衰减系数包括所述双能量伽马射线的两个不同能量伽马射线对煤炭的衰减系数，分别设为UL和UH，UL代表低能伽马射线对煤的衰减系数，UH代表另一个高能伽马射线对煤的衰减系数。设所述低能伽马射线对煤中可燃物元素的质量衰减系数为UmLCj^l 中矿物质元素的质量衰减系数为UmLM。设所述高能伽马射线对煤中可燃物元素的质量衰减系数为UmHC，对煤中矿物质元素的质量衰减系数为UmHM。设煤中矿物质含量为x，则可燃物含量为1-x。存在下面公式UL= [(l-x)*UmLC+x*UmLM]*pd公式(1)，UH = [(1-x)*UmHC+x*UmHM]*pd公式 O)，根据物理规律，UmHC ^ UmHM ^ UH 公式(3)
其中pd为被测煤炭的质量厚度。第二衰减系数包括两个不同能量伽马射线对煤灰的衰减系数，分别设为VL和VH， VL代表低能伽马射线对煤灰的衰减系数，VH代表另一个高能伽马射线对煤灰的衰减系数。 设所述低能伽马射线对煤灰中氧元素的质量衰减系数为VmLO，对煤灰中矿物质元素的质量衰减系数为VmLM。设所述高能伽马射线对煤灰中氧元素的质量衰减系数为VmHO，对煤灰中矿物质元素的质量衰减系数为VmHM。设变量y使其等于煤灰中氧元素含量与矿物质含量的比值。存在下面公式VL = [y*VmLO+VmLM]*pd/(l+y) 公式 ，VH = [y*UmHO+VmHM]*pd/(l+y) 公式(5)，根据物理规律，VmHO^ VmHM ^ VH ^ UH 公式(6)由于煤中可燃物主要是碳元素，碳元素与氧元素原子序数相邻，因此有VmLO ^ UmLC 公式(7)而煤炭灰分则等于煤中矿物质转化为氧化物后重量百分比，因此灰分Ad = x*(l+y)*100 公式(8)根据如上公式可以推导出灰分计算公式Ad = (UL/UH-C) / (VL/VH-C) *100，其中 C = UmLC/UH, C 近似为常数，可以通过理论计算或者现场比对实验确定。由于上述推导过程与物理模型存在近似，因此实际使用的公式可以增加修正系数，以优化测量结果。实际灰分计算公式之一为Ad = A1*(UL/UH)/(VL/VH-C1)-B1/(VL/VH-C1)-D1，其中 Ad 为灰分，Al、Bi、Dl 为常数，通过现场比对实验确定，Cl可以取与C相等的常数，也可以通过现场比对实验确定。另一个实际灰分计算公式为Ad = A2* (UL/UH-C2) / (VL/VH-C2) +B2，其中 Ad 为灰分，A2、B2、C2 为常数，通过现
场比对实验确定。上面列出的两个实际使用的灰分计算公式仅为示例，并不能解释为对本发明的局限，本领域技术人员根据实际情况，利用上面的灰分校正原理与方法，推导出形式存在差异的公式也包含在本发明的保护范围内。根据上面灰分计算公式可以得知，被测量出第二衰减系数的煤灰，理论上应是被测量出第一衰减系数的煤炭所产生的，这样才能利用所述第一和第二衰减系数正确计算煤炭灰分与发热量。因为煤炭从被输入所述燃烧设备，到燃烧后生成煤灰并被输出，存在系统运行时间，若进行严格的灰分校正计算，就应考虑该系统运行时间进行灰分校正计算。这样计算出的灰分和发热量将滞后一段时间，但仍有指导生产作用，对于分析燃烧系统节能效率更具有意义。另一种灰分校正方案是，利用当前测量的第一衰减系数，与从当前时间开始，向前的一段时间间隔内(如10 30分钟)测量的所述第二衰减系数的平均值，进行灰分校正计算，也可以得到较好的测量结果。这是因为在较短的时间间隔内，煤质发生较大改变的几率较小，即所述第二衰减系数的平均值可以代表未来较短时间内的实际第二衰减系数值， 而且经过平均后的第二衰减系数的误差更小，对测量更有利。
本发明提供一种煤炭灰分测量系统以及运用该系统测量煤炭灰分的方法，通过在煤炭燃烧设备入口之前和煤炭燃烧设备出口之后分别设置双能量伽马射线透射测量装置， 以分别测量煤炭和煤灰的衰减系数，结合煤炭和煤灰的衰减系数计算煤炭灰分和/或发热量，既满足实时性测量要求，又实现了消除高原子序数对煤炭灰分测量的影响，使煤炭灰分测量不受煤种变化的影响，提高测量准确度。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
权利要求
1.一种煤炭灰分和发热量测量系统，其特征在于，包括至少两个双能量伽马射线透射测量装置和计算装置，其中至少一个所述双能量伽马射线透射测量装置设置在煤炭燃烧设备入口之前，用于测量燃烧前的煤炭对于所述双能量伽马射线透射测量装置的伽马射线的第一衰减系数；至少一个所述双能量伽马射线透射测量装置设置在所述煤炭燃烧设备出口之后，用于测量所述煤炭燃烧后的煤灰对于所述双能量伽马射线透射测量装置的伽马射线的第二衰减系数；所述至少两个双能量伽马射线透射测量装置分别与所述计算装置连接，以将所述第一和第二衰减系数传输至所述计算装置，所述计算装置根据所述第一和第二衰减系数，计算所述煤炭的灰分和发热量。
2.如权利要求1所述的煤炭灰分和发热量测量系统，其特征在于，所述至少两个双能量伽马射线透射测量装置通过电缆或无线通信分别与所述计算装置连接。
3.如权利要求1所述的煤炭灰分和发热量测量系统，其特征在于，所述至少一个所述双能量伽马射线透射测量装置设置在为所述煤炭燃烧设备输送煤炭的传输带上。
4.如权利要求1所述的煤炭灰分和发热量测量系统，其特征在于，所述至少一个所述双能量伽马射线透射测量装置设置在与所述煤炭燃烧设备出口相连的煤灰传输带上。
5.如权利要求1所述的煤炭灰分和发热量测量系统，其特征在于，所述至少一个所述双能量伽马射线透射测量装置设置在所述煤炭燃烧设备出口附近的煤灰采样设备上，用于测量所述煤灰采样设备采集的所述煤炭燃烧设备输出的煤灰的所述第二衰减系数。
6.如权利要求1所述的煤炭灰分和发热量测量系统，其特征在于，根据所述煤炭从测量所述第一衰减系数的位置到燃烧后成为煤灰并输出到测量所述第二衰减系数的位置的系统运行时间，设置所述煤炭灰分和发热量测量系统的校正延迟时间；所述计算装置根据当前测得的所述第二衰减系数，与经过一个所述校正延迟时间之前测得的所述第一衰减系数，计算煤炭灰分和发热量。
7.如权利要求1所述的煤炭灰分和发热量测量系统，其特征在于，所述计算装置根据当前测得的所述第一衰减系数，以及从当前时间开始向前的固定时间段内测得的所述第二衰减系数的平均值，计算煤炭灰分和发热量。
8.一种煤炭灰分和发热量的测量方法，其特征在于，包括以下步骤在煤炭进入煤炭燃烧设备入口之前，通过至少一个双能量伽马射线透射测量装置测量燃烧前的煤炭对于所述测量装置的伽马射线的第一衰减系数；在所述煤炭燃烧后的煤灰输出所述煤炭燃烧设备出口之后，通过至少一个双能量伽马射线透射测量装置测量所述煤灰对于所述测量装置的伽马射线的第二衰减系数；将所述第一衰减系数和所述第二衰减系数分别传输至计算装置，所述计算装置根据所述第一和第二衰减系数计算所述煤炭的灰分和发热量。
9.如权利要求8所述的煤炭灰分和发热量的测量方法，其特征在于，根据所述煤炭从测量所述第一衰减系数的位置到燃烧后生成煤灰并输出到测量所述第二衰减系数的位置的系统运行时间，设置测量系统的校正延迟时间；所述计算装置根据当前测得的所述第二衰减系数，与经过一个所述校正延迟时间之前测得的所述第一衰减系数，计算煤炭的灰分和发热量。
10.如权利要求8所述的煤炭灰分和发热量的测量方法，其特征在于，所述计算装置根据当前测得的所述第一衰减系数，以及从当前时间开始向前的固定时间段内测得的所述第二衰减系数的平均值，计算煤炭灰分和发热量。
11.如权利要求8所述的煤炭灰分和发热量测量方法，其特征在于，所述根据所述第一和第二衰减系数计算所述煤炭的灰分和发热量，包括以下步骤所述第一衰减系数包括所述双能量伽马射线中的低能伽马射线对所述煤炭的衰减系数UL，和所述双能量伽马射线中的高能伽马射线对所述煤炭的衰减系数UH，设所述低能伽马射线对煤炭中可燃物元素的质量衰减系数为UmLC，对煤炭中矿物质元素的质量衰减系数为UmLM，设所述高能伽马射线对煤炭中可燃物元素的质量衰减系数为UmHC，对煤炭中矿物质元素的质量衰减系数为UmHM，设煤中矿物质含量为X，则可燃物含量为1-x，设被测煤炭的质量厚度为Pd，根据UL= [ (1-x) *UmLC+x*UmLM] *pd UH= [(l-x)*UmHC+x*UmHM]*pd 根据物理规律，UmHC ^ UmHM ^ UH所述第二衰减系数包括所述双能量伽马射线中的低能伽马射线对煤灰的衰减系数VL， 和所述双能量伽马射线中的高能伽马射线对所述煤灰的衰减系数VH，设所述低能伽马射线对煤灰中氧元素的质量衰减系数为VmLO，对煤灰中矿物质元素的质量衰减系数为VmLM，设所述高能伽马射线对煤灰中氧元素的质量衰减系数为VmHO，对煤灰中矿物质元素的质量衰减系数为VmHM，设煤灰中氧元素含量与矿物质含量的比值为变量y，根据 VL= [y*VmLO+VmLM]*pd/(l+y) VH= [y*UmHO+VmHM]*pd/(l+y) 根据物理规律，VmHO ^ VmHM ^ VH ^ UH 由于煤中可燃物主要是碳元素，碳元素与氧元素原子序数相邻，故 VmLO ^ UmLC而煤炭灰分则等于煤中矿物质转化为氧化物后重量百分比，故煤炭灰分Ad = x*(l+y)*100，根据上述公式推导出灰分计算公式Ad = (UL/UH-C) / (VL/VH-C) *100，其中C = UmLC/UH, C近似为常数，通过理论计算或者现场比对实验确定。
12.如权利要求10所述的煤炭灰分和发热量测量方法，其特征在于，所述灰分计算公式在实际应用中增加系数修正为Ad = Al* (UL/UH) / (VL/VH-C 1) -B 1 / (VL/VH-C 1)-Dl，其中 Al、Bi、Dl 为常数，通过现场比对实验确定，Cl取与C相等的常数或者通过现场比对实验确定。
13.如权利要求10所述的煤炭灰分和发热量测量方法，其特征在于，所述灰分计算公式在实际应用中增加系数修正为Ad = A2* (UL/UH-C2) / (VL/VH-C2) +B2，其中A2、B2、C2为常数，通过现场比对实验确定。
全文摘要
本发明提供一种煤炭灰分和发热量测量系统以及运用该系统测量煤炭灰分和发热量的方法，通过在煤炭燃烧设备入口之前和煤炭燃烧设备出口之后分别设置双能量伽马射线透射测量装置，以分别测量煤炭和煤灰的衰减系数，结合煤炭和煤灰的衰减系数计算煤炭灰分和/或发热量，既满足实时性测量要求，又实现了消除高原子序数元素含量变化对煤炭灰分和发热量测量的影响，使煤炭灰分测量不受煤种变化的影响，提高测量准确度。
文档编号G01N23/02GK102507613SQ201110319408
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月19日 优先权日2011年10月19日
发明者林谦, 衣宏昌 申请人:清华大学