阅读说明：本技术 一种不用放射源的煤炭发热量在线测量装置及其方法 (Online coal calorific value measuring device without radioactive source and method thereof ) 是由 李世星 吴涛 万伟龙 刘红永 王毅哲 于 2019-09-25 设计创作，主要内容包括：本发明属于煤炭的发热量在线测量技术领域,具体涉及一种不用放射源的煤炭发热量在线测量装置及其方法。本发明的测量方法采用微波雷达天线、低噪声探测器、近红外探头、信号处理器、信号放大器、上位机、下位机等构成测量硬件；利用微波雷达天线测得煤炭的水分,利用低噪声放大器测得煤炭的灰分,通过公式Q<Sup>f</Sup><Sub>DW</Sub>＝K<Sub>o</Sub>-86W<Sup>f</Sup>-92A<Sup>f</Sup>计算得到待测煤炭的发热量。不需要人为添加放射源,对环境安全没有任何影响；有效降低经典噪声、放大光信号和直接表征光信号的下交分量起伏量,具有无辐射、在线、安全、快速精确测量的特点。(The invention belongs to the technical field of on-line measurement of calorific value of coal, and particularly relates to an on-line measurement device and method for calorific value of coal without a radioactive source. The measuring method adopts a microwave radar antenna, a low-noise detector, a near-infrared probe, a signal processor, a signal amplifier, an upper computer, a lower computer and the like to form measuring hardware; measuring the moisture content of coal by using a microwave radar antenna, measuring the ash content of the coal by using a low noise amplifier, and obtaining the moisture content of the coal by using a formula Q f DW ＝K o ‑86W f ‑92A f And calculating to obtain the calorific value of the coal to be detected. The radioactive source is not needed to be added artificially, and the environmental safety is not influenced; effectively reduces the classical noise, amplifies the optical signal and directly represents the fluctuation of the lower-alternating component of the optical signal, and has the advantages of no radiation, online, safety,And the characteristic of rapid and accurate measurement.)

一种不用放射源的煤炭发热量在线测量装置及其方法

技术领域

本发明属于煤炭的发热量在线测量技术领域，具体涉及一种不用 放射源的煤炭发热量在线测量装置及其方法。

背景技术

国家《节能法》的颁布和实施，对火电厂锅炉的能耗管理方式 和能耗标准提出了更高、更严格的要求。另外，电厂参与调峰的机组 效率也存在发电煤耗指标增高的现象，给电厂的煤耗考核管理工作也 带来诸多不便。因此，对电厂外部供煤和内部燃烧进行实时监测，实 现锅炉能耗的分炉管理势在必行。但由于传统的入炉燃料采样化验方 式存在时效性差、样本代表性不足以及人为干扰因素多等问题，已经 无法满足电厂内分炉计量计算不同容量炉型的各台锅炉的发供电煤 耗的要求。近年来，随着数字化电厂概念的提出，越来越多的火电厂 开始安装入炉燃料在线监测系统，以便更好地对煤耗升高值进行准确 计量。

目前，化验室通常使用量热仪来测量煤的发热量。而在线测量煤 的发热量则通常采用双能γ射线吸收法辅以简单的经验公式来进行 大概测算。其实现方式是，采用两个同位素放射源Am241和Cs137分 别发出的低能和中能γ射线照射皮带上的煤炭，然后在皮带的另一侧， 接收透过煤炭后的射线。由于煤炭中的不同物质对该两种能量的射线 的吸收效率不同，特别是煤炭中的重元素对Am241发出的低能γ射线 的吸收效率要远大于煤炭中的其他轻元素，因此可以根据比较两种射 线透射煤炭前后的强度变化，分析得到煤炭的灰分值，然后将灰分值 代入简单的经验公式计算得到煤炭大致的发热量范围。由于双能γ射线吸收法存在放射源的安全性差，一旦丢失或泄露放射源，会对环境 或人身造成较大危害，因此放射源必须接受严格管理，在应用中需要 每年为此支付较大费用；并且双能γ射线吸收法的灰分测量精度易受 煤层厚度变化(流量变化)、堆积形状变化以及环境温度湿度变化的 影响，在此基础上计算得到的煤的发热量的误差往往会超过500大卡， 越来越不能满足诸如火电厂及冶金行业等对煤的发热量的测量精度 要求。量热仪法的优点是价格便宜，准确度高，但其要求煤炭化验室 应作为发热量测定专用室，室内不得进行其它试验工作；室内应配 备窗帘，避免阳光直射；每次测定温度变化不超过1℃为宜；冬夏 室温差以不超过15～30℃为宜。因此，有条件者应配制空调设备；用 量热仪测定发热量时，室内应避免强力通风及热源辐射，总之，为了 减少环境条件对发热量测定结果的影响，发热量测定室应尽可能地保 持室温的相对恒定。在室温尚未恒定的时候不得进行发热量测定。因 此量热仪测量效率低下，难以适应现代化生产现场。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种不用放 射源的煤炭发热量在线测量装置及其方法。本发明的测量方法不需要 人为添加放射源，对环境安全没有任何影响；采用微波雷达天线、低 噪声探测器、近红外探头、信号处理器、信号放大器、上位机、下位 机等构成测量硬件；有效降低经典噪声、放大信号光和直接表征信号 光的下交分量起伏量，具有无辐射、在线、安全、快速精确测量的特 点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种不用放射源的 煤炭发热量在线测量装置，包括结构支架、微波信号发生器、微波信 号运算处理单元、信号处理器、下位机、上位机和输煤皮带；所述的 结构支架为框架结构，在结构支架顶部及周围设置有外壳，所述的微 波信号发生器、微波信号运算处理单元、信号处理器和下位机均设置 在结构支架的侧面的支架上，上位机设置在结构支架外，所述的输煤 皮带设置在结构支架内，输煤皮带的下方设置有微波雷达天线a和低 噪声探测器，在输煤皮带的上方设置有微波雷达天线b和3-5组近红 外探头，所述的微波雷达天线a和微波雷达天线b分别通过微波通信 电缆与微波信号发生器相连；低噪声探测器通过信号放大器与信号处 理器相连；微波信号运算处理单元、信号处理器分别与下位机电连接； 下位机与上位机电连接。

所述的信号放大器与低噪声探测器之间还电连接有光电转换器。

所述的微波信号运算处理单元是用于对比微波穿透待测煤炭后 产生的能量衰减和相位移动，并对比煤的微波正切角和煤中水分子的 微波正切角，计算得到煤中水分含量；

所述的低噪声探测器用来接收来自待测煤炭中所含有的微量放 射性元素发出的电离辐射脉冲信号；

所述的3-5组近红外探头用于对输煤皮带上的煤炭体积进行实 时测量；其中近红外探头三个为一组，沿输煤皮带的横截面方向匀布。

所述的信号处理器用于对要检测的目标元素钍、镭、铀、钾和铷 的信号频率范围之外的噪声和干扰进行过滤，通过对煤中含有的包括 钍、镭、铀、钾和铷在内的多种微量放射性元素所发出的特征电离辐 射脉冲信号的频率、波长以及能量峰进行能级分析，并根据能级对比 分析结果，定量分析出待测煤炭中钍、镭、铀、钾、铷五种元素的总 脉冲计数量和该五种元素各自的单一元素脉冲计数量。

所述的信号处理器为DSP芯片。

所述的下位机BOXPC嵌入式工控机，所述的上位机为西门子 KA61EA型PLC；

所述的微波信号运算处理单元是由功分器、耦合器、放大器及恒 温晶振等微波器件共同组成的用于检测微波信号衰减及相移参数的 PCB印制板。

所述的一种不用放射源的煤炭发热量在线测量装置采用低压晶 体管制作的高压稳压电源，稳压系数为S_V＝0.05％。

一种不用放射源的煤炭发热量在线测量方法，包括以下步骤：

步骤1，微波信号发生器通电并产生微波；

步骤2，通过微波雷达天线a发射微波信号，微波信号穿透待测 煤炭后由微波雷达天线b接收信号；

步骤3，微波信号运算处理单元经过对比微波穿透待测煤炭后产 生的能量衰减和相位移动，同时对比煤的微波正切角和煤中水分子的 微波正切角，计算得到煤中水分含量；

步骤4，低噪声探测器接收来自待测煤炭中所含有的微量放射性 元素发出的电离辐射脉冲信号；

步骤5，电离辐射脉冲信号通过光电转换器进行转换后，进入信 号放大器进行逐级放大；

步骤6，经过放大后的电信号进入信号处理器，信号处理器首先 对要检测的目标元素钍、镭、铀、钾和铷的信号频率范围之外的噪声 和干扰进行过滤，然后对煤中含有的包括钍、镭、铀、钾和铷在内的 多种微量放射性元素所发出的特征电离辐射脉冲信号的频率、波长以 及能量峰进行能级分析，并根据能级对比分析结果，定量分析出待测 煤炭中钍、镭、铀、钾、铷五种元素的总脉冲计数量和该五种元素各 自的单一元素脉冲计数量；

步骤7，通过安装于输煤皮带上方的近红外探头对输煤皮带上的 煤炭体积进行同步测量，将煤炭体积测量信号与信号处理器的分析结 果一起传送到下位机；

步骤8，下位机利用近红外探头测量得到皮带上待测煤炭的瞬时 体积，将步骤6所得到的钍、镭、铀、钾、铷的五种元素的总脉冲计 数量和该五种元素各自的单一元素脉冲计数量依据煤炭的瞬时体积 换算成单位体积的总脉冲计数量和单一元素脉冲计数量，然后，得到 待测煤炭单位体积内所含有的钍、镭、铀、钾、铷的具体含量，并通 过待测煤炭单位体积内所含有的钍、镭、铀、钾、铷的具体含量与煤 中无机物总含量的比例关系，运算得到待测煤炭的灰分值；

步骤9，下位机将得到的水分值和灰分值代入公式

Q^f _DW＝K_o-86W^f-92A^f

式中：Q^f _DW——燃料的分析基低位热值，千卡/公斤；

W^f、A^f—燃料中分析基水分、灰份重量百分含量；

K_o—系数，具体为：

当A^f的重量百分含量为37-44％时，K_o为68.5；

当A^f的重量百分含量为44-48％时，K_o为67.0；

当A^f的重量百分含量为48-55％时，K_o为65.0；

当A^f的重量百分含量为55-60％时，K_o为63.0；

当A^f的重量百分含量大于60％时，K_o为61.5；

步骤10，将发热量Q^f _DW通过通讯电缆在上位机上显示。

所述步骤3具体为：微波信号运算处理单元经过对比微波穿透待 测煤炭后产生的能量衰减和相位移动，同时对比煤的微波正切角和煤 中水分子的微波正切角，与化验室采用烘箱法得到的煤炭水分值进行 对比标定，从而建立起前述微波能量衰减和相位移动与煤中水分含量 的对应方程：

Y＝0.00000068*X*X+0.0004685*X+C

式中Y为煤中水分含量，X为微波衰减量，C为微波相移 周数。

本发明的有益效果是：本发明通过对微波穿透待测煤炭后的能 量衰减和相位移动来探测煤中的全水分；通过探测煤炭中自身含有的 钍、镭、铀、钾、铷等微量放射性元素相对于煤中整体无机物的比例 来得到灰分信息。微量放射性元素在自然界中普遍存在，岩石和土壤 中都有一定量的天然放射性元素(如铀、钍和钾等)。煤炭也不例外， 并且燃煤中的矿物质(灰分)比有机质(挥发分)含有更多的放射性元 素。这些放射性元素可以认为是一些微小的放射源，通过低噪声探测 器有效降低经典噪声、放大信号光和直接表征信号光的下交分量起伏 量，可对煤炭灰分含量进行快速测量。

附图说明

图1为本发明测量装置的结构示意图；

图2为本发明测量装置的工作流程图；

图3为本发明输煤皮带水分的实测值与化验值对比曲线；

图4为本发明输煤皮带灰分的实测值与化验值对比曲线；

图5为输煤皮带发热量的实测值与化验值对比曲线；

图中：1、结构支架；1-1、外壳；2、微波雷达天线a；2-1、微 波雷达天线b；3、微波信号发生器；3-1、微波信号运算处理单元； 4、低噪声探测器；5、信号处理器；6、近红外探头；7、下位机；8、 上位机；9、输煤皮带；10、信号放大器；11、光电转换器；12、待 测煤炭。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明还可有其他多种实施形式，可用于煤炭在线及离线的发热 量检测。在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术 人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变 和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

实施例1

如图1和2所示，一种不用放射源的煤炭发热量在线测量装置， 其特征是：包括结构支架1、微波信号发生器3、微波信号运算处理 单元3-1、信号处理器5、下位机7、上位机8和输煤皮带9；所述的 结构支架1为框架结构，在结构支架1顶部及周围设置有外壳1-1， 所述的微波信号发生器3、微波信号运算处理单元3-1、信号处理器 5和下位机7均设置在结构支架1的侧面的支架上，上位机8设置在 结构支架1外，所述的输煤皮带9设置在结构支架1内，输煤皮带9 的下方设置有微波雷达天线a2和低噪声探测器4，在输煤皮带9的 上方设置有微波雷达天线b2-1和3-5组近红外探头6，所述的微波 雷达天线a2和微波雷达天线b2-1分别通过微波通信电缆与微波信号 发生器3相连；低噪声探测器4通过信号放大器10与信号处理器5 相连；微波信号运算处理单元3-1、信号处理器5分别与下位机7电 连接；下位机7与上位机8电连接。

如图2所示，所述的信号放大器10与低噪声探测器4之间还电 连接有光电转换器11。

实施例2

在实施例1的基础上，所述的微波信号运算处理单元3-1是用于 对比微波穿透待测煤炭后产生的能量衰减和相位移动，并对比煤的微 波正切角和煤中水分子的微波正切角，计算得到煤中水分含量；

进一步地，所述的微波信号运算处理单元(3-1)是由功分器、 耦合器、放大器及恒温晶振的微波器件共同组成的用于检测微波信号 衰减及相移参数的PCB印制板。

所述的低噪声探测器4用来接收来自待测煤炭中所含有的微量 放射性元素发出的电离辐射脉冲信号；

所述的信号处理器5用于对要检测的目标元素钍、镭、铀、钾和 铷的信号频率范围之外的噪声和干扰进行过滤，通过对煤中含有的包 括钍、镭、铀、钾和铷在内的多种微量放射性元素所发出的特征电离 辐射脉冲信号的频率、波长以及能量峰进行能级分析，并根据能级对 比分析结果，定量分析出待测煤炭中钍、镭、铀、钾、铷五种元素的 总脉冲计数量和该五种元素各自的单一元素脉冲计数量。

进一步地，所述的信号处理器(5)为DSP芯片。

所述的下位机(7)BOXPC嵌入式工控机，所述的上位机(8)为 西门子KA61EA型PLC。

所述的3-5组近红外探头6用于对输煤皮带9上的煤炭体积进行 实时测量；其中近红外探头6三个为一组，沿输煤皮带9的横截面方 向匀布。

当光子计数器的位置固定不变时，其所能接收到的脉冲强度与电 离辐射源距离光子计数器的距离平方成负相关关系。也就是说，当皮 带上的煤流厚度不均或形状起伏时，光子计数器捕获到的脉冲强度必 须与瞬时煤流厚度同步运算，才能精确的得到单位厚度的煤流所发射 出的电离辐射强度。如果采用电子皮带秤之类的称量装置，光子计数 器在某一瞬时所得到的脉冲强度将被平均分配到某一个时间段内，从 而给检测结果带来较大偏差。本发明采用了煤流厚度与电离辐射强度 的非线性积分补偿技术。利用多组近红外探头解决了煤流厚度的实时 测量问题，从而较好地解决了煤流厚度与电离辐射强度的非线性积分 补偿问题。

本发明不用放射源的煤炭发热量在线测量装置采用低压晶体管 制作的高压稳压电源，稳压系数为S_V＝0.05％。

在对微量放射性元素的探测与分析过程中，需要用150-200V的 高压稳压电源来实现光信号与电信号的转换与放大，由于通常使用的 电子管制作的高压稳压电源中使用了滤波电感，其缺点在于设备启停 时会产生反冲高电压，高出正常电压很多，因此经常会出现设备启停 时采集到的脉冲数据异常，且极易导致光电转换模块电路故障。本发 明采用了晶体管高压稳压电源技术，通过采用低压晶体管制作的高压 稳压电源，从而很好地解决了光电转换模块的稳定性问题。这种晶体 管高压稳压电源的稳压系数可以达到S_V＝0.05％。

实施例3

基于实施例1或2的基础上，本发明提供了一种不用放射源的煤 炭发热量在线测量方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤1，微波信号发生器3通电并产生微波；

步骤2，通过微波雷达天线a2发射微波信号，微波信号穿透待 测煤炭后由微波雷达天线b2-1接收信号；

步骤3，微波信号运算处理单元3-1经过对比微波穿透待测煤炭 后产生的能量衰减和相位移动，同时对比煤的微波正切角和煤中水分 子的微波正切角，与化验室采用烘箱法得到的煤炭水分值进行对比标 定，从而建立起前述微波能量衰减和相位移动与煤中水分含量的对应 方程：

Y＝0.00000068*X*X+0.0004685*X+C

式中Y为煤中水分含量，X为微波衰减量，C为微波相移周 数；最终计算得到煤中水分含量。

步骤4，低噪声探测器4接收来自待测煤炭中所含有的微量放射 性元素发出的电离辐射脉冲信号；

步骤5，电离辐射脉冲信号通过光电转换器11进行转换后，进 入信号放大器10进行逐级放大；

步骤6，经过放大后的电信号进入信号处理器5，信号处理器5 首先对要检测的目标元素钍、镭、铀、钾和铷的信号频率范围之外的 噪声和干扰进行过滤，然后对煤中含有的包括钍、镭、铀、钾和铷在 内的多种微量放射性元素所发出的特征电离辐射脉冲信号的频率、波 长以及能量峰进行能级分析，并根据能级对比分析结果，定量分析出 待测煤炭中钍、镭、铀、钾、铷五种元素的总脉冲计数量和该五种元 素各自的单一元素脉冲计数量；

步骤7，通过安装于输煤皮带9上方的近红外探头6对输煤皮带 9上的煤炭体积进行同步测量，将煤炭体积测量信号与信号处理器5 的分析结果一起传送到下位机7；

步骤8，下位机7利用近红外探头6测量得到皮带上待测煤炭的 瞬时体积，将步骤6所得到的钍、镭、铀、钾、铷的五种元素的总脉 冲计数量和该五种元素各自的单一元素脉冲计数量依据煤炭的瞬时 体积换算成单位体积的总脉冲计数量和单一元素脉冲计数量，然后， 得到待测煤炭单位体积内所含有的钍、镭、铀、钾、铷的具体含量， 并通过待测煤炭单位体积内所含有的钍、镭、铀、钾、铷的具体含量 与煤中无机物总含量的比例关系，运算得到待测煤炭的灰分值；

步骤9，下位机7将得到的水分值和灰分值代入公式

Q^f _DW＝K _o-86W^f-92A^f

式中：Q^f _DW——燃料的分析基低位热值，千卡/公斤；

W^f、A^f—燃料中分析基水分、灰份重量百分含量；

K_o—系数，具体为：

当A^f的重量百分含量为37-44％时，K_o为68.5；

当A^f的重量百分含量为44-48％时，K_o为67.0；

当A^f的重量百分含量为48-55％时，K_o为65.0；

当A^f的重量百分含量为55-60％时，K_o为63.0；

当A^f的重量百分含量大于60％时，K_o为61.5；

步骤10，将发热量Q^f _DW通过通讯电缆在上位机(8)上显示。

本发明测量方法利用微波雷达天线测得煤炭的水分，利用低噪声 放大器测得煤炭的灰分，通过公式Q^f _DW＝K _o-86W^f-92A^f计算得到待测 煤炭的发热量。实现了无辐射、在线、安全、快速精确测量的目的。

对采用本发明装置及方法进行了现场监测结果进行分析，具体如 下：

采用本发明进行实际检测，随机截取连续60天的监测数据，以 “日”为单位进行算术平均，之后将每日平均值与电厂化验室的化验 数据进行一一对比，分别计算每天的本发明所检测的示值与化验室参 比值之差，绘制本发明所检测的示值与化验值的关系图，判断可能存 在的离群值和其他问题。具体见图3-5，从图中可以看出，在观测期 内，测得输煤皮带灰分、水分、发热量的实测值与化验值吻合良好， 灰分、水分的正负误差不超过2％，发热量对比误差在200大卡以内 的占94％，250大卡以内的占6％。

通过对本发明的监测结果进行分析，可以确定本发明与电厂化验 室入炉煤采样分析的化验数据比对误差小，重复性好，对电厂实行锅 炉能耗分炉管理具有一定的指导作用。

本实施例没有详细叙述的部件和结构及工艺均属本行业的公知 部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。