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多能人工射线煤质检测装置在燃煤电厂的应用

彭小强：江西核电有限公司高级主管

今天分享的主题是多能人工射线煤质检测装置在燃煤电厂的应用，主要从三个方面为大家进行分享。第一部分是多能人工射线煤质检测装置开发背景，第二部分是多能人工射线煤质检测装置原理及特点，第三部分是多能人工射线煤质检测装置的应用。

一、多能人工射线煤质检测装置开发背景。

现在我们都在讲智慧电厂的建设，所谓智慧电厂的建设就是在数字化电厂的基础上，利用互联网、物联网、人工智能、大数据分析、云计算等信息化、虚拟现实等技术，对电厂系统和数据进入深入挖掘，系统达到更安全、更高效、更经济的智能化生产运营。

智慧电厂的关键一环首先是数字化，只有数字化以后才能进一步智能化，然后智慧化。对电厂来说，在数字化这方面，机、炉、电的控制基本上都已经数字化了，除了进行了DCS控制，PVC控制，各个过程各个环节的特点是能准确地传送到控制系统。但是电厂对煤场的管理，特别是对煤质的管理方面，实际上还没有完全出现质量或者说数字化的过程。

对电厂也是一个难点，比如入厂煤建立数字化煤场，入炉煤进行智能化掺烧，如何能在线进行碳排放监测，要确保污染物排放量达标。传统的煤质检测主要采用人工发电的方式，人工发电的方式相对来说滞后。快一点的化验结果出来要半天，慢一点可能两、三天，不能及时提供数据，等人工化验结果出来以后，入厂煤已经送到农场燃烧了，无法利用人工化验结果进行煤质掺配，只能通过人工经验。比如说，某一个煤矿前几天来的煤，那么今天来的煤我只能依据前几天来的煤进行配煤，这样就不可能达到精确配比，那就需要开发精度较高、能安全可靠、全过程实时地煤质在线检测设备。这个这这装置是以后数字化，特别是数字化智能化电厂的一个发展方向，具有很大的应用潜力。

国内外主要的煤质在线检测装置煤灰分（硫分）检测技术，在70年代就开始有应用，国内应用也比较多，但是由于各种原因，特别是对粉煤的测量，因为电厂一般都是多种煤质，粉煤测量的精度目前还不是很高。其测量技术主要分为两大类。第一类是核测技术，包括天然γ射线法、双能γ射线透射法、高能γ射线湮没法、中子活化瞬发γ射线和多能人工射线（X射线）吸收法。第二类是非赫尔技术，包括近红外线光谱分析法NIRS和激光诱导击穿光谱分析法LIBS。

煤质在线检测装置煤灰分（硫分）检测技术的问题：1.大部分采用物理模型两元的方式而不是多元的，这就导致一个后遗症——对粉煤的测量不是很精确。10万吨γ射线装置其实很早就出现了，在煤矿里的应用也比较广，但是为什么就就在电厂里无法应用？其煤的测量不是很好，在电厂的实用性不是很好。2.对煤流厚度测量要求比较高，就是说不能测量很厚的煤。比如直接在主皮带上测量，皮带上面的煤一般都有十几到二十几厘米，能测煤整个厚度的装置很少，因为不能全采样，测出的煤质就不具有代表性，警戒度不高。3.对煤粒度要求比较高，有的煤，可能只能测量1、2厘米，有的装置可以测10厘米。有些装置不能直接安装在输煤的主皮带上，只能旁路上对另外取样的煤进行二次磨碎，比如磨成13毫米再进行测量，煤的厚度也不能太厚了。4.对环境的影响比较大，比如光线、粉尘、灰尘、振动。5.使用放射源，比如有些电厂认为按照法规管理方式太麻烦，所以大家也不愿意适用具有放射源的装置。

基于这些装置的特点，我们开展了深入的市场调研，经过详细技术和产品应用对比，认定多能人工射线法最为理想，且该技术相关产品已在国内煤矿和电厂应用，使用效果良好。

二、多能人工射线煤质检测装置原理及特点。

原理就是采用多能人工射线（X射线）吸收反射法，既解决了同类产品携带放射源的问题，又能实时高精度地检测煤炭质量，改变了我国传统采、制、化滞后性的现状。

煤中的主要元素有以C为主的低原子序数元素，和Si、Al、Ca、Fe、S等较高原子序数元素。利用人工射线照射煤，从人工射线中可以获得很多种能量的射线，并将煤看成包括如下元素的混合物：以C为主的低原子序数元素，Si、Al组成的第2种元素，Fe为第3种元素，Ca为第4种元素、S为第5种元素。将人工射线照射煤样，测量作用后的不同能量的射线强度，选取至少5个敏感能量区间，从而获得至少5个方程，将其组成方程组，解方程组可以获得各种组分的含量，进而计算出灰分等指标。此方法受煤中元素成分比例变化的影响小，可以适应混煤、重介选煤等情况下的煤质检测。两种能量的射线两元数学模型，改进成多种能量的射线多远数学模型：

C=f1(e1),Si=f2(e2),Ca=f3(e3)

Ca=f4(e4),S=f5(e5)

A=f(Si,Al,Fe,Ca)，Q=g(C,A,W)

选择X射线的优势：1.电控开关，安全可控，便于管理。2.射线容易屏蔽，安全性好，设备重量轻。3.射线能量丰富，多种能量可选。4.射线参数可调，可调节最佳工作点。

GH-300-AC/Z型在线人工射线煤灰（硫）分仪

产品参数：

额定电压：220V，允许偏差-10%～+10%

额定频率：50Hz，允许偏差±5%

环境温度：-35℃～+45℃

相对湿度：≤98％

测量项目：灰分、热值（硫分）

设备尺寸：500*280*460

多能人工射线煤质检测装置水分检测基本原理：利用先进的微波透射测水技术，通过测量微波透射后的信号，对物料整体进行等权重测量，深入探测物料内部的水分。微波透射物料后，其相移和衰减会发生变化。水分越大，相移和衰减就越大。通过刻度可以得到不同种类物料的水分—相移、水分—衰减曲线。利用这两条曲线就可以准确测量出物料水分。

GH-300型在线水分仪

产品参数：

环境温度：0℃—50℃；

环境相对湿度：＜90%

电源要求：

单相交流220V（1±10%），50Hz，1000VA

测量项目：水分

设备尺寸：500*200*600

通讯接口：该装置利用多能人工射线（X射线）照射，非接触式、在线（离线）对发热量、灰分、水分等煤质指标进行实时测量。留有工业专用通讯接口（RS-232、RS-485），可以使用TCP/IP、MODBUS等通信协议，4～20mA模拟量出通道。

安装方式分为三种：在输煤主皮带上检测煤质，在弃疗返回处加装小皮带并检测煤质，在采样机小皮带上检测煤质。

产品特色有：1、采用人工射线，不使用放射源，安全可靠。2、可以实时在线检测，检测速度快，解决了传统采制化滞后性的问题。3、改变了目前混煤精准测量技术空缺的现状。4、采用非接触式测量，数据稳定，精度高，设备故障率低，易于维护。5、可以直接安装在输煤皮带上，对全煤流进行在线检测分析，避免了取样的代表性问题。6、具有数据共享接口，可并入使用单位的网络信息系统。

三、多能人工射线煤质装置的应用。

该系统在火电厂进行实时煤质在线检测，最终实现数字化电厂。第一是入厂煤质检测，监控质量，防止掺假。第二是煤场堆料时，指导按煤质（灰分、发热量）堆放；取料时，指导煤的掺配，保证入炉煤发热量稳定。第三是安装到入炉煤皮带上，配合锅炉控制软件，提高煤炭燃烧效率。

通过在煤场配置在线煤质检测装置、激光盘煤仪，再将进厂、堆取、入炉煤数据联动，以三维图形全面直观动态将煤场的信息和工作过程展示出来。准确直观显示煤场三维图、平面图和展开图、煤场表面和中部挡墙的实时温度分布图，以及煤场存煤信息。各原煤仓的存煤状态实时反应到人机界面中，计算并显示煤种变化时的分层界面，实时显示各层煤量、煤质（热值、灰分、水分）情况。可实现所有原煤仓的全自动储煤测量，绘制出三维筒仓模型，获取储煤高度。可实现筒仓存煤分批次的不同颜色显示，对接皮带秤、给煤机，获取筒仓进耗煤量，及时更新筒仓存煤信息。

基于入炉煤质实时在线检测数据，根据煤质在线分析结果，实现燃煤的全流程可视化展示，为燃料与运行人员提供直观的数据信息流。指导燃料掺配、制粉、燃烧、协调、排放。开发智能燃烧优化控制系统充分利用锅炉燃烧调整原理和经验，建立非对称神经网络模型，避免过分依赖样本数量的问题，将氧量给定、各层二次风门开度、燃尽风门开度都纳入在线燃烧优化的控制范围，实现炉侧的全面闭环优化控制。

应用案例：1、2019年6月，在国家电投江西新昌电厂（2*660MW））电煤码头卸船输煤皮带机头位置安装了GH系列煤质在线检测装置。2、2020年8月，在贵州金元黔西电厂安装了一套GH系列在线煤质检测装置，设备经过静态调试、动态调试及近两个月的试运行后，煤质测量精度达到了技术协议的要求。

装置性能认定：2019年12月上旬，GH系列煤质在线检测装置经江西煤炭工业检测中心、江西省煤炭质量监督检验站，按照《煤炭分析仪测量性能评价方法》（GB/T 19952-2005）进行认定：仪器稳定性、标定的有效性、操作测量性能均符合国标要求。

国家电投集团煤质检测装置技术交流会：12月下旬，在南昌召开国家电投煤质检测装置技术交流会，70多家系统内外燃煤电厂相关单位130余人参加会议，实地参观了安装在新昌电厂的GH系列煤质在线检测装置，并对核测煤质检测技术进行了讨论，该技术示范应用各项检测数据、性能指标均达到国际领先水平，引起参会者共鸣。

电厂应用——某电厂燃烧扰动经验反馈：某电厂8：00时左右接调度要求机组升负荷，由于仓位较低，当班值长要求燃运部门尽快上高热值的煤，正好入场煤报送的热值较高，燃运部门由于时间不充足未对配煤进行化验，8:30时就从入场煤直接上仓。导致机组9:00时至10:30时期间锅炉燃烧扰动大，单机最低负荷仅带到2万左右。经该电厂燃料部员工调看淦核科技煤质在线检测装置（入厂煤检测）历史数据发现，燃运部门8:30时至10:30时期间上仓的煤购自上海，煤质8:30至10:30期间波动较大，8:30就检测到煤质灰分由28.97%突变到39.23%，检测到最大灰分在10：13的49.39%。具体检测情况见下图所示。由于煤质在线检测装置还未移交给该电厂使用，相关数据尚未接入SIS和DCS系统，因而电厂人员未及时收到煤质异常报警。从以上信息从看，煤质在线检测装置在8：30时已检测到上仓的煤质变差，10：30时煤质才变好。9点多钟锅炉才发生燃烧扰动，若该设备信号接入SIS和DCS系统，运行人员完全有时间采取措施，保证锅炉燃烧稳定，避免此次事件的发生。

未来前景：入厂煤检测，入炉煤检测，碳排放监测。

煤质核谱的标配：煤质核谱，煤质身份证，煤质大数据。机器学习、人工智能、刷脸时代、精准管理实现煤质管理智能化，助力智慧电厂建设。

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