煤质成分在线检测装置

电力18讯：    我国火电厂普遍存在着燃用煤质与锅炉设计煤种不相符的现象，二者甚至相差很大，不仅降低了锅炉燃烧效率，且严重地影响了锅炉运行安全。由于煤种变化造成锅炉出力不足、热效率下降，制粉能力降低，锅炉受热面结焦、积灰等情况，煤质变化 导致的锅炉事故也屡见不鲜。目前，煤种多变已成为影响火电厂燃煤机组安全经济运行主要症结之一。
    燃煤电厂的煤质分析，现较普遍要经过采样、缩分、制样、化验等环节，这一过程需较长的时间， 锅炉运行人员获得煤质分析数据延迟的时间更长，这样的一种运行方式导致大量的原煤在盲目状态下燃烧。在煤种变化较大的情况下，若未及时进行必要的调整或采取相应的措施，极有可能造成严重的后果。此外，取样的代表性也是煤质实验室分析中长期存在的问题，尤其是燃用混煤的电厂。对不具代表性的煤样进行实验室分析，其误差将会很大，给运行人员造成假象，影响锅炉的安全经济运行。因此，我国火力发电厂需一种能够快速、准确检测入炉煤煤质成分的分析装置，让运行人员实时地掌握燃煤成分，在调节风煤比、投油稳燃、调节冷热风门前做到心中有数，真正实现了锅炉安全、经济运行。
一、测量原理
    中子活化分析技术是基于中子与原子核反应的过程，当一个热中子或快中子打到一个原子核上，中子将被核吸收，使核处于激发状态，并很快放出一个γ光子，使核恢复到稳定的基态。中子与核素的反应有多种方式，能产生瞬发γ射线的反应主要为热中子俘获反应和非弹性散射反应。其中热中子俘获反应主要发生在热中子区，反应生成的核处于高激发态，激发核素在退激过程中，可发出多条γ射线，可选择产额较高，不受其他γ射线干扰的谱线作为特征γ射线。非弹性散射反应是阈能反应，仅发生于快中子能量范围，其生成核大多处于第一激发态，往往发射单一能量的特征γ射线。对于每一种确定的核素，都以一定的几率发出具有某特征能量的γ射线，根据特征γ射线的能量和强度，即可确定被测介质中存在的核素及含量[1，2，4]。煤质成分在线检测装置即基于上述机理，利用热中子俘获反应分析煤中的氢、氮、硫、铝、硅、铁、钙、钛、钠和钾等10种元素，利用快中子非弹性散射反应分析煤中的碳和氧元素，从而实现煤质的全元素分析。
二、系统配置及工作原理
    从整体上看，煤质成分在线检测装置由防护单元、测量单元、谱分析及控制单元、计算机处理单元4部分构成。图1是煤质成分在线检测装置的系统配置方框图。
              
    防护单元由中子慢化体、中子吸收体及γ射线屏蔽体构成。主要作用是降低周围环境中的中子及γ射线辐射剂量，避免污染环境以及对人体的伤害。
    测量单元由中子发生器、探测器及相关附属部件3部分构成。中子发生器是一种微型的离子加速器，其核心部件是中子管。它把离子源、加速系统、靶和气压调节系统全部密封在一支陶瓷管内，构成一支结构简单紧凑、使用方便的电真空器件，其主要功能是产生14MeV的高能中子。探测器主要功能是检测接收γ光子，将光信号转变为电信号，并对信号进行初步处理。附属部件包括中子反射体、中子慢化体。主要作用是提高中子利用率;改变快热中子的比例;降低周围环境中的本底γ射线，减少对有效γ射线信号的影响[3]。
    谱分析及控制系统由γ谱分析单元、测量装置控制单元、中子发生器控制单元、电源单元4部分组成。γ能谱分析单元将来自探测器的电信号进行处理，并将模拟信号转换为数字信号，最后由通信接口送至计算机单元。中子发生器控制单元由三氟化硼计数管、前置放大器、主放大器及计数器构成。中子发生器控制单元用来调节中子产额，使输出中子产额稳定，保证装置具有良好的分析精度。电源单元保证给装置可靠的、不间断的供电。
    计算机处理单元由谱处理模块、元素成分分析模块、工业成分分析模块及锅炉优化运行模块4部分组成。谱处理模块对采集到的谱数据进行分析处理;元素成分分析模块计算出各元素成分的含量;工业成分分析模块用以计算燃煤的工业分析数据、灰成分分析数据、灰熔点、燃煤结焦特性及燃烧特性等;锅炉运行优化模块是在元素分析数据、工业分析数据的基础上，指导电站锅炉燃烧、制粉系统运行优化的高级应用模块。
    皮带上的煤流经过简单的整形后，进入测量段。测量装置跨在输煤皮带上，中子发生器和探测器布置于输煤皮带的下方。当检测到皮带上煤时，系统开启中子发生器，同时发射出高能中子。进入测量段的煤流在高能中子的照射下，部分核素与高能中子发生非弹性散射反应，放射出特征γ射线。探测器和中子发生器之间布置有慢化体，部分高能中子经过慢化体被慢化成低能的热中子，低能的热中子与部分核素发生俘获反应，放射出