天然射线 ( 无源) 灰分仪在配煤系统 控制灰分的应用研究
配煤系统的灰分控制是选煤厂按照用户的灰分指标要求，将不同灰分等级的煤炭配比掺混以得到预期灰分的产品。传统的人工配煤或皮带秤称重闭环配煤，仅凭估算的给料煤大致灰分来控制配煤比例，配得的产品需再经采制样及化验后才能反馈给配煤系统，时间滞后 1 ～ 2 h，系统的调节效果很差，配制煤的灰分往往不稳定而且误差较大。因此开发配煤系统中的煤质灰分信息的在线检测技术势
在必行。在线灰分仪是灰分配煤系统的 “眼睛”，只有充分利用在线灰分仪反馈的灰分信息才能构成配煤闭环控制系统。
双能 γ 射线有源灰分仪虽然应用时间较长，但由于国家对放射源管控严格、测量区域小 ( 放射源为点源，仅照射 3 ～ 5 cm 宽煤流以点代面) 、低能射线无法穿透钢丝芯皮带及射源衰减等原因，其已被逐步淘汰，使用无放射源灰分仪已成为煤炭行业的潮流趋势。天然射线灰分仪不使用放射源，具有输送带上全断面灰分测量、可直接反馈加权平均灰分，不需要额外配置电子皮带秤等优 势，适合在灰分配煤闭环控制系统中应用。
1 天然射线灰分仪简介
1. 1 测量原理
煤具有天然放射性，灰分中含有天然放射性核素 40K，U 系、Th 系等。同一煤种，煤的单位质量天然放射性强弱与煤灰分呈正相关的关系。例如，某选煤厂煤样的灰分与煤天然放射性的线性相关度达 0. 975，煤灰分与天然放射性的关系如图1 所示。
天然射线灰分仪使用大尺寸闪烁晶体核探测器，探测输送带上煤流的天然放射性强度信号。探测器安装在输送带下方，探测区域由合金防辐射体屏蔽环境射线干扰，探测的核脉冲信号经多道能量谱线分析后，由主机解析计算在线实时给出煤质灰分［5 － 6］。
1. 2 负荷测量功能
煤的天然放射性强度与煤灰分和质量两个参数同时相关: 即同等灰分的煤，煤量的多少影响天然放射性的强弱，灰分仪应具有煤量补偿装置。在配煤系统中，煤流量会随着配比量的改变而有显著波动，因此为了准确校正煤流量的动态变化对灰分测量的影响，天然射线灰分仪采用全悬浮式负荷测量单元实时探测输送带煤量变化，并采取与核探测器一体化设计的机械结构，重合射线探测区和质量补偿区，达到核信号和负荷信号同步探测的目的，其结构示意图如图 2 所示。
灰分的测量精度要求天然射线灰分仪的负荷测量装置的累积量测量精度应优于 0. 5% ，对四川某选煤厂安装的天然射线灰分仪进行实物校验结果见表 1。从表 1 可以看出其检定精度优于 0. 25% ，已达到高精度电子皮带秤的标准。
天然射线灰分仪的负荷测量单元可以完全替代现有电子皮带秤，直接向配煤控制器输出经产量加权的平均灰 分，如 “分钟灰分” 或 “十分钟灰分”。天然射线灰分仪自行实现灰分加权计算，使控制器的控制策略更为简单，配煤控制器可直接读取反馈测量值，不必再做积分运算，而只专注于配煤控制算法的实现。这样能够有效减轻配煤控制器的计算负担。 经加权煤量负荷后，向配煤控制器传输的时间段平均灰分，可由式 ( 1) 计算得出:
2 在配煤系统中的安装位置
基于灰分控制的配煤流程如图 3 所示，灰分仪的安装位置选择决定了反馈响应时间的长短。在配煤系统中天然射线灰分仪的主要任务是向配煤控制系统及时反馈配煤灰分的检测信息供集控系统控制配煤。因此，天然射线灰分仪的反馈响应时间应尽可能的短，才能解决调控时间迟滞的问题。
为了提高系统的响应能力，减小系统时间常数，缩短反馈迟滞时间，理论上天然射线灰分仪应靠近控制系统的执行机构，安装在执行机构 ( 给煤机或放料闸门) 下方的输送带处。由于配煤控制，会出现多个下料口同时落煤，在输送带上造成灰分不固定的上下分层现象，如图 4 所示。从天然射线灰分仪的原理可知，灰分中富含的天然放射性核素可类比为 “微型天然放射源”，灰分不均匀分层现象会导致 “微型天然放射源”的几何分布不均，其发出的天然射线到达核探测器的传输路径和距离均发生改变，核射线探测器捕获的信号计数率也会发生显著变化。由于配煤系统中落料是不定时、分层相对位置不固定、分层比例也不恒定等原因，会使灰分分层对灰分仪的测量结果带来较大的误差。
为了保证天然射线灰分仪的测量准确性，应当在安装点之前，增设一个过渡仓，输送带上的煤落入过度仓内，再经溜槽倒换到装有天然射线灰分仪的传送带上，使得各种灰分的煤均匀混合。由于物料的传输延时增加了系统的时间常数，形成了一个纯滞后的反馈控制系统。会引起控制系统产生超调或者振荡，这与控制系统的反馈响应时间尽可能短的要求相矛盾。
为解决这一问题需要调整改善配煤控制策略，在控制回路中引入史密斯预估器进行纯滞后补偿，在控制算法中增加史密斯预估控制，以改善控制效果。
3 与配煤控制系统的信号传输
在灰分配煤系统中，天然射线灰分仪作为测量装置需向配煤系统控制器反馈测量信号。天然射线灰分仪具备模拟量、OPC、CAN 等三种信号传输形式。
3. 1 模拟量传输
天然射线灰分仪采用工业标准的 4 ～ 20 mA 模拟电流信号，可输出多路变量: 瞬时灰分、平均灰分、瞬时流量等。由于每一路模拟量只表示一个变量，传递的信息有限，且存在 AD 和 DA 的固有转换误差，在高精度控制的场合，若没有经变换校准，会造成控制偏差。另外，多个灰分监测点的模拟量传输需要控制系统额外增加 AD 转换模块，现场布线复杂，控制系统将大幅增加硬件成本和组网难度。
3. 2 OPC 传输
天然射线灰分仪的主机支持 OPC 标准传输。控制系统可通过局域网络访问天然射线灰分仪的主机，灰分仪主机提供 OPC 软件接口，主机作为负责数据采集的 OPC 服务器，向控制系统客户端传输测量数据。但这种方式的缺点是要求配煤控制器支持 OPC 功能，并开放以太网连接 OPC 服务器，增加了配煤控制系统软件开发负荷，而且传输实时性和安全性稍差，硬件成本高。
3. 3 CAN 总线传输
天然灰分仪的计算仪表采用 NXP 微控制器，其具有 CAN － BUS 总线接口，支持 CANOPEN 标准传输 协 议。该接口经电磁耦合隔离后可挂接在CAN 总线网络上，能够经受 4 kV 电压快速变脉冲群冲击，因此配煤系统仅需要一路带屏蔽层的双绞线即可实现天然射线灰分仪测量信号组网，一次性传输瞬时灰分、平均灰分、瞬时流量、累计产量、皮带速度等多个变量，信号传输速率可达 0. 5 ～ 1 Mbps，传输距离 1 ～ 10 km。配煤控制系统中除增加一个 CANOPEN 主站模块外不需要额外的硬件成本，多个灰分监测点均可以挂接在该主站模块上构成的 CAN 网络上，数据反馈实时、高速。
由于 CANOPEN 是专业用于工业场合实时数据传输的标准协议，涵盖了一整套软硬件标准，数据传输容量大，抗干扰能力强，组网容易方便，成本低，软件开发工作量小。因此，推荐在使用天然射线灰分仪的 CAN 接口向灰分配煤系统反馈数字量信号。
4 应用实例
山西某选煤厂的动态装车配煤系统，应用天然射线灰分仪实现灰分配比后筛末煤和洗末煤的终端检测回馈。由于多个灰分不同煤仓的落料在输送带上形成了物料叠加分层现象，为了确保天然射线灰分仪的测量精度，将天然射线灰分仪安装在配煤流程最后的装车皮带上。该装车输送带带宽1 400 mm，带速 3. 15 m/ s，输送量在 1 000 ～ 1 200 t / h之间。煤流在到达装车输送带之前，利用混煤装置，以均匀分布形态通过天然射线灰分仪的检测。使用控制系统 PLC 预留的模拟量接口，天然射线灰分仪以 4 ～ 20 mA 形式向控制系统传递灰分和流量信息，天然射线灰分仪的测量值与化验值见表 2 。
从表 2 可知，天然射线灰分仪实现了对两种灰分等级装车煤进行在线灰分检测，其测量精度分别优于 0. 3% 和 1. 0%［8 － 10］，满足装车系统，配煤灰分稳定的要求。
5 结语
天然射线灰分仪以在线检测精度高，不使用放射源，全断面测量，能提供多种形式反馈信号的特点，在配煤系统中控制灰分取得了良好的应用效果，是构建智能化选配煤系统的组成基础。为了充分发挥天然射线灰分仪的作用，在构建配煤系统时，有如下建议:
(1) 应为天然射线灰分仪提供合适的测量环境，使灰分仪检测的配煤煤流应当混合均匀，皮带上没有明显的灰分上下分层或左右分置现象。
(2) 天然射线灰分仪的管理维护应当由专人负责，定期做好测量环境本底、核探测器保持清洁定时清扫、经常校验零点等工作。
(3) 为提高配煤的精准度，如果投资条件允许，可在上级入仓皮带安装天然射线灰分仪，构成多灰分监测点的分级反馈控制。
