邢 濤

（華電集團(tuán)山東公司，山東 濟(jì)南 250014）

基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的電廠入爐煤煤質(zhì)在線檢測(cè)技術(shù)研究

邢 濤

（華電集團(tuán)山東公司，山東 濟(jì)南 250014）

針對(duì)入爐煤的煤質(zhì)分析情況，研發(fā)的適合當(dāng)前我國(guó)燃煤電廠的煤質(zhì)在線智能檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)鍋爐燃燒調(diào)整和優(yōu)化具有指導(dǎo)作用，從而有力確保了電廠鍋爐的安全、高效運(yùn)行。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)； 電廠入爐煤； 定量采樣； 自動(dòng)連續(xù)制樣； 智能在線檢測(cè)系統(tǒng)

0 引言

在煤電行業(yè)，電廠燃煤費(fèi)用占火電廠運(yùn)行成本的70%以上。煤炭中的熱值、灰分、水分、揮發(fā)分、硫分等數(shù)據(jù)是煤炭化驗(yàn)分析的重要指標(biāo)，也是煤質(zhì)驗(yàn)收結(jié)算和指導(dǎo)鍋爐燃燒的主要依據(jù)指標(biāo)。傳統(tǒng)煤質(zhì)化驗(yàn)分析主要依靠人工取樣、制樣和化驗(yàn)分析，工序繁瑣且耗時(shí)較長(zhǎng)，不能及時(shí)反饋煤質(zhì)信息，從而無(wú)法第一時(shí)間指導(dǎo)鍋爐燃燒調(diào)整和優(yōu)化，對(duì)電廠來(lái)煤驗(yàn)收、鍋爐安全運(yùn)行、以及提高經(jīng)濟(jì)效益方面都存在一定影響。

基于無(wú)放射源的煤質(zhì)在線檢測(cè)技術(shù)將成為發(fā)展方向，以激光誘導(dǎo)擊穿圖譜分析法（LIBS）為代表的無(wú)源或準(zhǔn)無(wú)源的在線檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)興起，并有初步應(yīng)用，必將成為行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的全自動(dòng)煤炭定量采樣、制樣、輸送、檢測(cè)系統(tǒng)是目前適合我國(guó)電廠應(yīng)用的一項(xiàng)全新技術(shù)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全元素分析。檢測(cè)系統(tǒng)具有檢測(cè)速度快、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、自動(dòng)化程度高、避免人為因素影響、減少勞動(dòng)強(qiáng)度等特點(diǎn)，給電廠用煤的驗(yàn)收化驗(yàn)、分類存放以及指導(dǎo)鍋爐燃燒調(diào)整，實(shí)時(shí)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。

1 系統(tǒng)的原理及組成

1.1 系統(tǒng)原理

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）[2]是一種原子發(fā)射光譜，它使用脈沖激光器作為激發(fā)源。激光脈沖聚焦到被測(cè)物體的表面，使被測(cè)材料表面的激光功率密度超過(guò)1GW/cm2。在如此之高的激光功率密度作用下，被測(cè)材料表面就會(huì)有幾微克的物質(zhì)被噴射出來(lái)，同時(shí)材料表面還會(huì)產(chǎn)生壽命很短但亮度很高的等離子體，其瞬間溫度可達(dá)10000℃。冷卻過(guò)程中，處于激發(fā)態(tài)的原子和離子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，并發(fā)射出具有特定波長(zhǎng)的光輻射。探測(cè)系統(tǒng)可以使用高靈敏度、高分辨率、多通道光纖光譜儀進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)通道均有2048像素線陣CCD探測(cè)器。采集到的200-1050nm寬光譜數(shù)據(jù)并傳送給應(yīng)用軟件進(jìn)行分析。

1.2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由一個(gè)核心主控系統(tǒng)、四個(gè)子系統(tǒng)：定量采樣系統(tǒng)、煤樣輸送系統(tǒng)、自動(dòng)制樣系統(tǒng)、智能激光檢測(cè)系統(tǒng)組成。

圖1 電廠入爐煤煤質(zhì)在線智能檢測(cè)系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 on-line intelligent detection system of coal as fired in power plant

本系統(tǒng)的核心主控系統(tǒng)的主要功能是對(duì)采樣、輸送、制樣以及檢測(cè)的全過(guò)程進(jìn)行控制，并對(duì)設(shè)備的運(yùn)行信息及煤質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

（1）定量采樣系統(tǒng)

定量采樣系統(tǒng)主要功能是在入爐煤皮帶輸煤中進(jìn)行定量采樣，該系統(tǒng)主要由采樣裝置、恒溫加熱裝置、定量裝置等組成。采樣裝置根據(jù)樣品采集時(shí)間進(jìn)行采樣，采樣時(shí)間和采樣質(zhì)量按照標(biāo)準(zhǔn)制定。恒溫加熱裝置采用國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)的恒溫傳感技術(shù)，定量裝置采用國(guó)際先進(jìn)的雷達(dá)料位傳感技術(shù)，確保定量準(zhǔn)確。

（2）煤樣輸送系統(tǒng)

煤樣輸送系統(tǒng)主要功能是將煤樣進(jìn)行精準(zhǔn)輸送及棄料返回，該系統(tǒng)主要由輸送裝置、提升裝置等組成，其作用主要是精準(zhǔn)輸送煤樣，不漏料、不堵料。該煤樣輸送裝置采用國(guó)際較為先進(jìn)的智能紅外傳感+電力線載波通訊技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位、輸送煤樣的功能。

（3）自動(dòng)制樣系統(tǒng)

自動(dòng)制樣系統(tǒng)主要功能是將輸送煤樣進(jìn)行全自動(dòng)連續(xù)制樣，該自動(dòng)制樣系統(tǒng)采用國(guó)際先進(jìn)的超聲波傳感+嵌入系統(tǒng)核心控制技術(shù)，為國(guó)際較為先進(jìn)的制樣技術(shù)，能夠滿足國(guó)標(biāo)制樣的要求，且實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)連續(xù)制樣功能。

（4）智能激光檢測(cè)系統(tǒng)

智能激光檢測(cè)系統(tǒng)接收前面自動(dòng)制樣系統(tǒng)制作煤樣后，對(duì)該煤樣進(jìn)行全元素檢測(cè)，分析電廠入爐煤質(zhì)，并根據(jù)發(fā)電需求將數(shù)據(jù)信息上傳至集控系統(tǒng)，從而為燃燒調(diào)整提供實(shí)時(shí)煤質(zhì)數(shù)據(jù)信息。

圖2 入爐煤檢測(cè)數(shù)據(jù)Fig.2 coal as fired test data

2 系統(tǒng)運(yùn)行及數(shù)據(jù)驗(yàn)證情況

根據(jù)國(guó)家制定的入爐煤炭工業(yè)參數(shù)含量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)華電章丘電廠的煤炭進(jìn)行了LIBS在線檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)煤種灰分含量和硫的含量分別為15%-25%和2%-5%，為海陸交替沉積煤，有的灰分含量超過(guò)30%。采用不同灰分和硫等含量的煤炭作為在線分析煤樣，能夠確定儀器的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，并根據(jù)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

該在線檢測(cè)系統(tǒng)為CoalCam D3快速煤質(zhì)分析系統(tǒng)，煤炭的定標(biāo)曲線由已知濃度的煤炭樣品得出，儀器學(xué)習(xí)得出定標(biāo)曲線的樣品個(gè)數(shù)由所需的測(cè)量煤炭參數(shù)和所需要達(dá)到的精度來(lái)確定。圖2為使用快速煤質(zhì)分析系統(tǒng)對(duì)該公司的入爐煤進(jìn)行的LIBS學(xué)習(xí)建模和預(yù)測(cè)檢測(cè)，學(xué)習(xí)不同含量的煤樣（b）揮發(fā)分（c）固定碳（d）熱值（e）氫（f）灰分的檢測(cè)數(shù)據(jù)，其中cali值為儀器學(xué)習(xí)建立的模型分布，vali值為另外8組煤樣應(yīng)用建立的模型進(jìn)行的預(yù)測(cè)計(jì)算，其RMSEP都在1以下。圖2（a）中為預(yù)測(cè)的8組數(shù)據(jù)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比，預(yù)測(cè)偏差都小于動(dòng)態(tài)國(guó)標(biāo)值。

詳細(xì)數(shù)據(jù)驗(yàn)證如下，其中對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)完全按照GB/T29161-2012《中子活化型煤炭在線分析儀》動(dòng)態(tài)精密度（95%置信概率）的要求：

表1 編號(hào)GBW11102t標(biāo)準(zhǔn)煤兩瓶測(cè)試16組的數(shù)據(jù)對(duì)比分析Tab.1 Number GBW11102t standard coal two bottles,test 16 sets of data comparative analysis table

表2 編號(hào)GBW11111k標(biāo)準(zhǔn)煤兩瓶測(cè)試14組的數(shù)據(jù)對(duì)比分析Tab.2 Number GBW11111k standard coal two bottles,test 14 sets of data comparative analysis table

表3 編號(hào)GBW11108o標(biāo)準(zhǔn)煤兩瓶測(cè)試14組的數(shù)據(jù)對(duì)比分析Tab.3 Number GBW11108o standard coal two bottles,test 14 sets of data comparative analysis table

將在線測(cè)試標(biāo)煤的所有測(cè)試均值與標(biāo)準(zhǔn)煤真值對(duì)比，GBW11102t共16組數(shù)據(jù)中的灰分、揮發(fā)分偏差較大，其它組份偏差較??；GBW11111k共14組數(shù)據(jù)中的揮發(fā)分偏差較大，其它組份偏差較??；GBW11108o共14組數(shù)據(jù)整體準(zhǔn)確性偏低。同時(shí)，參照《煤炭在線分析儀測(cè)量性能評(píng)價(jià)方法》（GB/T19952-2005）的動(dòng)態(tài)精密度[3]（95%置信概率）的計(jì)算方法，3組數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)精密度計(jì)算，動(dòng)態(tài)精密度結(jié)果良好。

入爐煤煤質(zhì)在線智能檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖如圖3-圖7所示。

圖3 煤樣11102與11108灰分趨勢(shì)圖Fig.3 coal sample 11102 and 11108 ash tendency chart

圖4 煤樣11108與11111揮發(fā)分趨勢(shì)圖Fig.4 Coal sample 11108 and 11111 volatile tendency chart

圖5 煤樣11108與11111熱值趨勢(shì)圖Fig.5 coal sample 11108 and 11111 calorific value tendency chart

圖6 煤樣11108與11111全硫趨勢(shì)圖Fig.6 Coal sample 11108 and 11111 full sulfur tendency chart

圖7 煤樣11108與11111氫值趨勢(shì)圖Fig.7 Coal sample 11108 and 11111 hydrogen value tendency chart

對(duì)灰分、揮發(fā)分、熱值、全硫、氫值等指標(biāo)各取兩個(gè)煤樣分析對(duì)比，入爐煤煤質(zhì)在線智能檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試的穩(wěn)定性較好，三個(gè)煤樣的動(dòng)態(tài)精密度均合理，下一步需要繼續(xù)擴(kuò)充系統(tǒng)中的模型容量，使入爐煤煤質(zhì)在線智能檢測(cè)系統(tǒng)的適用性更強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析法（LIBS）的在線智能檢測(cè)系統(tǒng)，是電廠入爐煤煤質(zhì)分析技術(shù)的一次重大變革，該設(shè)備在章丘電廠的應(yīng)用研究是實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的重要一步。我國(guó)火電廠每年因煤質(zhì)問(wèn)題所帶來(lái)的損失超過(guò)千億元，實(shí)時(shí)在線提供燃煤煤質(zhì)數(shù)據(jù)，能夠提醒運(yùn)行人員煤質(zhì)的波動(dòng)，從而提前做出相應(yīng)調(diào)整，提高鍋爐燃燒效率，減少污染物排放。因此，煤質(zhì)在線分析對(duì)火電廠安全、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要。

[1]趙忠輝，方全國(guó)．煤質(zhì)在線檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析[J].煤質(zhì)技術(shù)，2017，4：18-21．Zhao Zhonghui，F(xiàn)ang Quanguo，Geng．Presentsituation and development trend analysis of coal quality online detection technology[J]． Coal Quality Technology，2017，4：18-21(in Chinese)．

[2]袁冬青，周明，劉長(zhǎng)隆，等.激光感生擊穿光譜技術(shù)(LIBS)的原理及影響因素[J].光譜學(xué)與光譜分析，2008，9：2019-2023.YuanDongqing， ZhouMing， LiuChanglong， etal．Principle and Influencing Factors of LIBS[J]．Spectroscopy and Spectral Analysis，2008，9：2019-2023(in Chinese)．

[3]GB/T19952-2005，煤炭在線分析儀測(cè)量性能評(píng)價(jià)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006．

Study on On-line Intelligent Detection System of Coal as Fired in Power Plant on LIBS

XING Tao
（Huadian Group Shandong Company，Jinan 250014，China）

The system is coal-based online intelligent detection system forthe currentcoal-fired powerplant based on the analysis of the coal into the boiler.The system can guide the boiler combustion adjustment and optimization ,thuseffectively ensuring the powerplantboiler safe and efficient operation.

LIBS； coal as fired； quantitative sampling； automatic continuoussample preparation； intelligent online detection system

TM621

B

2095-3429（2017）05-0011-05

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.05.003

2017-05-27

邢濤（1973-），男，山東人，本科，工程師，主要從事電站安全生產(chǎn)和節(jié)能減排工作。