基于激光誘導擊穿光譜技術的電廠入爐煤煤質在線檢測技術研究

邢 濤

（華電集團山東公司，山東 濟南 250014）

基于激光誘導擊穿光譜技術的電廠入爐煤煤質在線檢測技術研究

邢 濤

（華電集團山東公司，山東 濟南 250014）

針對入爐煤的煤質分析情況，研發的適合當前我國燃煤電廠的煤質在線智能檢測系統，對鍋爐燃燒調整和優化具有指導作用，從而有力確保了電廠鍋爐的安全、高效運行。

激光誘導擊穿光譜技術； 電廠入爐煤； 定量采樣； 自動連續制樣； 智能在線檢測系統

0 引言

在煤電行業，電廠燃煤費用占火電廠運行成本的70%以上。煤炭中的熱值、灰分、水分、揮發分、硫分等數據是煤炭化驗分析的重要指標，也是煤質驗收結算和指導鍋爐燃燒的主要依據指標。傳統煤質化驗分析主要依靠人工取樣、制樣和化驗分析，工序繁瑣且耗時較長，不能及時反饋煤質信息，從而無法第一時間指導鍋爐燃燒調整和優化，對電廠來煤驗收、鍋爐安全運行、以及提高經濟效益方面都存在一定影響。

基于無放射源的煤質在線檢測技術將成為發展方向，以激光誘導擊穿圖譜分析法（LIBS）為代表的無源或準無源的在線檢測技術已經興起，并有初步應用，必將成為行業的發展趨勢[1]。基于激光誘導擊穿光譜技術的全自動煤炭定量采樣、制樣、輸送、檢測系統是目前適合我國電廠應用的一項全新技術，該系統可實現全元素分析。檢測系統具有檢測速度快、數據準確、自動化程度高、避免人為因素影響、減少勞動強度等特點，給電廠用煤的驗收化驗、分類存放以及指導鍋爐燃燒調整，實時提供基礎數據信息。

1 系統的原理及組成

1.1 系統原理

激光誘導擊穿光譜（LIBS）[2]是一種原子發射光譜，它使用脈沖激光器作為激發源。激光脈沖聚焦到被測物體的表面，使被測材料表面的激光功率密度超過1GW/cm2。在如此之高的激光功率密度作用下，被測材料表面就會有幾微克的物質被噴射出來，同時材料表面還會產生壽命很短但亮度很高的等離子體，其瞬間溫度可達10000℃。冷卻過程中，處于激發態的原子和離子從高能態躍遷到低能態，并發射出具有特定波長的光輻射。探測系統可以使用高靈敏度、高分辨率、多通道光纖光譜儀進行測量，每個通道均有2048像素線陣CCD探測器。采集到的200-1050nm寬光譜數據并傳送給應用軟件進行分析。

1.2 系統組成

本系統主要由一個核心主控系統、四個子系統：定量采樣系統、煤樣輸送系統、自動制樣系統、智能激光檢測系統組成。

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

本系統的核心主控系統的主要功能是對采樣、輸送、制樣以及檢測的全過程進行控制，并對設備的運行信息及煤質檢測數據進行存儲。

（1）定量采樣系統

定量采樣系統主要功能是在入爐煤皮帶輸煤中進行定量采樣，該系統主要由采樣裝置、恒溫加熱裝置、定量裝置等組成。采樣裝置根據樣品采集時間進行采樣，采樣時間和采樣質量按照標準制定。恒溫加熱裝置采用國內較為先進的恒溫傳感技術，定量裝置采用國際先進的雷達料位傳感技術，確保定量準確。

（2）煤樣輸送系統

煤樣輸送系統主要功能是將煤樣進行精準輸送及棄料返回，該系統主要由輸送裝置、提升裝置等組成，其作用主要是精準輸送煤樣，不漏料、不堵料。該煤樣輸送裝置采用國際較為先進的智能紅外傳感+電力線載波通訊技術，從而實現精準定位、輸送煤樣的功能。

（3）自動制樣系統

自動制樣系統主要功能是將輸送煤樣進行全自動連續制樣，該自動制樣系統采用國際先進的超聲波傳感+嵌入系統核心控制技術，為國際較為先進的制樣技術，能夠滿足國標制樣的要求，且實現全自動連續制樣功能。

（4）智能激光檢測系統

智能激光檢測系統接收前面自動制樣系統制作煤樣后，對該煤樣進行全元素檢測，分析電廠入爐煤質，并根據發電需求將數據信息上傳至集控系統，從而為燃燒調整提供實時煤質數據信息。

圖2 入爐煤檢測數據Fig.2 coal as fired test data

2 系統運行及數據驗證情況

根據國家制定的入爐煤炭工業參數含量標準，對華電章丘電廠的煤炭進行了LIBS在線檢測系統的應用實驗。實驗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性和穩定性，并根據出現的問題進行優化和改進。

該在線檢測系統為CoalCam D3快速煤質分析系統，煤炭的定標曲線由已知濃度的煤炭樣品得出，儀器學習得出定標曲線的樣品個數由所需的測量煤炭參數和所需要達到的精度來確定。圖2為使用快速煤質分析系統對該公司的入爐煤進行的LIBS學習建模和預測檢測，學習不同含量的煤樣（b）揮發分（c）固定碳（d）熱值（e）氫（f）灰分的檢測數據，其中cali值為儀器學習建立的模型分布，vali值為另外8組煤樣應用建立的模型進行的預測計算，其RMSEP都在1以下。圖2（a）中為預測的8組數據和國家標準的對比，預測偏差都小于動態國標值。

詳細數據驗證如下，其中對比的標準完全按照GB/T29161-2012《中子活化型煤炭在線分析儀》動態精密度（95%置信概率）的要求：

表1 編號GBW11102t標準煤兩瓶測試16組的數據對比分析Tab.1 Number GBW11102t standard coal two bottles,test 16 sets of data comparative analysis table

表2 編號GBW11111k標準煤兩瓶測試14組的數據對比分析Tab.2 Number GBW11111k standard coal two bottles,test 14 sets of data comparative analysis table

表3 編號GBW11108o標準煤兩瓶測試14組的數據對比分析Tab.3 Number GBW11108o standard coal two bottles,test 14 sets of data comparative analysis table

將在線測試標煤的所有測試均值與標準煤真值對比，GBW11102t共16組數據中的灰分、揮發分偏差較大，其它組份偏差較小；GBW11111k共14組數據中的揮發分偏差較大，其它組份偏差較小；GBW11108o共14組數據整體準確性偏低。同時，參照《煤炭在線分析儀測量性能評價方法》（GB/T19952-2005）的動態精密度[3]（95%置信概率）的計算方法，3組數據進行動態精密度計算，動態精密度結果良好。

入爐煤煤質在線智能檢測系統的數據趨勢圖如圖3-圖7所示。

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

圖4 煤樣11108與11111揮發分趨勢圖Fig.4 Coal sample 11108 and 11111 volatile tendency chart

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

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

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

對灰分、揮發分、熱值、全硫、氫值等指標各取兩個煤樣分析對比，入爐煤煤質在線智能檢測系統測試的穩定性較好，三個煤樣的動態精密度均合理，下一步需要繼續擴充系統中的模型容量，使入爐煤煤質在線智能檢測系統的適用性更強。

4 結語

基于激光誘導擊穿光譜分析法（LIBS）的在線智能檢測系統，是電廠入爐煤煤質分析技術的一次重大變革，該設備在章丘電廠的應用研究是實現工業化的重要一步。我國火電廠每年因煤質問題所帶來的損失超過千億元，實時在線提供燃煤煤質數據，能夠提醒運行人員煤質的波動，從而提前做出相應調整，提高鍋爐燃燒效率，減少污染物排放。因此，煤質在線分析對火電廠安全、高效、經濟運行至關重要。

[1]趙忠輝，方全國．煤質在線檢測技術現狀及發展趨勢分析[J].煤質技術，2017，4：18-21．Zhao Zhonghui，Fang 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，劉長隆，等.激光感生擊穿光譜技術(LIBS)的原理及影響因素[J].光譜學與光譜分析，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，煤炭在線分析儀測量性能評價方法[S].北京：中國標準出版社，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和節能減排工作。