MDL-200型煤質在線檢測裝置在燃煤電廠的應用

姜廣偉，劉喜國

(國家能源集團康平發電有限公司，遼寧 沈陽 110000)

煤炭是我國主要能源來源之一，主要用于電力、鋼鐵、化工等行業，煤炭的發熱量、水分含量等煤質是煤炭使用時的重要特征參數，煤炭人工采樣或者機械采樣并采用試驗室化驗是當前獲取煤質數據的主要方法[1-2]，該方法檢測精度高，但同時也具有檢測周期長的缺點，這給煤炭的應用帶來諸多不便。

20世紀70年代開始，國內外已開始進行煤質在線檢測方面的研究，發展至今，已形成了利用數學模型推導實時入爐煤質的方法[3-5]和采用儀器設備直接測量煤質參數的方法[6]，這使得煤炭用戶具備了實時獲取煤質數據的能力。本文主要介紹當前煤質在線檢測儀器設備的原理、特點，并以MDL-200型煤質在線檢測裝置為例，介紹其在電力行業中的應用。

1 煤質在線檢測設備

針對煤礦生產和電廠、鋼鐵、化工等領域，利用設備實現煤質的實時檢測已發展多年，按設備有無放射源來區分，可分為無放射源法和有放射源法。其中，無放射源法包括多能X射線吸收法、X射線熒光法(XRF)、激光誘導擊穿光譜分析法(LIBS)，有放射源法包括瞬發γ中子活化分析和雙能γ射線、β射線反散射法、低能γ射線反散射法、高能γ射線湮沒輻射法、天然γ放射性測量法、近紅外分析法等。以下分別對這些方法進行介紹。

1.1 X射線熒光法(XRF法)

利用X射線管產生入射X射線(一次X射線)激發被測樣品，激發樣品中每一種元素會放射出二次X射線，不同元素所放射的二次X射線具有特定能量特性或波長特性，測量上述放射出的二次X射線能量及數量即可獲得樣品中各種元素種類及含量[7]。XRF技術測試煤炭成分具有實時在線、方便快速、無損測量等優點。但XRF法在線測試煤炭成分時，對應特征X射線能量低，易受空氣影響、測量煤層厚度極低，難從根源上克服多元素重疊峰和峰現象的影響，系統復雜程度高，維護量大。

1.2 激光誘導擊穿光譜分析法(LIBS)

將一束高能量的脈沖激光束聚焦后，投射到煤的樣品表面，被照射部位會被瞬間氣化，形成高溫、高密度的等離子體。通過測量該等離子體發射譜線的特征波長就可獲得被分析煤樣品所含元素的種類，即定性分析。通過測量其特征譜線的發射強度并與標準樣品進行對比即可得到該元素的含量也就是定量分析[8]。LIBS法測試煤炭成分，具有測試速度快、無輻射源、成本低等優點，但由于激光源能量起伏、自吸收、煤粉樣品表面粗糙度及現場惡劣測試環境等原因，一般的光譜數據處理方法由激光誘導擊穿光譜獲得的煤中元素分析精度尚存在優化空間。

1.3 多能X射線吸收法

多能X射線吸收法測試煤炭成分時，利用被電場加速的電子轟擊金屬靶產生人工射線，人工射線中不同能量區間射線與煤中各元素作用截面不同，利用探測器測量被煤衰減后射線能譜，可得到煤灰分、硫分與發熱量。多能X射線法具有不使用放射源，工作安全性高、煤質測量準確的優點

1.4 中子瞬發γ射線活化分析法

采用經過慢化后熱中子照射原煤，使煤中各元素與中子發生熱中子俘獲反應，激發態原子核放射出不同能量特征γ射線后達到穩定態，通過檢測特征γ射線能量可辨別煤中元素種類，通過檢測特定能量γ射線數量來辨別對應元素質量百分含量[9]。中子瞬發γ射線活化分析法測量煤炭成分具有測量數據多的優點，但是采用了放射源，給工作環境帶來隱患，同時中子能量隨煤層厚度與煤中元素成分(特別是氫元素)變化，特征γ射線能譜相當復雜，給射線探測和能譜分析帶來困難。

1.5 雙能量γ射線透穿法

用低能和中能雙能量γ射線即241Am(镅)低能γ(約60 kev千電子伏)射線和銫-137Cs中能γ(662 kev)射線透過被測煤樣，低能γ射線減弱取決于煤灰分值和煤層厚度，中能γ射線減弱只取決于煤層厚度，與煤灰分值無關[10]。雙能量γ射線透穿法測試煤炭成分具有可直接對輸煤皮帶上散煤實現在線測量、受水分影響較小、有較大灰分煤流厚度測量動態范圍的優點，具有較高性價比，但測量混煤煤質時誤差較大，并且使用了放射源，對工作安全帶來影響。

1.6 其他檢測方法

其他用于煤炭成分在線檢測的方法包括β射線和低能γ射線反散射法，其特點以實現在線測量，高能射線穿透力強、屏蔽難、輻射安全性差，且對灰分測量靈敏度較低；天然γ放射性測量法：不使用放射源，測量準確度不高；紅外光譜分析法：不適合分析含水樣品，定量分析誤差大，靈敏度低。

2 MDL-200煤質在線檢測裝置在電廠的應用

本文以MDL-200煤質在線檢測裝置在燃煤發電廠的應用為例，對該設備的特點、安裝、使用及效果進行分析。

2.1 設備特點

MDL-200煤質在線檢測裝置基于多能X射線吸收法原理，主要用于火電廠、煤礦、鋼鐵等企業煤炭質量的快速檢測，可獲取煤炭樣品的灰分、發熱量、揮發分、硫分等參數。設備包含煤種校正模塊，保證在煤質復雜、多變的情況下實現精確測量。可實現對煤炭的快速檢測、測量結果準確度高，且對樣品的顆粒度無嚴格限制，測量結果不受煤的水分變化影響。并且測量過程中儀器設備與煤炭無接觸，設備磨損低。

2.2 設備組成及原理

系統主要由探測器、控制裝置、灰分儀主機、配套電纜等組成。利用多能X人工射線照射皮帶上待測煤炭樣品，并獲取煤炭射線能譜，通過數學模型，根據射線能譜信息計算出煤炭的灰分、發熱量等煤質數據。軟件包含煤種校正模塊，保證在煤質復雜、多變的情況下實現精確測量。圖1為該設備測試原理。

圖1 設備原理

2.3 設備安裝及工作

MDL-200煤質在線檢測裝置安裝在入爐煤皮帶上方(見圖2)，當執行上煤任務時，入爐煤皮帶上方的煤質在線檢測裝置可實時檢測皮帶煤流的煤質，并將煤質數據傳輸到用戶。該系統可測試皮帶煤流的硫分、水分、發熱量、灰分等數據。

圖2 設備安裝位置

3 使用效果分析

3.1 皮帶煤流煤質測試精度

某段時間內，對煤質在線檢測儀器測試所得煤質數據和機械采制煤樣采用傳統煤質化驗數據進行了對比，結果見表1。

表1 測試化驗誤差分析

根據測試結果，該煤質在線檢測設備測試的皮帶煤流煤質數據可以較好反應真實煤質，測試精度可滿足電廠日常指導配煤及鍋爐運行。

3.2 煤流跟蹤

煤質在線檢測設備獲取皮帶煤流的煤質數據后，傳送到中央處理系統。中央處理系統從電廠SIS系統實時采集關鍵數據，包括每個時刻皮帶煤流煤量、各犁煤器開度信號、各給煤機給煤量，建立各煤倉中全倉實時煤質數據庫，從而形成煤流跟蹤技術，用戶可獲取皮帶煤流煤質數據以及給煤機煤流煤質數據，如圖3～圖4所示。

圖3 皮帶煤流實時煤質

圖4 煤倉實時煤質

3.3 實時經濟性指標計算

使用煤質在線檢測裝置，獲取皮帶煤流實時煤質以及入爐燃燒實時煤質后，可結合實時負荷、給煤量、排煙溫度、風量、風溫、排煙CO含量、飛灰及大渣可燃物含量等SIS系統實時數據，實時計算出當前發電煤耗、環保設施成本、發電成本等經濟性指標，可供電廠管理人員參考。

3.4 實時鍋爐運行優化調整

獲取實時入爐燃燒煤質數據之后，結合系統關鍵運行參數，如機組負荷曲線、關鍵部位壁溫、減溫水開度等SIS實時數據，給出鍋爐運行關鍵參數，比如運行氧量、磨煤機出口風溫、分離器開度、減溫水開度、煙氣擋板開度等，實現對鍋爐運行的實時優化調整，可保證鍋爐隨入爐煤質波動及負荷波動，一直運行在最佳狀態。

4 結 論

煤質數據的實時測試中鋼鐵、化工、電力等行業具有重要作用，本文以MDL-200型煤質在線檢測裝置為例，介紹了其主要功能、特點及在某電廠的應用。該煤質在線檢測裝置的檢測精度可滿足電廠日常生產的需求，通過實時檢測入爐煤皮帶煤流煤質數據，并實現煤流跟蹤，掌握入爐燃燒煤炭煤質數據，可實現計算實時經濟指標、實時鍋爐運行優化調整，使鍋爐不受煤質及負荷波動影響，一直運行在最佳狀態，為電廠帶來可觀的經濟效益。本文可為煤質在線檢測裝置在其他電廠及其他行業的應用提供參考。