基于激光诱导击穿光谱技术的电厂入炉煤煤质在线检测技术研究

邢 涛

（华电集团山东公司，山东 济南 250014）

基于激光诱导击穿光谱技术的电厂入炉煤煤质在线检测技术研究

邢 涛

（华电集团山东公司，山东 济南 250014）

针对入炉煤的煤质分析情况，研发的适合当前我国燃煤电厂的煤质在线智能检测系统，对锅炉燃烧调整和优化具有指导作用，从而有力确保了电厂锅炉的安全、高效运行。

激光诱导击穿光谱技术； 电厂入炉煤； 定量采样； 自动连续制样； 智能在线检测系统

0 引言

在煤电行业，电厂燃煤费用占火电厂运行成本的70%以上。煤炭中的热值、灰分、水分、挥发分、硫分等数据是煤炭化验分析的重要指标，也是煤质验收结算和指导锅炉燃烧的主要依据指标。传统煤质化验分析主要依靠人工取样、制样和化验分析，工序繁琐且耗时较长，不能及时反馈煤质信息，从而无法第一时间指导锅炉燃烧调整和优化，对电厂来煤验收、锅炉安全运行、以及提高经济效益方面都存在一定影响。

基于无放射源的煤质在线检测技术将成为发展方向，以激光诱导击穿图谱分析法（LIBS）为代表的无源或准无源的在线检测技术已经兴起，并有初步应用，必将成为行业的发展趋势[1]。基于激光诱导击穿光谱技术的全自动煤炭定量采样、制样、输送、检测系统是目前适合我国电厂应用的一项全新技术，该系统可实现全元素分析。检测系统具有检测速度快、数据准确、自动化程度高、避免人为因素影响、减少劳动强度等特点，给电厂用煤的验收化验、分类存放以及指导锅炉燃烧调整，实时提供基础数据信息。

1 系统的原理及组成

1.1 系统原理

激光诱导击穿光谱（LIBS）[2]是一种原子发射光谱，它使用脉冲激光器作为激发源。激光脉冲聚焦到被测物体的表面，使被测材料表面的激光功率密度超过1GW/cm2。在如此之高的激光功率密度作用下，被测材料表面就会有几微克的物质被喷射出来，同时材料表面还会产生寿命很短但亮度很高的等离子体，其瞬间温度可达10000℃。冷却过程中，处于激发态的原子和离子从高能态跃迁到低能态，并发射出具有特定波长的光辐射。探测系统可以使用高灵敏度、高分辨率、多通道光纤光谱仪进行测量，每个通道均有2048像素线阵CCD探测器。采集到的200-1050nm宽光谱数据并传送给应用软件进行分析。

1.2 系统组成

本系统主要由一个核心主控系统、四个子系统：定量采样系统、煤样输送系统、自动制样系统、智能激光检测系统组成。

图1 电厂入炉煤煤质在线智能检测系统组成示意图Fig.1 on-line intelligent detection system of coal as fired in power plant

本系统的核心主控系统的主要功能是对采样、输送、制样以及检测的全过程进行控制，并对设备的运行信息及煤质检测数据进行存储。

（1）定量采样系统

定量采样系统主要功能是在入炉煤皮带输煤中进行定量采样，该系统主要由采样装置、恒温加热装置、定量装置等组成。采样装置根据样品采集时间进行采样，采样时间和采样质量按照标准制定。恒温加热装置采用国内较为先进的恒温传感技术，定量装置采用国际先进的雷达料位传感技术，确保定量准确。

（2）煤样输送系统

煤样输送系统主要功能是将煤样进行精准输送及弃料返回，该系统主要由输送装置、提升装置等组成，其作用主要是精准输送煤样，不漏料、不堵料。该煤样输送装置采用国际较为先进的智能红外传感+电力线载波通讯技术，从而实现精准定位、输送煤样的功能。

（3）自动制样系统

自动制样系统主要功能是将输送煤样进行全自动连续制样，该自动制样系统采用国际先进的超声波传感+嵌入系统核心控制技术，为国际较为先进的制样技术，能够满足国标制样的要求，且实现全自动连续制样功能。

（4）智能激光检测系统

智能激光检测系统接收前面自动制样系统制作煤样后，对该煤样进行全元素检测，分析电厂入炉煤质，并根据发电需求将数据信息上传至集控系统，从而为燃烧调整提供实时煤质数据信息。

图2 入炉煤检测数据Fig.2 coal as fired test data

2 系统运行及数据验证情况

根据国家制定的入炉煤炭工业参数含量标准，对华电章丘电厂的煤炭进行了LIBS在线检测系统的应用实验。实验煤种灰分含量和硫的含量分别为15%-25%和2%-5%，为海陆交替沉积煤，有的灰分含量超过30%。采用不同灰分和硫等含量的煤炭作为在线分析煤样，能够确定仪器的适应性和稳定性，并根据出现的问题进行优化和改进。

该在线检测系统为CoalCam D3快速煤质分析系统，煤炭的定标曲线由已知浓度的煤炭样品得出，仪器学习得出定标曲线的样品个数由所需的测量煤炭参数和所需要达到的精度来确定。图2为使用快速煤质分析系统对该公司的入炉煤进行的LIBS学习建模和预测检测，学习不同含量的煤样（b）挥发分（c）固定碳（d）热值（e）氢（f）灰分的检测数据，其中cali值为仪器学习建立的模型分布，vali值为另外8组煤样应用建立的模型进行的预测计算，其RMSEP都在1以下。图2（a）中为预测的8组数据和国家标准的对比，预测偏差都小于动态国标值。

详细数据验证如下，其中对比的标准完全按照GB/T29161-2012《中子活化型煤炭在线分析仪》动态精密度（95%置信概率）的要求：

表1 编号GBW11102t标准煤两瓶测试16组的数据对比分析Tab.1 Number GBW11102t standard coal two bottles,test 16 sets of data comparative analysis table

表2 编号GBW11111k标准煤两瓶测试14组的数据对比分析Tab.2 Number GBW11111k standard coal two bottles,test 14 sets of data comparative analysis table

表3 编号GBW11108o标准煤两瓶测试14组的数据对比分析Tab.3 Number GBW11108o standard coal two bottles,test 14 sets of data comparative analysis table

将在线测试标煤的所有测试均值与标准煤真值对比，GBW11102t共16组数据中的灰分、挥发分偏差较大，其它组份偏差较小；GBW11111k共14组数据中的挥发分偏差较大，其它组份偏差较小；GBW11108o共14组数据整体准确性偏低。同时，参照《煤炭在线分析仪测量性能评价方法》（GB/T19952-2005）的动态精密度[3]（95%置信概率）的计算方法，3组数据进行动态精密度计算，动态精密度结果良好。

入炉煤煤质在线智能检测系统的数据趋势图如图3-图7所示。

图3 煤样11102与11108灰分趋势图Fig.3 coal sample 11102 and 11108 ash tendency chart

图4 煤样11108与11111挥发分趋势图Fig.4 Coal sample 11108 and 11111 volatile tendency chart

图5 煤样11108与11111热值趋势图Fig.5 coal sample 11108 and 11111 calorific value tendency chart

图6 煤样11108与11111全硫趋势图Fig.6 Coal sample 11108 and 11111 full sulfur tendency chart

图7 煤样11108与11111氢值趋势图Fig.7 Coal sample 11108 and 11111 hydrogen value tendency chart

对灰分、挥发分、热值、全硫、氢值等指标各取两个煤样分析对比，入炉煤煤质在线智能检测系统测试的稳定性较好，三个煤样的动态精密度均合理，下一步需要继续扩充系统中的模型容量，使入炉煤煤质在线智能检测系统的适用性更强。

4 结语

基于激光诱导击穿光谱分析法（LIBS）的在线智能检测系统，是电厂入炉煤煤质分析技术的一次重大变革，该设备在章丘电厂的应用研究是实现工业化的重要一步。我国火电厂每年因煤质问题所带来的损失超过千亿元，实时在线提供燃煤煤质数据，能够提醒运行人员煤质的波动，从而提前做出相应调整，提高锅炉燃烧效率，减少污染物排放。因此，煤质在线分析对火电厂安全、高效、经济运行至关重要。

[1]赵忠辉，方全国．煤质在线检测技术现状及发展趋势分析[J].煤质技术，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，刘长隆，等.激光感生击穿光谱技术(LIBS)的原理及影响因素[J].光谱学与光谱分析，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，煤炭在线分析仪测量性能评价方法[S].北京：中国标准出版社，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

邢涛（1973-），男，山东人，本科，工程师，主要从事电站安全生产和节能减排工作。