黃海東，梁朋，朱寶森，金從兵

（1.華電濰坊發(fā)電有限公司，山東濰坊261000；2.湖北凱瑞知行科技有限公司，武漢430000）

0 引言

能源是保障經(jīng)濟穩(wěn)步健康發(fā)展的關(guān)鍵因素，隨著我國經(jīng)濟迅速發(fā)展，發(fā)電量也迅速增加。根據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，我國在2018年能源生產(chǎn)總量已達到377 000萬t標準煤，其中原煤生產(chǎn)總量達到261 261萬t 標準煤，占據(jù)總發(fā)電量的69.3%。煤炭中的灰分、揮發(fā)分、熱值、固定碳、硫分、氫含量等指標是煤炭化驗的重要指標，也是煤質(zhì)驗收結(jié)算和指導鍋爐燃燒的主要依據(jù)。傳統(tǒng)的煤質(zhì)工業(yè)指標分析主要依靠人工取樣制樣，再進行化驗分析，過程繁瑣，耗時較長，無法實時對鍋爐燃燒提供指導。而且目前主要的煤質(zhì)在線檢測技術(shù)需要使用放射源，存在一定的安全隱患。

激光誘導擊穿光譜（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS）技術(shù)是一種基于激光誘導等離子體發(fā)射光譜分析物質(zhì)元素成分的方法，因其具有制樣簡便、分析迅速、無放射污染、多元素同時分析等優(yōu)點，被廣泛應用于生物、醫(yī)療、食品和土壤等領(lǐng)域?；诩す庹T導擊穿光譜技術(shù)的全自動煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)是目前較為適合我國電廠煤質(zhì)分析檢測的一項新技術(shù)，該技術(shù)可以實現(xiàn)煤質(zhì)實時快速檢測，且具有檢測成本低，自動化程度高等優(yōu)點，可以給電廠來煤驗收、分類儲存、指導鍋爐燃燒調(diào)整提供實時的分析數(shù)據(jù)，為電廠的安全經(jīng)濟運行提供保障。

國內(nèi)外對LIBS 技術(shù)應用于煤質(zhì)在線檢測已經(jīng)進行了一些研究。早在1991年，美國就該技術(shù)對煤粉進行在線檢測的可行性進行了研究［1］。2008 年，Gaft 等［2］評估了一套LIBS 檢測設備對灰分的檢測，并與中子活化分析儀進行對比，達到了平均絕對誤差為0.5%。2011年，Haider等［3］分析了孟加拉國煤礦的煤炭樣品和印度東部的煤炭，驗證了LIBS技術(shù)多元素同時分析的能力。2014 年，Noll 等［4］使用手持式LIBS 檢測設備，對煤進行分析。2016 年，Redoglio 等［5］在實驗室模擬了工業(yè)環(huán)境下煤檢測的場景，對C，H，Al，Ca，F(xiàn)e，Si 的檢測精確度都達到了較高水平。國內(nèi)對LIBS 應用于煤質(zhì)檢測也有一些研究，2011年Feng等［6］對33個煙煤的碳元素質(zhì)量分數(shù)進行預測，預測的校正標準差（RMSEC）達到2.92%。王鑫［7］、邢濤［8］、趙忠輝、方全國［9］、樊炬［10］、李捷［11］、劉超［12］、陳宗輝［13］、成中豪［14］等對煤質(zhì)在線檢測工業(yè)應用進行了研究，對相關(guān)的設備和LIBS進行了驗證測試。

燃煤電廠煤質(zhì)分析是用物理和化學的方法對煤樣進行化驗和測試，一般在實驗室完成。批次煤要得到分析煤樣需經(jīng)過初級采樣、破碎、縮分、收樣、制樣等環(huán)節(jié)。實驗室煤質(zhì)分析要進行若干步驟，每一步驟的過程有長有短，獲得最終煤質(zhì)化驗報告的時間較長，一般在24 h 左右。而電廠燃料管理工作必須嚴格根據(jù)煤質(zhì)化驗報告進行，如煤場分區(qū)管理、分類存放、煤場配煤、煤場盤煤、熱值差管理、安全經(jīng)濟摻燒、脫硫脫硝、超低排放、正平衡計算煤耗等。目前通過實驗室進行煤質(zhì)分析出報告單的時間嚴重滯后于入廠煤接卸和入爐煤上倉，傳統(tǒng)的解決辦法為歷史數(shù)據(jù)平均值替代法，但誤差很大，錯誤很多，不能作為數(shù)字化煤場管理實時指導依據(jù)，一旦出現(xiàn)煤質(zhì)異常情況，用管理流程不可逆而無法糾偏和更正。對于煤場管理而言容易導致數(shù)字化煤場數(shù)據(jù)失真，煤場管理失效；對于配煤上倉而言，輕則導致鍋爐燃燒不穩(wěn)，調(diào)整頻繁、難度大，嚴重時發(fā)生火嘴和一次風管燒壞、制粉系統(tǒng)爆炸等事故。

煤的成分、特性對燃煤電廠安全經(jīng)濟生產(chǎn)及環(huán)境保護具有極其重要的影響，多數(shù)燃煤電廠的煤炭質(zhì)量得不到保證，煤種繁多且經(jīng)常變化，造成鍋爐出力不足及熱損失較大，鍋爐結(jié)焦、積灰、熄火等情況時有發(fā)生，入爐煤質(zhì)對機組運行的安全性和經(jīng)濟性有很大影響，煤的摻燒使得難以準確判斷事實入爐煤質(zhì)。

1 研究方法

1.1 實施背景

華電濰坊發(fā)電有限公司二期裝機容量為2 臺670 MW 機組，鍋爐燃燒煤種為貧瘦煤，煤種多，來源地區(qū)廣，除山東本地兗礦的煤炭外，還有陽泉、白羊墅、泊里、壽陽、清徐、里八莊、陽方口、軒崗、和順、原平、大保當、紅石峽、閆莊則等產(chǎn)地的煤礦，加上內(nèi)蒙古的煤炭等種類達40 種之多，配煤摻燒頻繁，目前受制于傳統(tǒng)的煤質(zhì)檢測手段，煤炭在鍋爐燃燒24 h 后才能知道煤質(zhì)的特性，經(jīng)常因煤質(zhì)穩(wěn)定性差造成鍋爐燃燒效率降低，運行成本高。

針對這一情況，華電濰坊發(fā)電有限公司在二期輸煤系統(tǒng)皮帶機中部采樣間實施LIBS 煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)開發(fā)及應用研究，為保障該技術(shù)的順利實施，對現(xiàn)場采樣間及相關(guān)設備進行了相應的升級改造，同時在原入爐煤采樣間邊上新建了LIBS 實驗室。

1.2 設備投入及現(xiàn)場布置

基于LIBS 的煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)主要由取樣壓餅設備，LIBS 檢測設備和控制主機組成。取樣壓餅設備包括取樣設備、烘干設備、研磨設備、壓餅設備、傳送帶和機械手臂。LIBS 檢測設備主要包括激光器、光譜儀、位移平臺、采集設備和工控計算機。整套系統(tǒng)從原采樣系統(tǒng)的縮分出料管處加裝取樣設備（改造前后對比如圖1 所示），設備流程如圖2所示。

圖1 改造前后對比Fig.1 Pictures before and after the reconstruction

圖2 設備流程Fig.2 Working process of the equipment

系統(tǒng)運行時取樣設備從原縮分出料管收料，通過送樣設備將煤樣送入烘干設備中烘干，烘干后的煤樣送入研磨設備，煤樣研磨成0.2 mm粉狀后送入壓片設備壓成餅狀，再通過機械手抓取送入檢測設備進行檢測，檢測完的煤餅由機械手抓取并送入包裝設備進行包裝。單個樣品的檢測時間控制在30 min 以內(nèi)，連續(xù)檢測的情況下每3 min 可完成一次檢測，相比人工化驗方法可極大提高檢測效率。

煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)設備布置如圖3所示。從采樣間的縮分出料管開始與系統(tǒng)設備進行對接，將煤樣送至LIBS實驗室進行制樣檢測。

1.3 LIBS檢測模型的建立

為實現(xiàn)對未知煤樣工業(yè)參數(shù)檢測，分析流程如圖4 所示。檢測已知煤樣并建模，主要為以下4步。

圖3 煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)設備布置Fig.3 Layout of the coal quality online detection system

圖4 LIBS技術(shù)煤質(zhì)分析流程Fig.4 Coal quality analysis process taking LIBS

（1）采集已知煤樣的等離子光譜并提取相關(guān)的元素特征譜線的譜峰值；收集二期入爐煤煤樣近300 個，遵照煤的工業(yè)分析方法分析煤質(zhì)特性指標，包括固定碳、硫、磷、發(fā)熱量、膠質(zhì)層指數(shù)、黏結(jié)指數(shù)、全水分、分析基水分、灰分、揮發(fā)分、灰熔點等屬性的化驗分析。

（2）將獲取化驗數(shù)據(jù)的煤樣在煤質(zhì)在線設備上完成烘干、制粉、壓餅和激光光譜檢測，提取煤樣的特征譜線，對提取到的煤樣特征譜線數(shù)據(jù)進行標準化和歸一化處理。

（3）使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型（ANN）進行建模。

（4）建立好預測模型后，再采集未知煤樣的等離子光譜，采用數(shù)據(jù)處理方法對光譜進行處理并代入模型得到預測結(jié)果，該結(jié)果也將通過控制主機輸出，對應煤樣的光譜也會相應保存下來。

在實際的工業(yè)應用過程中，建模時因為煤含有的元素種類較多，其元素的含量會影響煤各個工業(yè)指標，因此篩選了74條譜線作為參考，具體見表1。

表1 用于定量分析建模的特征譜線Tab.1 Characteristic spectral lines for the quantitative analysis modeling nm

2 結(jié)果與討論

2.1 煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)的靜態(tài)精密度測試

為了驗證基于LIBS 技術(shù)在線分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在工業(yè)現(xiàn)場對該系統(tǒng)進行靜態(tài)精密度測試，取單個煤樣進行了19 次重復檢測，其結(jié)果見表2。為了衡量系統(tǒng)的可靠性，將其靜態(tài)精密度與中子活化型在線分析儀的國家標準進行對比。根據(jù)中標準GB∕T 29161—2012《中子活化型煤炭在線分析儀》［15］，灰分測量的靜態(tài)精密度應小于1.2%，碳質(zhì)量分數(shù)測量靜態(tài)精密度應小于1.2%，氫質(zhì)量分數(shù)測量的靜態(tài)精密度應小于0.4%，硫質(zhì)量分數(shù)測量靜態(tài)精密度應小于0.3%。對比可知，除灰分外，基于LIBS 技術(shù)的煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)靜態(tài)精密度均優(yōu)于中子活化型在線分析儀的檢測靜態(tài)精密度要求。

2.2 LIBS系統(tǒng)比對動態(tài)精密度測試

為了驗證基于LIBS 技術(shù)煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，現(xiàn)場對20個不同的煤樣進行比對動態(tài)精密度測試，根據(jù)GB∕T 19952—2005《煤炭在線分析儀測量性能評價方法》［16］計算的空氣干燥基下部分煤質(zhì)指標動態(tài)精密度結(jié)果見表3。預測結(jié)果和參比值比對如圖5所示。

2.3 現(xiàn)場樣品檢測準確度

為了驗證基于LIBS 技術(shù)的煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)長期運行的可靠性，現(xiàn)場把人工化驗過的139 個煤樣作為檢測樣品進行檢測，預測結(jié)果如圖6 所示。橫坐標為煤樣在人工化驗室進行分析得到的工業(yè)指標參考值，縱坐標為利用該煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)得到的工業(yè)指標預測值。

圖5 煤質(zhì)在線檢測系統(tǒng)預測值與參比值對比Fig.5 Comparison between predicted values and reference values of the coal quality online detection system

表2 煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性測試Tab.2 Stability test of the coal quality online analysis system

其中，空氣干燥基灰分（Aad）預測的平均相對誤差為2.32%，空氣干燥基固定碳（FCad）預測的平均誤差為2.43%，空氣干燥基氫元素（Had）質(zhì)量分數(shù)預測的平均誤差為0.14%，彈筒熱值（Qbad）預測的平均誤差為0.88 MJ∕kg，空氣干燥基全硫（Stad）預測的平均誤差為0.27%，空氣干燥基揮發(fā)分（Vad）預測的平均誤差為1.74%。

表3 煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)比對動態(tài)精密度Tab.3 Dynamic precision of the coal quality online analysis system

結(jié)果表明，基于LIBS 技術(shù)煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)的預測準確度均達到了較好的水平。

圖6 空氣干燥預測值與參考值對比Fig.6 Comparison between predicted values and reference values on the dry basis

2.4 經(jīng)濟及社會效益分析

二期工程入爐煤采制樣及化驗需要按照10 人編制，每人人工成本10 萬元，則人工成本每年節(jié)約100 萬元；采制樣及化驗設備維護、易損及消耗品每年節(jié)約10 萬元。每年可為電廠節(jié)約110 萬元。提高鍋爐效率，間接降低碳排放，降低發(fā)電成本。

2.5 環(huán)境保護與安全分析

指導燃煤鍋爐的脫硫、脫硝系統(tǒng)進行優(yōu)化控制，避免排放超標，降低環(huán)保運行成本；指導優(yōu)化鍋爐燃燒效率，合理減少“碳稅”成本。

在線檢測煤灰熔點變化，避免鍋爐結(jié)焦，延長鍋爐無故障運行時間；通過避免出現(xiàn)高灰分的配煤，減少磨煤機的損耗和耗電量。

3 結(jié)束語

華電濰坊發(fā)電有限公司二期入爐煤煤質(zhì)在線檢測系統(tǒng)投入運行以來，結(jié)合公司入爐煤煤質(zhì)特點，在快速、準確實現(xiàn)煤炭中C，H，O，N，S 等元素成分煤炭中，Si，F(xiàn)e，Al，Ca，Mg，Ti，K，Na 等元素檢測基礎(chǔ)上，實現(xiàn)入爐煤水分、灰分、硫分、揮發(fā)分的在線測試以及燃煤發(fā)熱量等影響入爐煤燃燒性能的主要煤質(zhì)指標的在線測量，建立電廠入爐煤全元素基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、安全燃燒及潔凈排放的煤質(zhì)特性指標在線測量數(shù)據(jù)平臺，為鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整、制粉、脫硫、脫硝系統(tǒng)優(yōu)化運行提供及時、可靠、準確的科學依據(jù)。

采用基于LIBS 技術(shù)的煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)，對現(xiàn)場采集的入爐煤樣進行測試，可以在線快速獲得煤質(zhì)工業(yè)指標，從采樣間采得的單個樣品的檢測時間可以控制在30 min 以內(nèi)，系統(tǒng)連續(xù)檢測的情況下，每3 min 可以完成一次檢測，時間上相比傳統(tǒng)人工化驗方法具有顯著優(yōu)勢，同時該煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)對燃煤電廠需要的工業(yè)指標也達到了較好的檢測精度。檢測煤樣成分含量指標滿足燃煤電廠煤炭的化驗精度要求，可用于指導燃煤鍋爐的脫硫、脫硝系統(tǒng)進行優(yōu)化控制，避免排放超標，降低環(huán)保運行成本；指導優(yōu)化鍋爐燃燒效率，合理減少“碳稅”成本。對提高環(huán)保效率和電廠運行經(jīng)濟指標都具有重大意義。