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华唐环保唐静:煤质在线分析激光诱导击穿光谱法在电厂的应用

北极星电力网新闻中心  来源:北极星电力网    2021/4/28 11:41:49  我要投稿  

北极星火力发电网讯:“激光诱导击穿光谱分析法简称LIBS,是一种原子的发射光谱,使用脉冲的激光器作为激发源,使用高灵敏度、高分析率、多通道的光纤分析光谱仪进行测量。在元素分析时,激光光束聚焦在被测材料表面,焦点温度达到某个峰值时,表面材料变成等离子体并发光辐射,通过收集辐射光并按照波长色散得到光谱数据,再将光谱数据传送给应用软件进行分析,这期间还要进行一些建模的工作,以确定样品的物质成分及含量。”

——山东华唐环保科技有限公司总经理唐静

4月27-28日,华北电力大学技术转移转化中心与中关村华电能源电力产业联盟联合主办的2021年智慧电厂论坛(第一期)在广东深圳成功举办。山东华唐环保科技有限公司总经理唐静主旨发言。

唐静.jpg

直播专题:2021年智慧电厂论坛(第一期)

文字实录如下:

唐静:谢谢今天给我这个机会,我把这次演讲的题目稍微修改——《煤质在线分析激光诱导击穿光谱法在电厂的应用》,介绍一种新型的煤质全元素在线分析方法。

今天的汇报分成5个部分,第一部分介绍行业背景,第二部分技术介绍,第三部分关于激光诱导击穿光谱技术的研发应用,第四部分是经济和社会效益,第五部分是结语。

行业背景

目前火电机组的现状主要有以下几点问题:第一是国内的节能环保政策的要求,它既是经济问题,也是节能减排的环保问题,对脱硫脱硝存在的问题还要加大控制,提前预测。第二是煤电机组的负荷率比较低,负荷变化大,目前新能源的占比逐渐提升,火电机组要实现深度调峰都在进行灵活性的改造,低负荷运行时锅炉燃烧的安全性如何保证,燃烧优化调整的经济经济性空间更大。另外两个细则带来的负荷变化更加频繁,幅度加大,燃烧必须要随负荷实时作出调整。第三是入炉煤质变化频繁,锅炉燃烧要随煤质变化及时调整。第四是节能调度加上脱硫脱硝的电价调整,节能降耗、降低成本成为火力发电厂的立身之本。第五,在努力达到碳达峰、碳中和的愿景下,数字化发电就成为大家考虑的重要措施。

另外行业背景,目前火力发电厂主要是沿用传统检测方式,耗时、耗力、耗物。

煤炭从煤厂到运行人员收到化验结果历时大约5.5小时,煤炭从煤厂进入炉膛燃烧大约2小时,所以得到化验数据比煤炭进入炉膛晚3.5小时,这个时间滞后无法指导实时需求。

目前的检测方法有两种,一种是放射圆锯,有中子活化和伽玛射线。另外一种是无放射源的检测,目前国内以多能的X射线吸收法、X射线荧光法和激光诱导击穿光谱分析法,这三种为代表的新兴无源检测或准无源检测技术大家比较关注。今天重点介绍的是激光诱导击穿光谱分析法,它是可以进行全元素检测的,这个技术最大的优势就是没有放射源,更安全,不存在放射源的环评、管理、许可的问题,另外这个技术后期的维护成本很低。

激光诱导击穿光谱技术

激光诱导击穿光谱分析法简称LIBS,是一种原子的发射光谱,使用脉冲的激光器作为激发源,使用高灵敏度、高分析率、多通道的光纤分析光谱仪进行测量。在元素分析时,激光光束聚焦在被测材料表面,焦点温度达到某个峰值时,表面材料变成等离子体并发光辐射,通过收集辐射光并按照波长色散得到光谱数据,再将光谱数据传送给应用软件进行分析,这期间还要进行建模的工作,以确定样品的物质成分及含量。

这套光谱法起源于1956年,是美国科学家在偶然当中发现这种谱线,被大家广泛知道是在2012年8月19号的美国好奇号火星探测车上,在它的外面用了该技术,进行火星岩石的矿物分析,当时这个新闻转播的时候大家都看到一束光过去以后,火星上的岩石成分很快就呈现出来数据。

LIBS能够进行全元素的分析,能够满足多元素同时检测,另外分析速度非常快,适用于几乎任何形态的样品,像固态、气态、水质的都可以。能够达到微损或者是无损探测,另外它可以做到远程非接触式测量,煤质分析、药品分析、矿物、土壤分析都可以用到这个技术。

另外简单介绍一下这个分析方法,我们在前期推广应用的时候,好多用户会觉得不可思议,觉得比较神奇。

LIBS分析方法可以进行定性分析与定量分析,定性分析当中根据光谱的特性,对物质的性质进行判断,主要用于对于不需要精确元素含量的应用,比如用于高低硫煤的筛选、金属鉴别、塑料的分析以及岩石分析等。定性分析分为两类,一类是由事先人工标定结果进行分类训练,得到训练模型,用于未知的样品分类,属于有监督学习范畴。第二是聚类,无人工标注结果,根据光谱的相似程度自动分类学习。LIBS有一种应用是不需要建标,不需要建立模型就直接可以对物品进行定性。

定量分析是通过化学的计量学方法,从光谱数据集中提取有价值的信息,从而获取分析样品定量化的组成和理化性质。在定量模型里面主要分为单变量定标模型、机器学习多元模型、自由定标模型,目前比较多的是机器学习多元分析模型,公司的软件是使用的基于物理模型优化和机器学习的多元分析定标模型。

下面这两个图,左图是单变量的定标模型分析图,横坐标是元素含量,纵坐标是光谱强度,根据光谱的强度和浓度的定标曲线,可以在得到未知样品光谱强度后推算其元素含量。

在分析方法中,LIBS是有严格定量的评价方法,通过采用准确度、精密度以及灵敏度的评价方法的性能。准确度主要是指实验测量浓度与真实样品浓度之间的符合程度,通过采用定标曲线拟合决定系数R2、留一交叉验证的交叉验证均方根方法。

技术的应用

目前国内有两项大家比较关注的事件里面都应用了这个技术,一个是2020年7月23日,我国发射了天问一号长征五号火箭,本次天问一号火星车整流罩外面携带的关键探测器之一就是激光诱导击穿光谱仪。第二个是在2026年6月27号,国家863计划的重大研究专项深海载人潜水器蛟龙号成功下水,它当时下潜最深的深度是7062米,海底物质探测器也是选用了激光诱导击穿光谱仪。长征五号火箭的激光诱导击穿光谱仪是法国公司提供的,但是蛟龙号的激光诱导击穿光谱仪的研究和实施是青岛的海洋大学团队做的。

(见PPT)这是我们团队,山东华唐环保科技有限公司,公司总部位于山东济南,是由长期从事电力能源环保技术工程服务,以及设备制造领域研发的专家团队共同组建经营的,是一家主要从事节能环保新技术开发及应用的高新技术企业。现在已经取得了多项新技术发明专利证书。自2014年,我们公司开始致力于火力发电厂燃煤检测技术的研发。我们与清华大学、北京理工大学、山东大学等深度合作,通过多年的努力,开发出了目前适应用户需求的煤质在线激光诱导击穿光谱分析法检测系统,并且通过多套系统的技术投运和路径优化,取得了良好的用户认可和市场关注度。

这套系统的组成,我们也是简称LIBS在线检测系统,我们在应用上主要是由一个核心的主控系统,包括四个子系统(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。

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,面对设备的运行信息以及煤质检测数据进行存储。

右上角这两张照片,第一张是设备外观,这是我们的第一代产品,这是在2015年在章丘应用的一个设备外观,左上角是自动制样系统里面的核心压样机的状态。下面这个图片是我们在煤粉在线压成这样的样片,通过激光检测的流程。

这部分除了完成硬件系统的开发研发工作以外,我们的团队还进行了软件开发,包括建模的工作,还有程序测试工作。其中在提升优化核心分析算法和数学模型上还是走了很多弯路,中间也挺曲折。

(见PPT)接下来这个小动画是我们在线后台的分析软件。这个流程就是一组数据的生成流程,可以看到这个曲线是波动的。

这样完成之后,一组数据就出来了。这是介绍我们的激光模块主要设备的技术参数,像激光器、光谱仪的选型,包括工作方式,我们在现场设定了24小时的连续不间断的工作模式,采样和分析的数据频率设定到了3到5分钟每次,我们是装在入炉煤的皮带上,皮带上采样机的频次,大部分是设在3分钟一次,这套系统是没有辐射的,分析参数在空气建造状态下,可以测定固定碳、灰分、挥发酚、热值、全硫、水分等等,一整套流程全部就出来了。

这套系统上线以后,大家最关心的就是它的检测准不准,我们在数据验证这个工作范畴,首先是真值的设定,当时我们做了很多实验,委托国家认证的4个实验室先进行化验,当时打算是以他们的数据的均值作为标定的真值,经过实验验证,我们发现不同的国家煤检中心实验室对同一批次的煤样检测数据都是有偏差的,因此我们最后决定采用同样属于国家认证的电厂标准化实验室的备查验作为检测依据。

这是建模,2017年5月我们当时收集的是华电山东章丘厂,它的入厂煤的各矿点的备查样80份建的模型。

通过对标准煤样的数据对比,2019年1月29号我们做了这个激光反标结果,实验证明基于LIBS技术的煤质在线检测分析系统的现场应用,设备的稳定性良好,对20组数据进行动态精密度计算,动态精密度、准确度结果良好,测量性能能够满足生产指导需求。

关于数据标准,我们在项目验收的时候是从两部分来进行的,一部分是要符合采样系统整机的偏离性和总精密度的国家要求,对标的是火电厂的煤炭破碎缩分联合性能实验规程的要求,每个产品都由国家质量检验中心给我们出具鉴定证书。检测的数据是对标GBT20161-2012《中子活化型煤炭在线分析仪》关于煤质特征分析动态精密度的要求。所有做的实验都是符合它的要求的,另外我们有一部分的数据都是优于这个要求的。

系统运行的稳定性、可靠性与安全性是用户和研发单位在开发这套系统的时候极度重视并重点考量的指标,系统的设计充分考虑了现场可能的极端环境因素,例如粉尘、温度、湿度等的影响。机柜具备IP66的防护等级,可以有效防水、防尘、防爆。另外就是系统的PLC以及软件可以和现场的其它设备协同运行,并提供包括自动连锁启停,异常功能预警等功能在内的安全操作与控制。该系统在保证检测分析的精度和准确度的同时,最大程度地实现了长期运行的可靠性、稳定性和安全性。另外系统的维护成本低,我们第一套设备是2015年上线的,到目前为止还是数据的稳定性、设备的系统稳定性都不错,我们第一代产品在实施两年以后已经成功地移交给电厂,现场的运行人员对设备进行运行和维护、管理。

煤炭、电力等行业的现场环境比较恶劣,通过多年的运行改进,LIBS系统目前已经完全能够克服恶劣环境,为电厂提供了可靠稳定的服务。

(见PPT)这是一部分应用的案例,首套就是在章丘发电厂,它当时是华电集团的一个科技课题。右上角这两张图片是我们在现场的软件部分的截图,下面这个图是集控室在现场的系统示意图。我们这个端口的接入目前是燃料的控制室和电厂的大集控室。

后续在华电的莱州、邹县发电厂都是百万机组的应用,配套他们的智能化项目和数字化平台的开发做的应用。还有莱城项目和淄博项目的应用。

这套系统的特点,首先是实时的,数据比较精准,环保的,也是无人值守的。

通过这几个项目,得到了华电集团的认可,左图是2017年章丘项目作为集团的科技项目通过了华电集团创新发展部的科技项目验收,这是当时验收时的照片。右侧这两张是章丘电厂依托这个项目申报了第四届全国设备管理与技术创新成果,并荣获了创新成果二等奖。

2020年激光诱导击穿光谱分析法已经颁布发行了国家标准,大家对这个标准可能了解的不多,所以我今天更大的篇幅是给大家介绍这个分析方法,我们公司也参与起草了这个国家标准的制定。

去年章丘电厂还通过这个项目申报了中国电机工程学会的科学技术成果鉴定,并且已经通过了鉴定,鉴定意见的最后一句是:该系统的投入提升了燃煤电厂的安全性和经济性,具有良好的经济社会效益和推广应用前景,基于LIBS技术的煤质在线检测系统已经达到了国内外先进水平。这个技术的原理虽然是最早应用在美国,但是在煤炭这个领域,他们并没有持续的研发和应用,所以我们目前是应用最多的,在设备稳定性和检测精度上,我们目前也是国内做得最好的。

2021年4月15号,我们联合国内研究LIBS的院校、研究机构和部分企业一起申报了行业标准,通过了火电专委会的行业评审。

这是取得的一部分专利成果,这只是公司的一部分,我们的合作团队另外有更多的论文发表、专利技术。

经济社会效益

节煤效益。这套技术的应用首先是在节煤上有一个明显的体现。

节油效益。通过上了煤质在线监测以后,减少了投燃的助燃油。

节省人力成本。通过这套精准的检测系统上线之后,利用我们的数据之后,电厂进行了燃煤可视化,对原煤仓部分进行管理,起到降低成本的效果。

这次论坛大家都讲得非常精彩,如果加上精准的燃料数据,你们可能会经济效益会更明显,算法模型,每一个模块的优化性能可能会提升得更高。所以这是底层数据,我们完成了精准的数据采集,希望大家能够关注这个技术,我们会做到数据共享。

社会效益方面,减少碳排放,今年有一些关于碳交易、碳排放的机构联系到我们,希望跟我们联合,他们觉得控碳还是很重要的,自己知道煤的数据非常重要。

结语

近10年里,LIBS技术在食品检测、环境检测、能源、生物医学、空间探索和其它领域显示出了巨大的应用潜力,它的稳定性和精密度已经通过应用得以验证,该技术必将成为检测领域的发展趋势,期待能为更多的工业化企业用户服务,愿与社会各方携手合作,持续专注为技术优化升级而努力,在简化样品制备和优化检测方面继续研发,以满足未来的发展需求,它必将成为未来的化学分析巨星。

谢谢大家,汇报就到这里。

(来源:北极星电力网,发言为北极星电力网根据速记整理,未经本人审核,如需转载请完整转载全文不允许删减)

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