關(guān)鍵詞：煤質(zhì)；在線分析；火電廠；應用

　　1前言 火力發(fā)電廠正從生產(chǎn)型組織向以效益、成本為核心的市場型企業(yè)轉(zhuǎn)變，為大幅度降低煤價，改燒低質(zhì)煤或混配煤已成為越來越多電廠首要考慮的問題。入爐煤質(zhì)的變化對鍋爐燃燒具有重大影響，尤其是在鍋爐燃煤偏離設計煤種時，將給運行調(diào)整帶來更大的困難。過去，通過采制樣化驗煤質(zhì)的方法盡管具有很高的分析精度，但存在較大的采制樣誤差，而且至少要數(shù)小時才能分析出結(jié)果，對實時燃燒調(diào)整和優(yōu)化運行的促進作用非常有限，因此迫切需要能在線分析煤質(zhì)的新技術(shù)和新產(chǎn)品。此外，燃料資源的質(zhì)量不穩(wěn)定性和多樣性也會影響到制粉系統(tǒng)和鍋爐燃燒的安全性，直接關(guān)系到電廠的安全經(jīng)濟運行。因此，為保持和控制燃料質(zhì)量而進行配煤，并對整個燃燒過程進行有效監(jiān)測以便確定混煤對燃燒效率和污染物排放的影響就變得尤為重要。煤質(zhì)在線實時檢測技術(shù)可以快速、準確地對入爐煤進行實時分析測量，達到有效把握和控制煤炭質(zhì)量的目的，使燃煤質(zhì)量更具科學性和可靠性，在提高電力生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟性、實現(xiàn)過程控制方面具有極其重要的意義和巨大的經(jīng)濟潛力。該技術(shù)從80年代中期開始就在美國、澳大利亞和歐洲得到了較快地發(fā)展，近10年才引入國內(nèi)。設備多為進口，價格較高，多用于選煤廠和洗煤廠，在電廠的應用業(yè)績較少。

　　2煤質(zhì)在線分析裝置的功能根據(jù)燃煤電廠的運營特點，該類裝置的功能體現(xiàn)在以下幾方面：

　　控制燃料成本

　　將煤質(zhì)在線分析裝置用于入廠煤的分析，可以通過以每分鐘顯示的數(shù)據(jù)掌握電廠來煤的灰份、水分、熱值等重要指標，從而根據(jù)機組燃煤特性控制購煤參數(shù)，為電廠購煤提供檢驗手段和依據(jù)，更好地控制燃料成本。

　　控制混煤特性

　　目前，越來越多的電廠開始燃用混配煤，入爐煤質(zhì)的變化會給鍋爐燃燒帶來很大影響，給運行調(diào)整帶來更大的困難。如果能實時掌握入爐混煤的煤質(zhì)數(shù)據(jù)，可以根據(jù)鍋爐設計的燃煤特性合理控制混配的煤種和比例，最大限度地滿足鍋爐安全運行要求。

　　指導運行，優(yōu)化燃燒

　　在電廠的實際運行中，經(jīng)常發(fā)生由于鍋爐燃用煤質(zhì)變差或頻繁波動而影響運行的安全性和經(jīng)濟性。控制電廠入爐煤質(zhì)量，其關(guān)鍵性指標是煤的灰份、水分、揮發(fā)分及熱值。運行人員主要以這些指標作為指導鍋爐運行調(diào)整的科學依據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗實時調(diào)整燃燒工況，優(yōu)化制粉系統(tǒng)運行，合理調(diào)整風煤比，優(yōu)化鍋爐燃燒。

　　3煤質(zhì)在線分析技術(shù)原理

　　傳統(tǒng)的煤質(zhì)工業(yè)分析一直沿用燒灼法進行測定，現(xiàn)國際上流行采用的在線分析裝置主要是以下幾種類型：

　　微波技術(shù)在線測量水份；

　　雙能γ射線衰減技術(shù)在線檢測灰份；

　　中子誘發(fā)瞬發(fā)γ射線技術(shù)檢測灰份及碳、氫、 氧等多種元素成分；

　　快速γ中子活化技術(shù)（即PGNAA）檢測灰份、灰成分及硫分。通常與測水儀結(jié)合，還可確定水分、熱值等指標。

　　3.1水分分析

　　過去采用的水分測量技術(shù)，如紅外線、電導或電容法等，都受到多種干擾參數(shù)的影響，無法應用推廣。目前，最成功的工業(yè)在線水分測定儀是利用微波技術(shù)[1]。當微波信號穿透煤層時，引起自由水分子旋轉(zhuǎn)，這一效應降低了微波的強度和速度，即微波發(fā)生了衰減和相移。水分儀通過測量微波的衰減和相移來得出水分。早期的微波水分儀只能工作在一種頻率下，而現(xiàn)在它的工作頻率范圍很寬，可抑制由于多次反射而引起的諧振干擾現(xiàn)象。為避免煤層厚度和堆積密度變化的影響，加入閃爍計數(shù)器和在屏蔽容器內(nèi)的放射源組成的射線測量質(zhì)量補償單元，可在負荷變化的輸煤皮帶上測量煤中水分。

　　3.2灰份分析

　　煤質(zhì)在線監(jiān)測裝置所采用的放射源有中子源和γ射線源兩種，其中以中子源為放射源的設備又分中子誘發(fā)瞬發(fā)γ射線技術(shù)與快速γ中子活化技術(shù)，以下將分別作以介紹。

　　雙能γ射線快速測灰儀一般采用镅(Am241)作為低能放射源，銫(Cs137)作為高能放射源。低能γ射線穿過物質(zhì)時的減弱強度隨物質(zhì)的原子序數(shù)增大而增大。煤中揮發(fā)分與固定碳為可燃組分，由原子序數(shù)較小的原子組成，而灰份是不可燃組分，主要由硅、鐵、鈣等原子序數(shù)較大的原子組成。當γ射線穿過煤層時，可燃組分中的各元素吸收效應較弱，γ射線衰減系數(shù)?。环粗?，灰份中各元素吸收效應較強，低能γ射線衰減系數(shù)也大。高能γ射線吸收率與煤單位面積重量有關(guān)。這樣利用高、低兩種能量的射線，經(jīng)閃爍探測器測量穿過煤炭后的射線強度，就可顯示煤中的灰份含量。

　　3.2.2中子誘發(fā)瞬發(fā)γ射線法測量灰份

　　中子誘發(fā)瞬發(fā)γ射線法是核技術(shù)在煤質(zhì)在線分析方面的應用，主要是基于中子與煤的核反應，包括彈性散射等6種形式，其中在煤質(zhì)分析中最重要的是以下兩種：

　　快中子非彈性散射，測量煤中C和O的含量；

　　熱中子輻射俘獲反應，可測得煤中大部分元素的含量，如H、Ca、N、Fe等。

　　3.2.3快速γ中子活化技術(shù)測量灰份

　　快速γ中子活化分析技術(shù)（PGNAA）是國際上較先進的能夠?qū)崿F(xiàn)在線分析確定煤中灰主要成分的技術(shù)。煤中灰分含量和煤中礦物質(zhì)元素之間有一定關(guān)系。作為放射源的熱中子可以激發(fā)被測煤樣中各元素的原子核，使其處于不穩(wěn)定的高能激發(fā)態(tài)。這些激發(fā)態(tài)原子核躍遷到穩(wěn)定的基態(tài)或較穩(wěn)定的低能態(tài)時放出γ射線。分析儀的探測器根據(jù)γ射線能譜檢測煤中硫、硅、鋁、鐵、鈣、鈦、鉀等元素的含量，繼而得到煤的灰份.

　　3.3煤的發(fā)熱量

　　煤中灰分和發(fā)熱量之間有很好的相關(guān)性，目前無論是國產(chǎn)設備還是國內(nèi)代理的引進設備，都是通過回歸方程由灰分值計算出煤發(fā)熱量。

　　3.4各種測量原理的比較

　　測定精度

　　雙能γ射線法的測量精度為0.5%～1%。與其相比，中子活化技術(shù)的測量精度較高。

　　煤種相關(guān)性

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　　雙能γ射線法的主要缺點是其標定與煤種有關(guān)。該技術(shù)對煤中鐵和鈣元素較敏感，若電廠來煤的鐵、鈣元素變化范圍較大，則采用γ射線測量方法的誤差會較大。而中子活化技術(shù)則與煤種無關(guān)。

　　防護要求

　　與γ射線法相比，中子穿透力強，對人體的危害也更大，故對屏蔽防護要求高，一般要采用水或石蠟等含氫物質(zhì)、鎘片及鉛片共同組成屏蔽防護。

　　測量指標

　　雙能γ射線法可測量煤的灰份、水分、發(fā)熱量；中子活化技術(shù)除人們通常感興趣的灰份、水分、發(fā)熱量外，還可測定硫分、對鍋爐結(jié)焦有影響的鈉、氯，以及硅、鈣等元素成分。

　　中子源

　　大多數(shù)的PGNAA分析儀采用同位素中子源，即锎－252（Cf252），它是一種自發(fā)裂變中子源，平均能量2.5MeV，半衰期為2.5年，之后直接更換中子源。 2發(fā)電241設備不工作時輻射安全性較好，標定后不需額外維護，所以在正常工作時分析儀周圍不需要操作或維護人員。設備周圍的屏蔽主要采用碳氫元素。但 Cf252的造價高，中子通量也容易波動。另一種中子源是14MeV的(D,T)中子管，體積較 Cf252大，以電子脈沖式工作，但中子管的壽命較短，為4000h。

　　4國外應用概況

　　80年代中期，煤質(zhì)的在線分析開始在電廠進行試驗，但并未獲得商業(yè)應用。促進這項技術(shù)發(fā)展的動力是環(huán)境保護的要求。80年代后期，美國聯(lián)邦政府公布了一系列法規(guī)，對污染大氣的排放標準作了嚴格的限制，迫使發(fā)電廠和電力公司想辦法使排放符合新標準。1990年，美國印地安那州的Gibson電廠率先安裝了5 臺Gamma－Metrics煤質(zhì)在線分析儀，其應用對電廠運行的主要改進體現(xiàn)在三方面，一是排放符合環(huán)保要求, 避免了SO2超標而引起的罰金。二是擴大了可以燃燒的煤種。三是優(yōu)化燃燒過程, 提高了電廠的性能。此外，電廠對該系統(tǒng)的應用還體現(xiàn)在獲得混煤的灰熔融性數(shù)據(jù)方面。如美國猶他州的PacifiCorp’s Hunter電廠，燃煤由汽車從猶他州的幾個煤礦運輸，煤質(zhì)變化較大，有些來煤灰熔點較低，成為鍋爐結(jié)焦和非計劃停機的主要原因。為控制混煤的灰熔點溫度，電廠應用美國Gamma－Metrics公司的CQM分析儀在線分析入場煤質(zhì)，控制混煤的灰熔點溫度滿足鍋爐安全運行的要求，減少了因混煤煤質(zhì)不穩(wěn)定造成鍋爐結(jié)焦而被迫停爐的損失。鑒于煤質(zhì)在線分析技術(shù)的發(fā)展, 各國的標準委員會已經(jīng)著手制定煤質(zhì)在線分析儀的有關(guān)標準。美國 ASTM－5委員會的煤質(zhì)在線分析儀工作小組起草了標準導則的草案并得到批準。設在倫敦的IEA煤炭技術(shù)研究院( IEA Coal Rebbbbbb)出版了專著“煤質(zhì)在線分析儀“, 詳細地闡述在線分析儀的技術(shù)發(fā)展、應用和效果。可以肯定，今后數(shù)年內(nèi)，這項技術(shù)將在世界上得到更長足的進展。

　　目前國內(nèi)電廠應用在線測量系統(tǒng)的方式主要有兩種，一是安裝于入爐皮帶上，檢測入爐煤質(zhì)，指導燃燒調(diào)整；二是固定于入廠皮帶上，檢驗來煤質(zhì)量，指導入廠煤按質(zhì)分放，以利于煤的摻配。各電廠的應用（已投用）情況列于表1。

　　5.1微波水分儀在線水分儀，國內(nèi)尚無成型產(chǎn)品，陡河電廠和上海石洞口二廠安裝的水分儀，均是從德國BERTHOLD公司購買的LB354型微波水分儀，與LB420型灰分儀配套安裝使用，目的是為了消除水分對灰份測定結(jié)果的影響。按照廠商提供數(shù)據(jù)，1%的水分約相當于 0.2%的灰分測定偏差。假定電廠燃用煤質(zhì)水分在 5%～10%之間，則水分變化引起的灰分測定偏差為 ±1.0%。水分和灰份儀配合使用，由于微波水分儀測量精度可達±0.2%，由水分引起的灰份測量誤差可忽略不計，可以大大提高灰份測量精度。同時，兩臺儀器可共用一個Cs137輻射源進行單位面積重量的補償，相對減少投資。

　　5.2灰份儀

　　5.2.1雙能γ射線測灰儀

　　目前國內(nèi)安裝雙能γ射線測灰儀的電廠較多，如上海石洞口電廠使用的德國Berthold公司的LB420測灰儀。它所配備的閃爍探測器采用漂移和衰減的自動補償，以保證長期使用的穩(wěn)定性。國外較典型的雙能γ射線快速測灰儀還有澳大利亞SCANTECH公司的COALSCAN3500型、美國Science Application公司的Model 400型等。

　　TN－2000型測灰儀也是采用雙能透射法進行煤質(zhì)測量。設備安裝在鍋爐上煤皮帶尾部，自動對煤樣進行在線測試，測試間隔為1s。界面顯示每分鐘平均的灰分、熱值，每分鐘煤量、總煤量、輸煤的機組號和倉號以及灰分、熱值、煤量曲線。所得實時數(shù)據(jù)可并入局域網(wǎng)，為電廠發(fā)電部、燃煤部、企管部等相關(guān)部門提供數(shù)據(jù)，達到全廠規(guī)范管理的目的。利用雙能γ射線技術(shù)監(jiān)測煤質(zhì)所受影響因素較多，通過電廠的實際應用，可以歸納出以下幾種情況：

　　環(huán)境因素

　　包括溫度、濕度等，尤其以溫度影響最為常見。溫度會影響探測器的倍增系數(shù)及分辨率。該設備盡量要求環(huán)境溫度在5℃～35℃，同時避免強烈的機械震動。

　　煤樣因素

　　包括煤樣的粒度、質(zhì)量厚度及水分的影響。

　　a. 粒度和質(zhì)量厚度的影響：TN-2000是通過測定煤對γ射線的質(zhì)量衰減系數(shù)來確定煤灰分的，而質(zhì)量衰減系數(shù)是根據(jù)γ透射物質(zhì)的指數(shù)減弱規(guī)律來確定的。透過煤層的γ光子與該γ射線束面積上的質(zhì)量厚度有關(guān)系。在實際測量煤的灰分時，煤流或煤層顆粒不可能完全均勻，在煤顆粒之間存在的空隙也是隨機的，因此γ射線束面積上煤的粒度、質(zhì)量厚度是不一 樣的。這樣，雖為同一煤質(zhì)，粒度與質(zhì)量厚度不同會造成其質(zhì)量衰減系數(shù)不同，所以也會造成灰分測量值有所差異。 b.水分的影響：對中、高灰分的煤種，水分的增加使儀器的灰分測量值降低。在實際測試中，當水分變化較大時，必須考慮加以校正。

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　　灰中元素含量的相對變化

　　被測煤的硅、鋁、鈣、鎂、硫等元素的變化直接影響對γ射線的質(zhì)量吸收系數(shù)，因而也會影響灰分的測量值，尤其是鐵、硫等對γ射線的衰減影響敏感。在實際原煤中Fe主要是以FeS的形式存在，為了深入了解FeS對測試結(jié)果的影響，有人曾對FeS的干擾進行過試驗，結(jié)果是測量灰分值與FeS的線性相關(guān)性非常顯著。所以FeS對煤樣的測試結(jié)果影響非常敏感。當煤中FeS每增加1%，儀器測試灰分則增加3.37%，故煤中Fe元素的含量變化將直接影響測量準確度。

　　在線測試中的煤流要求

　　在煤層的質(zhì)量厚度比較小時，煤質(zhì)監(jiān)測儀的靈敏度隨質(zhì)量厚度的增加而增大，約在5g/cm2時達到最大，此后隨質(zhì)量厚度的增加而緩慢下降。在煤層太薄時，測量系統(tǒng)可能出現(xiàn)較大的偏差，測試結(jié)果難以準確。

　　5.2.2中子誘發(fā)瞬發(fā)γ射線煤質(zhì)監(jiān)測儀

　　比較典型的是MJA電站煤質(zhì)在線檢測裝置，國內(nèi)有黃臺電廠、濰坊電廠等11家電廠安裝，有的已完成調(diào)試，進入正式使用階段。整套系統(tǒng)主要由煤質(zhì)元素分析裝置、工業(yè)分析軟件并配套煤質(zhì)水分儀等裝置組成。設備包括安裝于皮帶上的中子煤質(zhì)分析儀、微波水分儀、煤層限高器三部分。檢測信號可接入 DCS系統(tǒng)和MIS系統(tǒng)。裝置使用的是可控制和關(guān)斷的電子式中子源，斷電后無放射性，但中子管的壽命較短，4000h左右即需更換。

　　5.2.3快速γ中子活化煤質(zhì)分析儀

　　較典型的是美國Gamma-Metrics生產(chǎn)的在線測煤儀，包括CQM、ECA、1812C等一系列產(chǎn)品。該公司創(chuàng)建于1953年，隸屬于世界著名的美國熱電 (Thermo Electron)集團。

　　CQM是快速γ中子活化分析儀（PGNAA），內(nèi)置微波水分儀。該分析儀從采樣系統(tǒng)獲取煤樣分析測定主要煤質(zhì)參數(shù)。ECA是跨帶式，以實時方式分析皮帶上輸送煤的組成成分?？梢詼y定灰分和硫分，還可選配微波水分儀，以計算熱值以及SO2的排放量。目前國內(nèi)外有30臺CQM，10余臺ECA，80余臺 1812C分析儀在使用，國外的電廠客戶較多，國內(nèi)電廠的業(yè)績尚少，只有洛陽龍羽電廠已經(jīng)安裝投用。據(jù)調(diào)研，洛陽龍羽電廠將該設備安裝在入廠煤汽車采樣機的給料膠帶機機架上，對入廠煤進行實時分析灰分、水分、硫分、發(fā)熱量、灰分中的氧化物等。表1國內(nèi)電廠應用煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)（已投用）情況一覽表用戶設備型號 應用原理 顯示指標山西陽光發(fā)電有限責任公司TN－2000雙能γ射線入爐煤灰份、熱值、煤量山西柳林發(fā)電有限責任公司TN－2000雙能γ射線 入爐煤灰份、熱值、煤量云南小龍?zhí)峨姀STN－2000雙能γ射線入廠煤灰份、熱值華能榆社電廠DTK-H雙能γ射線 入爐煤灰份、熱值上海石洞口電廠LB420、LB354雙能γ射線、微波灰份、水分山東黃臺電廠MJA中子誘發(fā)瞬發(fā) 元素分析、工業(yè)分析、灰成分山東濰坊電廠MJA中子誘發(fā)瞬發(fā)元素分析、工業(yè)分析、灰成分山東萊城電廠MJA中子誘發(fā)瞬發(fā) 元素分析、工業(yè)分析、灰成分洛陽龍羽發(fā)電廠CQM PGNAA入廠煤灰份、水分、熱值、灰成分等 6燃煤電廠的應用遠景國外煤質(zhì)在線分析儀在火力發(fā)電廠的成功應用已引起我國電力行業(yè)和儀表制造業(yè)的關(guān)注。但由于受到投資和造價的限制，國內(nèi)使用煤質(zhì)在線分析儀的電廠較少。從長遠看, 為了節(jié)約煤資源, 提高鍋爐燃燒效率和降低發(fā)電成本, 加強煤質(zhì)監(jiān)督, 采用煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)則勢在必行。

　　必要性之二是平衡計算發(fā)供電煤耗的需要。原電力部已正式發(fā)文，要求自1994年1月1日起，火電廠發(fā)供電煤耗統(tǒng)一以入爐煤計量煤量和低位發(fā)熱量按正平衡計算，這已成為電廠節(jié)能的一項重要工作。通過煤耗的偏差分析還可以發(fā)現(xiàn)電廠管理工作中的漏洞。正平衡計算數(shù)據(jù)是今后火電廠和大型機組節(jié)能管理、提高鍋爐燃燒率、降低發(fā)電成本的一項重要的考核指標。采用煤質(zhì)在線分析后，就可以取得每分鐘的煤質(zhì)數(shù)據(jù)，繼而準確快捷地計算發(fā)供電煤耗，提高電廠的燃燒和能源管理水平，進一步節(jié)約能源，改善環(huán)境污染。

　　7結(jié)論及建議

　　煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)在燃煤電廠的應用主要體現(xiàn)在實時分析入廠煤和入爐煤兩個方面，其優(yōu)化電廠性能的方式主要表現(xiàn)在：

　　驗證所購煤種是否符合電廠燃煤要求。

　　合理上煤，保證鍋爐燃用煤質(zhì)波動在一定范圍內(nèi)。

　　為運行人員提供實時數(shù)據(jù)，及時進行合理的運行調(diào)整，指導運行，優(yōu)化燃燒。

　　及時、合理地進行煤耗核算。

　　煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)可以實現(xiàn)燃用煤質(zhì)的快速分析，在提高電力生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟性、實現(xiàn)過程控制方面具有極其重要的意義和巨大的經(jīng)濟潛力。但另一方面，該系統(tǒng)尚存在主要元件的壽命、放射源的危險性、較大的系統(tǒng)投資等多方面問題，畢竟國內(nèi)電廠已投運的應用實例并不多，可借鑒的經(jīng)驗較少，因此建議電廠在系統(tǒng)上馬前進行詳細的論證。