立项背景：

煤炭在煤电行业用量较大，燃煤费用占火电厂运行成本的70%以上，煤炭中灰分、热值、挥发分、灰熔点，水份及C，H，S等元素含量是煤炭化验分析的主要指标，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离线人工取样、制样和化验分析，工序繁琐且耗时长，不能及时反馈煤炭的信息，因此带来诸多弊端：一是需要数小时才能知道分析结果，无法在第一时间指导来煤验收、接卸、储存；二是依靠人工采样、制样、化验，中间环节容易出现人为干预和失误，影响化验结果的真实性和准确性；三是电厂用煤多变，当入炉煤质严重偏离设计煤种或入炉煤质发生过频过大波动时，会对锅炉运行的安全性、经济性带来直接的影响，传统的离线分析不能及时的给出煤质化验报告。煤炭自动取样、连续制样及、基于LIBS（激光诱导击穿光谱）技术的煤质在线检测分析技术及LIBS检测装置，能够实现煤质在线实时检测分析，可实现全元素分析、检测速度快、结果准确、自动化程度高、避免人为因素、减少劳动强度，给煤炭的验收化验、分类存放和指导锅炉燃烧调整，实时提供基础数据信息。

内涵和主要做法:

燃煤首先进行配煤，然后经输煤皮带、原煤仓、给煤机、磨煤机、分离器后才能进入到锅炉燃烧，整个上煤过程是间歇性的并且分仓进行。因此不同原煤仓内的煤质存在差异，同一煤仓不时段层煤质也会有差异。煤质在线检测系统只在输煤皮带最开始处进行煤质分析，没有体现进入炉膛燃烧的煤质差异，时间上也存在延迟，因此需要通过输煤设备现场运行参数、设备物理参数可视化这个原煤输送过程、计算并可视化原煤仓内煤质分布状态，采用实时测量和计算机仿真相结合的技术，计算煤样输送位置，图形动态展示煤样进入炉膛燃烧的过程，最终获取参与燃烧的煤粉的真正煤质数据。根据在线测得的原煤煤质计算燃烧指数，并进行预警和燃烧调整指导提示。

原理或机理：

激光诱导击穿光谱技术（laser induced breakdown spectroscopy，LIBS）是一种原子光谱分析技术。其基本原理如下：当一束能量较大的激光脉冲击打样品时，激光能量聚焦区内样品的原子、分子等粒子会吸收入射的光子，样品表面吸收高能的脉冲激光能量，随即产生相变，诱导出等离子体。随着激光能量的持续作用，原子、分子的继续被激发、电离产生大量的高激发态粒子。电子在高能等离子体中运动较为剧烈，进而轰击原子，会使其电离产生新的电子，而产生的新的电子在激光和其他粒子的作用下也会通过轰击原子使原子继续电离，表现为在很短的时间内电子密度迅速增加。这个过程的结果就是形成了由大量的原子、离子和自由电子组成，但是整体上呈近似电中性的高能等离子体，称为“激光等离子体”。激光诱导出的等离子体会对外发射特定频率的光子，而且不同元素的原子光谱具有指纹特征。通过收集等离子体发射的特征谱线，可定性的分析元素的种类，分析的范围几乎涵盖元素周期表内所有已有元素，包括放射性元素；另外，通过特征光谱的强度等相关信息，可以通过数学统计结合物理机制建立预测模型，对未知样品的含量进行定量的分析，可定量分析PPM级别的未知元素含量。

创新亮点和值得学习借鉴之处：

LIBS分析技术具有快速、无损、样品无需复杂处理等特点，比较其他现有的煤质分析方法，可以节约大量的时间和人力成本。LIBS分析所涉及到的各种内在机制都是物理变化，没有化学过程的发生，特别是排除了化学分析中有毒和有辐射元素检测方法对环境和人员带来的危害。实现对煤质的实时在线检测分析。满足燃煤电厂对煤质检测的快速性、准确性和自动采、制、化以及减少人为因素、减少劳动强度的需要。煤质、煤流在线监测可视化系统通过获取在线煤质数据和输煤皮带、原煤仓料位高度分布等数据计算煤仓内不同煤层的煤质分布和进入磨煤机的时间，能够提前预知进入磨煤机和锅炉的煤质变化，可以根据不同的煤质变化提前调整运行参数，适应煤种的变化。

1.本项目创造性的提出了一套激光煤质在线检测系统，该系统以LIBS技术为核心，包括采样、缩分、破碎、研磨，压制样、LIBS检测、数据库建模以及数据处理校正。

2. LIBS技术在各行业应用广泛，但均限于对单一元素成分的检测，本项目将LIBS技术开创性的应用于电煤成分检测，能检测多种元素混杂的煤质的多种特性指标。

3.建立了以工业分析值或元素分析值为因变量，煤样光谱强度为自变量的定标数学模型；然后通过收集大量煤样光谱，将光谱强度带入方程求解方程系数，采用偏最小二乘法和光谱标准化（提纯）方法对方程进行修正，确定方程后，实测现场煤样光谱强度计算煤样工业分析值和元素分析值，进一步优化煤质分析计算方法和数学模型。

4.建立了LIBS技术的数据分析方法，通过试验进一步优化激光聚焦平面距离、煤样压制压力、激光能量激光频率对光谱强度的影响，结合激光产生等离子体中物理机制的分析，利用光谱拟合、归一化、筛选等方法对光谱数据进行处理，采用SVM和PLS提高了煤质工业数据的准确性。

5.实现了分仓上煤判断统计、煤流输送过程的可视化、煤仓内煤质分布可视化、燃煤特征指数计算、异常煤质预警以及运行操作指导等功能。使入炉煤在线分析系统煤质数据更好的用于磨煤机以及锅炉的运行指导。实现了多路径获取数据、从管理网站自动采集报表的功能，进一步验证了设备在线实时数据和仿真模型相结合的技术路线的可行性。

实施应用前后效果（益）情况对比：

节煤效益

两台300MW机组年消耗煤碳约150万吨，利用在线检测装置进行煤质成分在线检测，根据煤质变化实时调整锅炉燃烧，降低发电煤耗1g/kWh，每年节约120万元；利用在线检测装置进行优化配煤，通过合理掺烧劣质煤和优质煤，每吨煤节约1元，则1年可节约150万元。每年节煤效益达270万元。通过快检，拒收不符合合同要求的煤炭，减少电厂经济损失，其效益更加巨大。

节油效益

用在线检测装置进行煤质成分在线检测，通过减少投用助燃油，避免机组非计划停运，每年平均节约100万元。

减少人力成本及其他

目前2×300MW机组，需配置入炉煤和入厂煤采制化人员20人（按五班三倒设置）。利用在线检测装置，可以减少员工10人，同时节约大量的化验设备及耗材，年增效益150万元以上。

可推广应用范围

在线检测装置实现了入炉煤原煤输送过程可视化、原煤煤质变化可视化、煤仓煤质分布可视化，实现磨煤机内煤质变化可视化及预警，对数字化电厂的应用具有极大的价值。对在国内各等级机组推广应用有十分重要的意义。