电子设计工程
Electronic Design Engineering
第27卷Vol.27第4期No.42019年2月Feb.2019
收稿日期：2018-06-01
稿件编号：201806004
海洋工程船
作者简介：赵勇纲（1969—），男，河北迁安人，博士，高级工程师。研究方向：电站锅炉及相关领域。
目前，众多电厂为了节约成本、提高效率，多采用设计煤种偏离的燃烧煤。然而，煤种的变化会对锅炉的运行造成较大的影响。例如，锅炉出力不足、机组热效率降低、锅炉的蒸发受热面结渣等。为了能够保证锅炉安全稳定运行，需要操作人员根据煤质，实时、合理的调节煤粉和空气的投入比。因此，对煤质进行检测与分析尤为重要。传统的采样法虽能够精准有效的分析出煤质，但由于分析时间较长，存在滞后性，对锅炉的运行指导不具备实时、合理的 去皮刀片
折叠耳机研究与设计
赵勇纲1，杨传博2，冀树春1，胡小平2，张飒3，王雅杰3
（1.神华国神技术研究院陕西西安710000；2.神华神东电力重庆万州港电有限责任公司重庆404100； 3.贝恩讯谱光电科技（北京）股份有限公司北京100012）
摘要：文中根据现有煤质检测技术的不足，基于高能量脉冲激光，研究开发出了适宜于指导燃煤电厂运行优化和煤质管理的高精度煤质特性指标在线检测成套技术和装备。该技术的控制系统以编程控制器（PLC ）作为控制核心，物台可以实现检测全过程远程控制、无人值守配合智能化移动。并可实现大跨度双（多）皮带自动切换测试，能够对电厂入炉煤全元素实现在线实时准确检测，以及燃料有害元素的实时在线测试功能。从而为锅炉燃烧优化调整、制粉、脱硫、脱硝系统优化运行，提供及时、可靠、准确的科学依据。
关键词：煤炭全元素；高能脉冲激光；煤质在线全断面检测；编程控制器；现场应用中图分类号：TN247
文献标识码：A
文章编号：1674-6236（2019）04-0070-04
Research and design of coal quality online inspection mobile scanning platform
based on high⁃energy pulse laser
ZHAO Yong⁃gang 1，YANG Chuan⁃bo 2，YI Shu⁃chun 1，HU Xiao⁃ping 2，ZHANG Sa 3，WANG Ya⁃jie 3
（1.Shenhua National God Technology Institute ，Xi'an 710000，China ；2.Shenhua Shshendong Electric Power for Wanzhou Port Co ，Ltd.，Chongqing 404100，China ；3.Bain Spectrum Photoelectric Technology
（Beijing ）Limited by Share Ltd ，Beijing 100012，China ）
Abstract:During to the insufficiency of existing coal quality inspection technologies ，this paper research and development of on-line inspection complete sets of technologies and equipment suitable for guiding coal mine power plant operation optimization and coal quality management based on high-energy pulse
lasers.The control system of this technology takes a programmable logic controller （PLC ）as the control core and the platform can make the whole process of detection to achieve remote control ，u
nattended with intelligent movement ，and can realize automatic switching test of large-span double （multi ）belts ，which can detect all elements of the coal entering the furnace of the power plant and the real-time and on-line testing function of the harmful elements of the fuel are realized.Which provides timely ，reliable ，and accurate scientific basis for optimal operation of boiler combustion ，milling ，desulfurization ，and denitrification systems.
Key words:whole elements in coal ；high-energy pulse laser ；coal quality full cross section testing online ；
programmable logic controller ；field application
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指导意义。因此，在线实时检测煤质的技术和设备便成为解决该问题的关键[1-6]。
然而煤质实时检测技术的实现较为困难，且国内的煤质在线检测设备多为进口，严重阻碍了国内火电厂燃煤的应用与发展[7-10]。为此本文将设计一种基于高能脉冲激光的煤质在线检测移动扫描平台，该平台采用高能脉冲激光矿物全元素在线检测（LCAS ，L-Laser 激光；C-Combined 整合控制联合；
A-ALD ，Auto-location device ，自动定位装置，有源定位；S-Spectrum （光谱识别分析）技术，实现了对电厂入炉煤全元素在线实时准确检测；对现有爽入炉煤皮带方向自动切换，并实现多点停留，运行速度和移动距离在满足要求的范围内可调。
1高能量脉冲检测原理
高能脉冲激光矿物全元素在线检测技术，是最新一代矿物全元素在线分析的核心。该技术利用高能量脉冲激光激发待测样品，瞬间造成样品材料的化学键断裂、化学成分被电离化而形成离子体。通过摄取、记录、分析光谱信号，实现对被检测样品中化学元素成分含量的测定。从而完成定量分析，实现对全元素成分的实时直接检测。同时，利用红外自动定位装置可对移动矿物进行精确定位，为真正实现矿物在线检测提供保障。目前，该技术成功应用于有、煤炭、钢铁、矿石、水泥的全元素在线及快速检测中。
激光检测煤质的步骤如下[11-17]：1）激光作用于煤粉
激光源通常有3种：即纳秒激光、皮秒激光以及飞秒激光，而纳秒激光是现如今应用最为广泛的，其通过聚焦凸透镜可以使光束聚焦于煤粉表面。
2）煤粉吸收激光光子形成等离子体
煤粉在高能脉冲激光照射作用下产生自由电子，
而后自由电子在激光能量的持续作用下会出现电离现象，继而会出现温度较高的等离子体，其作用机理：
e -+M -＞e -+M +
（1）
式中：e 表示电子；M 表示中性粒子。3）等离子体冷却产生光谱
生成等离子体的过程完成后，随着温度的降低，自由电子会与高能态离子相互撞击，形成散射的光子，即：
e -
mv 212+M +-＞e -mv 2
22
+M ++hv （2）两者在撞击的过程中，还会聚合成高能态的原子：
e -+M +-＞M ++hv （3）由于高能态原子的稳定性弱，会发生向稳定状态的跃迁。故在此过程中会产生原子，有：
M 0-＞M ++hv
（4）
跃迁中产生的辐射称为激发，光谱是间断的。该种辐射散发的谱线中，包含了煤质检测需要的元素信号。
4）光谱的收集和处理
利用光谱分析仪器收集以上激光作用产生的谱线[18]，对其进行相应的分析与处理，即可得到煤质的全元素信息。
2设计方案
2.1
设备组成
本平台为全皮带自动移动测试物台，主要装置包括底部支撑平台、滑动小车、驱动装置和电控装置，其结构如图1所示。支撑平台固定在入炉皮带的两侧，滑动小车放于支撑平台上，能够在两根皮带上方移动。检测设备放于小车上，其中以伺服电机作为驱动动力源驱动小车移动[19]。而电控系统采用可编程控制器（PLC ）作为控制核心，实现采样装置
的远程控制和就地控制。
图1设备平面布置图
赵勇纲，等基于高能脉冲激光的煤质在线检测移动扫描平台的研究与设计
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《电子设计工程》2019年第4期
可编程控制器包括全套设备：中央处理单元（CPU ）、接口模块、I/O 、存储器、触摸屏、电源、外壳、专用电缆以及连接器等。此外，还有一套以监控画面为基础的控制系统作为人机接口。PLC 控制系统具有自诊断能量，与可在紧急情况发生时实现快速报警的功能。操作者能够通过人机接口，达到必要的监视、控制、报警、记录、参数设置以及故障判断等功能，并能够设置相应的权限。
本次设计采用的PLC 主要特点为具有DT 通讯接口（距离小于100m ），先进可靠，抗干扰能力强，适合在恶劣工业环境中使用。其CPU 接线图，如图2
所示。
图2CPU 单元接线图水封井
2.2整体设计方案
全皮带物料自动移动测试物台安装于设备间
内，底部支撑平台由钢管作为支撑，并将导轨嵌入横跨两条皮带的平台上。同时装有高能脉冲激光的检测设备安装在滑动小车上方，滑动小车初始位置设在现有两条皮带中间，滑动小车沿导轨双向自由运行。利用伺服电机作为驱动动力源，结合可编程控制器（PLC ），实现滑动小车在导轨上方自动停留和启动。
2.3系统启动
系统可以实现自动和手动两种模式启动设备。自动启动的主要步骤为：1）系统自动运行前，操
作人员手动起动系统电源、控制系统等，系统恢复初始位置；2）系统启动，自动运行，反复循环；3）命令结束，返回初始位置。
而对于手动运行主要操作如下：系统运行前，操作人员手动起动系统电源、控制系统等，系统恢复初始位置；操作人员可以根据皮带的运行状况，点击A 侧皮带启动或者B 侧皮带启动，系统接收命令后启动，系统会自动保存检测信息，命令结束后返回初始位置。
2.4操作控制
控制系统的监控面板上有就地手动和自动两种
运行控制，操作人员可通过就地控制箱上的切换开关进行切换。现场设备就近设置就地控制箱，控制箱中设远程/就地手控控制/就地自动控制切换开关及启停按钮。
本系统采用可编程控制器控制，在触摸屏上输入行走的距离后，执行机构带动监测仪器按照命令行走，达到位置后停留1~5s 。然后，继续按照上阶段运行方式运动。当达到检测终点后，回程动作与去程动作一致，始终往复运动，不断检测，直至收到停止指令后检测仪回到起点。其工艺流程图，如图3
所示。
图3
系统工艺流程图
3系统应用
1）系统首次采用高能量脉冲激光在线分析技术
（LCAS ）和设备，作为燃煤电厂煤质在线检测的技术关键与核心[20]。
2）基于LCAS 技术对煤中全元素含量（煤中碳、氢、氧、氮、硫、硅、铁、铝、钙、镁、硫、氮、钾、钠、砷、汞
等）进行在线实时准确测量的基础上，可通过对试验数据的分析对比，深入研究全元素与电厂所需工业分析指标之间的关系。其首次完成了灰分、挥发分、发热量等电厂入炉煤煤质燃烧特征指标在线检测的二次开发，填补了我国利用高能量脉冲激光在线分析技术对于电厂燃料所需的与煤燃烧相关的煤质指标在线检测技术的空白。
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3）通过移动扫描技术及装置的开发应用，首次实现了入炉煤煤质的全皮带物料扫描。全面反映入炉煤煤质真实状况，大幅提高了在线测试的代表性和准确度，并实现了煤质指标与煤量的良好对应关系。同时针对目前燃煤电厂入炉双皮带运行的特点，该装置首次实现了煤质在线检测设备对两条入炉煤皮带上煤质在线检测的切换。
4）煤燃烧过程中，硫、氮氧化物等主要大气污染物的排放水平随煤中有害元素赋存状态及燃烧工况而变化。基于LCAS技术对煤中S、N和As、Hg等微量有害元素含量的在线检测，首次研究并建立了其
与燃煤SO2、燃料型NOx生成量的对应关系。从而为电厂脱硫、脱硝系统的优化运行提供前置数据，实现燃煤电厂的污染控制与运行成本控制。
5）系统利用了高能脉冲激光矿物全元素在线检测（LCAS）设备，对电厂燃烧结焦起重要影响的煤中钾、钠等碱金属含量（主要是K、Na）进行在线测量的创新开发，开展相关应用研究，并指导入炉煤的混配比例，减少锅炉结焦事故发生的风险，为进一步改善锅炉运行环境提供基础数据。
4结束语
基于高能脉冲激光的煤质在线检测移动扫描平台，采用高能脉冲激光矿物全元素在线检测（LCAS）技术和相关设备，实现了对电厂入炉煤中C、H、O、N、S及其煤灰成分等全元素含量的在线实时准确检测。LCAS煤质在线检测装备配套的移动扫描技术及装置，实现了入炉煤煤质的全皮带物料扫描。其可以与电厂DCS控制系统进行对接，实现了煤质指标的实时检测、实时显示、实时调控。
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