1、新型激光光谱技术在电站运行诊断中的应用华南理工大学学报自然科学版第卷第期 . .年月?文章编号:?新型激光光谱技术在电站运行诊断中的应用术陆继东 姚顺春董美蓉 郑建平华南理工大学电力学院,广东广州摘要:电力工业的快速发展和用电结构的重大变化,使电站锅炉面临来煤多变、煤质特性复杂多样、负荷变化范围大等问题,这些问题直接影响电站锅炉运行的安全性和经济性.燃煤电站锅炉机组在线测量技术的缺乏已经成为制约火电机组优化运行技术发展的瓶颈之一.为此,一种新型的激光光谱技术?激光诱导击穿光谱技术被引入电站运行诊断领域.文中分别介绍了笔者及其所在团队近年来在从煤质分析、粉煤灰未燃碳分析和受热面失效趋势的快速分析
2、个方面进行的相关研究工作,并探讨了该技术在电站运行诊断领域的发展方向.关键词:电站运行诊断;激光诱导击穿光谱技术;煤;粉煤灰未燃碳;锅炉受热面中图分类号: ;:./.目前我国火电站锅炉主要面临来煤多变、煤质分析技术,将其应用于入炉煤煤质特性和粉煤灰未燃特性复杂多样、因参与调峰而承受大范围的负荷变碳的在线测量、锅炉受热面失效部位和趋势的快速分化等问题,这些问题易导致锅炉运行中出现制粉系析,有利于进一步提高锅炉运行的安全性和经济性.统磨损和振动、燃烧效率偏低、燃烧稳定性差、烟温激光诱导击穿光谱技术是一项基于等偏差、受热面积灰和结渣、受热面磨损、灭火事故等 离子体原子发射光谱的定性定量分析方法.随着
3、光问题,直接影响电站锅炉的安全和经济运行,进而影谱仪和激光器技术的快速发展,技术凭借其无响电网的整体安全.先进的优化运行技术是保障电 需样品预处理或仅需简单预处理、多元素同步快速站锅炉安全和经济运行的重要措施之一,然而关键 测量等优势,已逐步发展成为一项潜在的工业过程参数在线测量技术的缺乏,严重制约了火电机组优监测技术,被越来越多地尝试应用于矿产、冶金和燃化运行技术的发展,尤其是入炉煤煤质特性和粉煤 煤等。 。工业领域的过程质量控制.笔者及其所在团队长期从事技术的应用基础研究,文中灰未燃碳等重要运行参数在线测量信息的缺乏,使重点介绍了笔者及其所在团队近年来针对技锅炉的燃烧优化调控缺乏必要和准确
4、的依据.随着术在电站运行诊断中的应用进行的一些研究,探讨大容量和高参数燃煤机组的投入使用,对锅炉安全了入炉煤煤质特性和粉煤灰未燃碳测量、锅炉受热运行的要求越来越高,而锅炉的安全运行很大程度面的失效部位和趋势的快速分析等方面的关键科学上取决于锅炉受热面材料的安全状况.锅炉受热面问题,以期为发展适用于电站运行诊断的新型激光材料在高温和高压环境下长期运行会发生组织和性光谱技术提供参考.能变化,甚至产生缺陷.在停炉检修期间快速确定受热面存在性能恶化趋势的部位,及时了解和掌握金属技术原理部件的安全状况,可以减少非计划停运次数,提高锅炉安全运行的可靠性.因此,发展新型的在线或快速技术属于原子发射光谱技术,
5、根据电子能收稿日期:?基金项目:国家自然科学基金资助项目,;煤燃烧国家重点实验室开放基金资助项目作者简介:陆继东一,男,教授,博士生导师,主要从事清洁能源转换及系统优化研究.:万方数据第卷华南理工大学学报自然科学版等离子体区的电子密度达到一定程度后,入射激光会级跃迁发射的原子离子谱线进行定性分析和定量分析.脉冲脉宽为纳秒、皮秒或飞秒的激光光 被大量吸收;已经形成的样品等离子体消弱或阻止了脉冲激光的后半部分到达样品表面继续烧蚀.束能量通常为几十到几百毫焦经过透镜后聚焦等离子体信号采集的延迟时间是另一个影响到样品的表面,作用点处的一部分样品质量一般在微克级吸收激光能量后熔化、蒸发,并瞬间电离 煤质
6、元素分析结果的重要参数,等离子体的产生和演化过程是一个持续时间很短的过程,通常为微秒形成由自由电子、处于激发态的原子和离子组成的量级,而且不同元素之间由于激发、电离特性以及谱高温通常在以上等离子体 .等离子线的跃迁特性不同,会导致彼此的演化趋势不同.体随着向外界环境膨胀的过程而逐渐冷却,并发射文献.对煤中不同元素谱线强度刮和煤中不表征样品组分信息的光谱,一部分等离子体发射光同元素谱线信噪比的时间演化曲线的研被光纤采集并传送到光谱仪,光谱仪将等离子体发究表明,同一煤种中不同元素的谱线强度和的射光包括连续光谱、原子光谱和离子光谱进行分时间特性均存在一定差异.所以在对煤质进行多元光.在光谱仪的出口处
7、安装探测器对光谱信号进行素同步测量时需要综合考虑各个元素的特性,选取探测,并转换成数字信号传输到计算机上进行光谱合适的等离子体信号采集时间参数.分析。通过解析等离子体光谱,并结合定量分析模除了激光光源参数和等离子体信号采集时间会型,可以得到所分析样品组分的类别和含量信息.对煤质分析造成影响外,煤样特性会引起基体效应,相对于传统的光学测量方法,技术虽具有从而影响煤质分析结果的精确度.不同形态燃煤的前文所述的一些优势,但也存在一些不足,如基体效等离子体温度、电子密度以及元素特征谱线强度随应明显、测量精度较差、检测限较高以及复杂样品的脉冲能量的变化规律有所不同.笔者研究发现,相同标样匹配困难等.近年
8、来,技术得到了广泛的实验条件下,粉状煤样形成的等离子体温度和电子关注和研究,有望发展成为一项特别适用于工业过密度均比块状煤样的高,但块状煤样的元素特征谱程监测和产品质量控制的新型在线分析技术.线强度更大。川.如果是煤粉样品进行压片后再测量技术在电站运行诊断中的应用的话,压片时所用的压力会直接影响煤粉颗粒的致密度,从而使形成的等离子体信号强度和稳定性发研究生变化;相同粒径的煤粉样品,随着压力的增大致密。 “一煤质分析度增大,等离子体光谱特征谱线强度则先增大后趋煤是由多种有机物和无机物组成的复杂混合于稳定,信号稳定性则先减小后趋于稳定心.这主物,几乎包含了元素周期表中的所有元素.成煤要是因为在样品
9、致密度较低时,激光击打在样品表条件、煤化程度的不同,会导致煤中的元素含量变化 面形成等离子体的同时会形成悬浮质.很大.不同产地的煤样,其元素含量存在明显区别;此外,煤质分析的精确度和煤粉粒径也密切相即使同一产地,不同煤层的煤样,其元素含量也可能关,粒径对等离子体信号强度和稳定性同样会产生存在较大差异.因此,在利用技术进行煤质分显著影响.通常情况下,煤粉粒径越小,等离子体光析时,分析结果往往受组分分布不均匀、物理和化学谱强度的标准偏差越小,等离子体温度和电子密度特性差异导致的基体效应的影响很大.同时由于标越高,特征谱线强度则并非样品颗粒越细就越强归.准样品匹配困难,导致煤质组分的定量分析模型普此
10、外,煤样的水分对等离子体特性的影响主要在于适性较差,预测结果准确度不甚理想.降低等离子体温度,而对电子密度的影响不大旧.煤样的检测中,激光烧蚀煤的过程是一个 通过系统地分析关键测量参数和样品特性对激热力消融和蒸发的复杂动态过程,在很大程度上取 光等离子体的影响规律和机制,有利于得到稳定的决于煤样组分的热化学性质和物理化学特性以及激 表征煤样组分信息的光谱信号,再利用合适的定量光参数波长、能量、频率等。 。怕.其中激光能量与 分析方法即可获得煤中多种元素各自的含量.传统的定量分析方法一般可采用一元回归分析建样品烧蚀量和等离子对入射激光的穿透性密切相关.文献研究发现,、 、元素的谱线强度均随 立样
11、品中元素含量和对应的特征谱线强度之间的关着激光能量的增大先增强后减弱.这主要是因为激光 系式.但实际的应用情况显示,对于煤炭这种组成成分复杂的样品,由于同时存在不同特性的多种元素,能量增大,样品烧蚀率提高,电子密度也随之增加,当万方数据第期 陆继东等:新型激光光谱技术在电站运行诊断中的应用导致煤样的烧蚀和等离子体形成过程更为复杂,从激光能量过高,烧蚀样品产生的高密度等离子而使元素的特征谱线强度不仅与该元素自身的浓度体会减小入射到样品表面的激光,减弱激光和基体有关,还与煤中其他元素有关,所以由基于元素谱线 样品的相互作用,从而抑制等离子体的产生,使谱线强度的一元回归关系式建立的定量分析模型往往得
12、强度增加到一定值后出现饱和.文献中对谱不到理想的分析结果.内标法可以一定程度上改善线强度和电子密度随激光能量变化的研究表明,随一元回归法对单个元素分析的准确度 ,而通过选 着激光能量的增大,原子谱线强度先增大后逐渐取合适波段的光谱数据结合偏最小二乘回归则可以趋于饱和,并有所下降.这和样品等离子体及空气击进一步提高煤中组分的定量分析准确度.采用基于 穿形成的等离子体对入射激光的阻碍作用有关。样偏最小二乘回归的定量分析模型对煤中的,和品表面被烧蚀形成的等离子体在向外迅速膨胀的过:,进行定量分析,结果表明:和:,定量分 程中会继续吸收入射激光,并阻止激光到达样品表析的绝对误差均在。%质量分数以内心.
13、对于 面,切断激光和样品的能量耦合,导致等离子体发射强度降低旧“.燃煤电厂更加关心的挥发分和灰分等工业分析指标,同样可以根据等离子体光谱数据回归直接得到. 通常情况下,光谱分析主要集中在紫外一关键在于结合煤的化学结构和成分组成特点,确定 可见?区间旧,常用的元素分析谱线为与工业分析指标相关度较大的光谱数据作为回归的 .,而在分析粉煤灰之类含样品中的输人参数乞.元素时, .谱线会对 .谱线造根据目前的研究情况,基于技术的煤质分 成干扰甚至重叠,如图所示.对于谱线干扰和重叠析的关键是还需要进一步提高非金属元素测量的精问题,一般可以通过增大光谱分辨率和光谱数据反确度.已有研究结果表明,激光与煤中的和
14、元 卷积处理来解决.但增大光谱分辨率会增加设备成素相互作用形成的分子谱线:和不仅与样品所 本,并降低系统灵敏度;光谱数据的反卷积处理,则处的气氛有关,还与样品中元素所在的分子结构有 由于线性函数和滤噪函数的选择比较困难,人为因关旧?.其中,主要来自样品本身,而的形成更 素较多,而且处理后放大的高频噪音会对较弱的分加复杂,不仅与样品自身组分有关,还与样品中 析线产生干扰,使其应用受到了限制.为了避免. 和环境气体中的反应有关.揭示,和等分子 谱线的干扰,可以选择处于深紫外区的谱线的形成机制有助于利用技术准确地定量 谱线.但是深紫外区的谱线探测受限于普通探分析煤中胸非金属元素. 测器在深紫外区很低
15、的光信号响应,同时受氧的吸目前,利用技术分析煤质金属元素已经可 收干扰,往往要求抽真空或者充保护气体心。,这样以实现较高的分析精确度,但是在非金属分析方面会增加系统的复杂性,限制在工业过程监测中尚存在一些问题,尤其是在大气环境下直接测量、 的应用.为了克服上述困难,可以对探测器进、 、和时.此外,还需要进一步研究的关键问 行深紫外增强镀膜处理,并选用短焦距准直透镜和题包括:由煤样自身的化学组成和物理特性显 抗紫外光纤,探测粉煤灰的激光等离子体信号.根据.著差异引起的检测的基体效应;建立能适 文献,用深紫外区 谱线可以实现用于不同煤种并具有良好预测能力的定量分析模 对未燃碳的良好探测.型;研发煤
16、质在线分析装置的现场适应性籁和长期运行的可靠性.装.粉煤灰未燃碳分析越麓粉煤灰是煤燃烧后的直接产物,平均粒径比入炉煤煤粉颗粒粒径更小,其中的未燃碳含量是锅炉运行的一项重要经济技术指标,其他组分主要以氧化物的形式存在,如:、:,和等.利用技术分析粉煤灰未燃碳时的关键问题主要包括合适激光能量的选取、如何克服常规分析谱线波长易受谱线干扰的问题和探寻具有良好煤种适应图和元素谱线干扰性能力的定量分析方法等. . 万方数据华南理工大学学报自然科学版 第卷目前国内大部分电厂的来煤都不稳定,煤质特 化,随着后继激光脉冲的作用,融化的样品被汽化电性复杂多变,导致粉煤灰也存在较大差异,不同煤种 离形成等离子体。
17、”】.由于金相组织的改变,使样品的晶格发生变化,对基体元素造成的影响更大.燃烧所得的粉煤灰中各元素的含量变化很大,在利根据技术原理可知,谱线强度主要和等离用进行未燃碳分析时会存在基体效应明显的问题.不同煤种燃烧所得的粉煤灰样品中和元 子体温度和样品烧蚀量有关,当等离子体温度相当时素的相对强度与未燃碳含量的定标曲线拟合系数较 则主要取决于烧蚀量.激光分别作用于马氏体和珠光体铁素体样品的烧蚀坑形貌如图所示.小,说明由于样品中各主要成分的含量变化引起的基体效应非常明显,这样的定量分析结果存在很大的不确定性.笔者前期研究表明,采用多元回归方法,兼顾不同元素的物理和化学特性,选取与谱线强度相关的光谱数据
18、作为回归输入参数,可以有效降低由多元素共存引起的基体效应,未燃碳多元回归拟合曲线拟合系数可以达到.以上?.随着现代电厂锅炉燃烧效率的不断提高,粉煤灰中未燃碳的含量越来越低,这对测量粉煤灰未燃碳的应用提出了新的挑战.首先需要进一步降珠光体铁索体低检测未燃碳的检测限,以保证在未燃碳含量低于.%质量分数时具有足够的测量精确度;其次,需要解决在检测低含碳量的样品时,谱线与谱线在? 区间的干扰和重叠问题或者光电探测器对 附近元素谱线的响应效率;此外,需要进一步降低硬件成本以使基于技术的未燃碳分析装置与目前常用的基于微波法的分析装置具有技术经济上的竞争力.马氏体.受热面失效趋势的快速分析图烧蚀坑的形貌图金
19、相组织变化和珠光体球化是锅炉受热面材料. 在服役过程中性能恶化的根本原因之一,研究不同由图可见,珠光体铁素体的烧蚀坑体积大金相组织和不同球化程度的样品与激光相互作用的于马氏体的烧蚀坑体积,即前者的烧蚀量更大.而原机制,揭示等离子体特性随不同状态受热面材料的子线和离子线受等离子体温度影响的程度有所不变化规律,可以为技术应用于受热面材料失效同.对于原子线,谱线强度先随等离子体温度的升高趋势判断提供理沦依据,奠定实践基础.而增强,随后由于电离程度的加大而减弱;离子线则如前所述,样品的物理和化学特性会影响激光是随着等离子体温度的升高和一次电离程度的加大与样品的相互作用过程和样品蒸发烧蚀速率,这种不断增
20、强,直至二次电离开始.当等离子体温度称之为基体效应的现象在分析过程中广泛存基本一致时,两种组织的原子线强度差异较小,而珠在.许多研究者致力于校正和削弱基体效应对光体铁素体的离子线强度明显大于马氏体,是因定量分析的不利影响一卜 .然而这种由于样品特性为其烧蚀量更大,从而使等离子体中基态原子数更差异引起的光谱特性差异同样可以用于区分这些样多,导致一次电离产生的离子线强度更大.这和珠光品,在等离子体特性如谱线强度、等离子体温度和体铁素体样品具有更低熔点存在一定关系,熔点烧蚀量等和样品特性如微观结构、机械性能和热越低,在激光与样品相互作用过程中,消融样品所需力学性能等之间可能存在一定的关联性.文献 的
21、能量越少,在相同的激光能量作用下,有更多的光通过对马氏体和珠光体铁素体两种不同金相组织子能量用于激发和电离已经消融的样品颗粒?。.样品的元素谱线强度对比发现,总体来说谱线的珠光体球化是珠光体耐热钢失效的主要因素,差异更大.因为激光与金属材料相互作用时,材料内层片状的珠光体会逐步地向球状转变,当发生球化的自由电子或束缚态的电子会吸收光子能量,产生后,常温力学性能和热强度蠕变极限和持久强度的高能电子和晶格声子发生碰撞,将能量传输至晶均将下降,从而加快蠕变速度,减少使用寿命.在激格中.当品格温度超过样品材料的熔.,样品被融万方数据第期 陆继东等:新型激光光谱技术在电站运行诊断中的应用光与球化程度不同
22、的受热面材料相互作用时,形成 力越大,加快了冲击波的传播速度,使电离效率增的等离子体会存在一定的差异.图所示为原材料 大,同时由于等离子体区的膨胀增大,使等离子体内的电子密度降低一,从而导致离子线强度增幅大于、轻度球化、中等球化和严重球化样品之间的元素谱线强度对比. 原子线,所以离子线与原子线强度比值增大”.通过上述的相关研究,验证了技术分析不伽同特性的受热面金属材料的可行性.然而不同等级枷的锅炉往往采用不同系列的受热面材料,其失效特咖籁征和机理均有较大差异.需要针对不同系列的材料,渤芸深刻理解和掌握其失效机理及失效过程中材料特性四魁的变化规律,在此基础上深入研究不同特性的材料氍伽与激光相互作
23、用和形成等离子体过程的物理机制,姗分析等离子体光谱特性与材料特性之间的关联性,。从而实现基于技术的受热面材料失效趋势的快速分析.结语现代大型火电机组的快速发展对运行诊断技术籁提出了越来越高的要求,随着计算机技术的发展应兴运而生的一系列优化诊断技术发挥了重要作用,但魁是尚未从根本上解决原始分析数据来源滞后的问稿题,技术正是作为一项潜在的在线快速分析技术被应用于燃煤电厂的运行诊断中.笔者及其所在团队深人开展了技术在煤质和粉煤灰未燃碳的在线分析以及受热面材料特性的快速分析方面谱线的应用基础研究,揭示了关键测量参数和样品特性合金元素对等离子体光谱稳定测量的影响规律和机制,掌握图,及合金元素的谱线强度对
24、比了具有良好分析精确度的定量分析方法,在将 . 技术应用于电站运行诊断方面已取得了较大的进展.目前正在与电力企业合作进行实际工程应用检由图可见,种球化程度之间的谱线强度差测系统的开发,同时围绕激光等离子体形成的物理异并不十分明显.然而不同元素谱线的离子线和原机制等基础问题展开更深入的研究.子线强度比与不同球化程度引起的硬度变化之间却参考文献:存在一定的对应关系.激光作用于珠光体球化程度不同的样品时,离. ?,?子线和原子线强度随材料的硬度呈现的变化规律与 ?等离子体形成机制有关.脉冲激光聚焦作用于样品 : ,.表面后,作用点处的样品开始消融汽化进而解离,产,:?.生初始的原子、离子和自由电子等
25、粒子团.由于快速. ; , ,汽化样品的压力大于环境压力,所以在样品表面会 形成蒸气羽,在向外膨胀过程中吸收后继激光能量. ,:?.形成等离子体.当等离子体电离化程度达到极限后,. , , 等离子体膨胀速度下降并逐渐冷却.冷却过程中,处 .于激发态的自由电子开始向下能级跃迁,产生频率,:?.分立的光子,形成探测到的线性光谱.样品的硬度越 .【 . , , ?大,激光作用于其表面形成的等离子体冲击波的斥万方数据华南理工大学学报自然科学版 第卷. ,.:?. 。,:?。. ? ., , , ?, ,? ?,:一 . .,/:, , 。 姚顺春,陆继东,卢志民,等.样品形态对燃煤的激光? 烧蚀特性影
26、响分析.光学学报,:?. ? ;责任编辑:孙涛万方数据新型激光光谱技术在电站运行诊断中的应用作者: 陆继东, 姚顺春, 董美蓉, 郑建平, Lu Ji-dong, Yao Shun-chun, Dong Mei-rong, Zheng Jian-ping作者单位: 华南理工大学电力学院,广东广州,501640刊名:华南理工大学学报(自然科学版)英文刊名: Journal of South China University of TechnologyNatural Science Edition年,卷期: 2012,4010参考文献 36 条1.Barrette L;Turmel S On-li
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