火電廠排放煙氣含濕量軟測(cè)量方法研究

陳詠城

(廣東紅海灣發(fā)電有限公司，廣東　汕尾　516623)

火電廠排放煙氣含濕量軟測(cè)量方法研究

陳詠城

(廣東紅海灣發(fā)電有限公司，廣東汕尾516623)

根據(jù)熱力學(xué)基本原理，分析石灰石石膏濕法煙氣脫硫各階段煙氣含濕量的變化過(guò)程，提出了一種煙氣含濕量軟測(cè)量的方法。實(shí)踐表明:該方法比較傳統(tǒng)的干濕氧量法、電容法，具有測(cè)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，可為目前使用的測(cè)量方法提供比對(duì)參考。

火電廠;煙氣含濕量;軟測(cè)量

火電廠排放煙氣含濕量常用的測(cè)量方法有干濕氧量法、電容法等［1］，其存在測(cè)量精度不高、儀表啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)量滯后較大等問(wèn)題，直接影響排放煙氣中污染物濃度的折算。隨著環(huán)保要求的提高，對(duì)環(huán)保相關(guān)測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確性和可靠性提出了更高的要求。對(duì)發(fā)電企業(yè)而言，提供準(zhǔn)確、可靠的煙氣含濕量測(cè)量數(shù)據(jù)是通過(guò)排放總量核查的關(guān)鍵。

近年來(lái)，軟測(cè)量技術(shù)在火電廠中已有廣泛的應(yīng)用，如煙氣含氧量、飛灰含碳量、煤粉濃度等，通過(guò)軟測(cè)量技術(shù)，不僅可以解決工程上某些變量難以準(zhǔn)確檢測(cè)的問(wèn)題，而且可以為用硬件方法能檢測(cè)到的變量提供校正參考。

筆者針對(duì)石灰石石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)，建立排放煙氣含濕量軟測(cè)量模型，并進(jìn)行邏輯實(shí)現(xiàn)，取得良好的應(yīng)用效果。

1　測(cè)量中存在的問(wèn)題

1.1干濕氧量法

干濕氧量法是指由2個(gè)氧量傳感器分別測(cè)定濕態(tài)煙氣和干態(tài)煙氣含氧量，按式(1)計(jì)算煙氣中含濕量，其中濕態(tài)含氧量通常采用插入式氧化鋯探頭在煙道中直接測(cè)量，干態(tài)含氧量通常采用抽取法將煙氣抽取后冷凝除濕，用氧電池進(jìn)行測(cè)量。

式中:φSW為濕煙氣中水的體積分?jǐn)?shù)(含濕量)，%;φ'O2為濕煙氣中氧的體積分?jǐn)?shù)，%;φO2為干煙氣中氧的體積分?jǐn)?shù)，%。

這種測(cè)量方法存在的問(wèn)題有:

(1)氧量測(cè)量的零點(diǎn)漂移和量程漂移均為24 h內(nèi)不超過(guò)滿量程的±2.5%，2臺(tái)測(cè)氧儀在實(shí)際測(cè)量中一臺(tái)測(cè)氧儀可能出現(xiàn)正漂移，另一臺(tái)出現(xiàn)負(fù)漂移，漂移不一致將導(dǎo)致誤差疊加。

(2)2臺(tái)測(cè)氧儀測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間不一致，其中插入式氧化鋯為實(shí)時(shí)測(cè)量，抽取式氧電池測(cè)量由于需要經(jīng)過(guò)取樣探頭、取樣管等再進(jìn)行冷凝除濕，測(cè)量會(huì)滯后約160 s(以取樣管長(zhǎng)度為70 m為例)，這將導(dǎo)致在機(jī)組變負(fù)荷階段，氧量波動(dòng)較大時(shí)所計(jì)算的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，測(cè)量準(zhǔn)確性降低。

1.2電容法

電容法是利用水分的變化和電容值變化之間的關(guān)系直接測(cè)量含濕量，一般串聯(lián)安裝在煙氣取樣管進(jìn)入冷凝器前，其存在的問(wèn)題有:

測(cè)量系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差。由于采用抽取法的煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需定期進(jìn)行探頭反吹掃、標(biāo)氣全行程校驗(yàn)等，導(dǎo)致干空氣或標(biāo)氣進(jìn)入取樣管線，引起含濕量測(cè)量變小，當(dāng)切換到正常測(cè)量模式后含濕量測(cè)量系統(tǒng)需經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才能恢復(fù)到正常測(cè)量狀態(tài)。在反吹掃和全行程校驗(yàn)過(guò)程中將導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)。目前設(shè)備集成商一般采用在邏輯上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保持的方法實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量。

2　軟測(cè)量模型的建立

2.1熱力過(guò)程分析

軟測(cè)量技術(shù)的基本思想是對(duì)于那些難以測(cè)量或者暫時(shí)不能測(cè)量的重要變量(稱為主導(dǎo)變量)，選擇一組與主導(dǎo)變量相關(guān)的可測(cè)變量(稱為輔助變量或二次變量)，通過(guò)構(gòu)造某種數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)推斷和估計(jì)主導(dǎo)變量，用軟件來(lái)代替硬件(傳感器)功能［2］。

石灰石石膏濕法煙氣脫硫工藝流程圖見(jiàn)圖1。

煙氣通過(guò)GGH(煙氣換熱器)原煙氣側(cè)(A—B)的過(guò)程中，煙氣溫度降低，氣體體積變小(壓力相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的變化較小，忽略壓力變化的影響);但由于影響氣體體積的主要因素為分子的距離和分子數(shù)目，且氣體分子的距離是可以變化的，即可以壓縮也可以膨脹。所以在此過(guò)程中煙氣各成分的氣體體積比可近似認(rèn)為是不變的，即煙氣含濕量在這個(gè)過(guò)程中保持不變。同理，煙氣含濕量在煙氣通過(guò)GGH凈煙氣側(cè)(C—D)的過(guò)程中也可近似認(rèn)為保持不變。在煙氣通過(guò)吸收塔(B—C)的過(guò)程中，其熱力過(guò)程按絕熱增濕簡(jiǎn)化模型考慮，整個(gè)煙氣處理過(guò)程中保持煙氣焓值不變，煙氣中的含濕量不斷增加，直至濕煙氣為飽和狀態(tài)［3］，水分蒸發(fā)所吸收的熱能來(lái)自煙氣本身，煙氣溫度降低。

2.2計(jì)算公式的建立

通過(guò)熱力過(guò)程的分析可知，只要求取脫硫吸收塔出口煙氣的含濕量并加以修正，可求得排放煙氣的含濕量。而吸收塔出口煙氣飽和含濕量近似計(jì)算公式如下［4］:

式中:φSW為濕煙氣中水的體積分?jǐn)?shù)(含濕量)，%;pbv為煙氣溫度tb下對(duì)應(yīng)的飽和水蒸氣壓力，kPa;pa為大氣壓力，kPa;ps為測(cè)點(diǎn)處?kù)o壓力，kPa。

根據(jù)tb值，由飽和水蒸氣壓力表中可查得pbv，pa取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325 kPa，ps由排放煙氣壓力和GGH凈煙氣側(cè)壓差計(jì)算得出。對(duì)煙氣溫度對(duì)應(yīng)的飽和水蒸氣壓力［5］簡(jiǎn)化表達(dá)見(jiàn)表1，作為邏輯計(jì)算的折線函數(shù)。

表1　煙氣溫度-飽和水蒸氣壓力

2.3軟測(cè)量的邏輯實(shí)現(xiàn)

綜合上述分析，選取排放煙氣含濕量作為主導(dǎo)變量，吸收塔出口溫度、排放煙氣壓力、GGH凈煙氣側(cè)壓差作為輔助變量，煙氣含濕量軟測(cè)量計(jì)算邏輯圖見(jiàn)圖2。

邏輯圖中增加了偏差修正值，主要是因?yàn)镚GH存在漏風(fēng)，導(dǎo)致部分含濕量較小的煙氣漏至凈煙氣側(cè)，且在煙氣經(jīng)過(guò)吸收塔出口煙道至煙囪煙道過(guò)程中存在部分水分凝結(jié)至煙道疏水系統(tǒng)。該修正值由多次干濕球法測(cè)量值與軟測(cè)量法測(cè)量值之差求平均值得到。

3　應(yīng)用效果

某火電廠2臺(tái)600 MW機(jī)組均采用石灰石石膏濕法煙氣脫硫工藝，無(wú)脫硫旁路系統(tǒng)。2014年10月、2015年1月分別利用環(huán)保局進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)的機(jī)會(huì)，對(duì)實(shí)測(cè)含濕量與濕度儀測(cè)量值、軟測(cè)量計(jì)算值進(jìn)行比對(duì)，其中實(shí)測(cè)含濕量采用干濕球法，濕度儀采用電容法，以實(shí)測(cè)濃度為近似測(cè)量真值。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2［1］。

表2　不同測(cè)量方法測(cè)得含濕量的比對(duì)分析

由于干濕球法的測(cè)量機(jī)理決定了其不適合于連續(xù)測(cè)量煙氣的含濕量，所以通過(guò)DCS歷史曲線觀察電容法、軟測(cè)量法在連續(xù)測(cè)量上的趨勢(shì)準(zhǔn)確性，見(jiàn)圖3。

由圖3可見(jiàn):兩種測(cè)量方法歷史曲線趨勢(shì)基本一致，電容法測(cè)量值每隔6 h會(huì)向下突變，這是由于取樣系統(tǒng)定期進(jìn)行壓縮空氣反吹掃引起。

4　結(jié)語(yǔ)

目前，火電廠煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用干濕氧量法、電容法測(cè)定排放煙氣中的含濕量，在國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)中也有相應(yīng)的主要技術(shù)指標(biāo)可供參考，方便環(huán)保數(shù)據(jù)比對(duì)等相關(guān)工作;但數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性一直沒(méi)有一種可連續(xù)在線比對(duì)的方法供參考。通過(guò)使用排放煙氣軟測(cè)量技術(shù)，可為現(xiàn)有的濕度儀測(cè)量提供比對(duì)參考。

［1］中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部.HJ/T 76—2007固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法(試行)［S］.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2007.

［2］韓璞，王東風(fēng)，翟永杰.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的火電廠煙氣含氧量軟測(cè)量［J］.信息與控制，2001(2):189-192.

［3］朱文斌，王定.石灰石石膏濕法煙氣脫硫吸收塔出口煙氣溫度及蒸發(fā)水量的計(jì)算分析與修正［J］.鍋爐技術(shù)，2007，38 (4):68-71.

［4］國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.空氣和廢氣監(jiān)測(cè)分析方法［M］.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2003.

［5］嚴(yán)家騄，余曉福，王永青.水和水蒸氣熱力性質(zhì)圖表［M］.北京:高等教育出版社，2004.

Soft Sensing of Flue Gas Moisture Content in Thermal Power Plant

Chen Yongcheng
(Guangdong Redbay Power Generation Co.，Ltd.，Shanwei 516623，Guangdong Province，China)

A method for soft sensing of flue gas moisture content was proposed according to basic thermodynamic principles，so as to study the variation law of flue gas moisture in different desulfurization stages using limestone-gypsum wet process.Practices indicate that the method has the advantages of accurate measurement and good stability in comparison with traditional dry and wet oxygen method and capacitance method，which therefore may serve as a reference for comparison with currently used methods.

thermal power plant;flue gas moisture content;soft sensing

X701

A

1671-086X(2016)01-0061-03

2015-08-20

陳詠城(1983—)，男，工程師，主要從事火電廠熱工自動(dòng)化設(shè)備系統(tǒng)的檢修、維護(hù)工作。

E-mail:ydsw_cyc@163.com