淺談燃燒式熱值儀與激光式熱值儀在天鐵集團(tuán)動(dòng)力廠50兆瓦級(jí)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電站的應(yīng)用

丁 宇

（天津天鐵冶金集團(tuán)有限公司動(dòng)力廠，河北涉縣056404）

0 引言

天鐵集團(tuán)動(dòng)力廠50 MW級(jí)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電站（簡(jiǎn)稱CCPP）的主要工藝流程為：三菱M251S重型燃?xì)廨啓C(jī)利用高爐煤氣燃燒產(chǎn)生高溫高壓的煙氣推動(dòng)透平做功，帶動(dòng)燃機(jī)輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。做功后的高溫?zé)煔饨?jīng)過(guò)余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，這部分蒸汽帶動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。因此燃?xì)廨啓C(jī)就成為本電站的關(guān)鍵部件，其運(yùn)行好壞直接關(guān)系到后續(xù)工藝的穩(wěn)定情況。燃?xì)廨啓C(jī)所使用的燃料為高爐煤氣，高爐煤氣的質(zhì)量直接影響燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行狀況。

三菱M251S重型燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)進(jìn)入機(jī)組的高爐煤氣熱值范圍有嚴(yán)格的要求，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的高爐煤氣熱值范圍在2 890～3 770 kJ/Nm3，要通過(guò)熱值儀對(duì)進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的高爐煤氣進(jìn)行測(cè)量。如果煤氣熱值不在該范圍內(nèi)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)高爐煤氣加入高熱值的焦?fàn)t煤氣或零熱值的氮?dú)?，進(jìn)行熱值調(diào)整，熱值調(diào)整后，合格的高爐煤氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)才能使燃?xì)廨啓C(jī)正常工作。如果熱值超過(guò)3 770 kJ Nm3，燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)要保護(hù)機(jī)組進(jìn)行強(qiáng)制快速減負(fù)荷，超過(guò)4 100 kJ/Nm3后就要強(qiáng)制停機(jī)；如果熱值低于2 970 kJ/Nm3，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的煤氣燃燒可能會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，甚至滅火。因此，熱值儀性能的優(yōu)良對(duì)于M251S重型燃?xì)廨啓C(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行起到?jīng)Q定性的作用。

1 熱值儀簡(jiǎn)介

1.1 燃燒式熱值儀

天鐵集團(tuán)動(dòng)力廠CCPP燃?xì)廨啓C(jī)配套使用的燃燒式熱值儀是日本橫河電機(jī)生產(chǎn)的CM6G型熱值儀。CM6G型熱值儀主要組成部分為：取樣泵、煤氣過(guò)濾裝置、脫水裝置、預(yù)熱裝置、密度計(jì)、煤氣調(diào)壓閥、儀用空氣調(diào)壓閥、計(jì)算中心、燃燒室及控制面板等。

CM6G型熱值儀測(cè)量熱值的原理是將一定量的煤氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾、脫水、預(yù)熱后，與一定量的儀用空氣在燃燒室燃燒，燃燒室內(nèi)設(shè)有冷端熱電偶與熱端熱電偶，通過(guò)冷端、熱端熱電偶測(cè)量被測(cè)氣體燃燒后的溫度差值計(jì)算出被測(cè)氣體的華白數(shù)（WI）。密度計(jì)測(cè)得當(dāng)前送入燃燒室內(nèi)煤氣的密度（ρ）。送至燃燒室的煤氣與儀用空氣通過(guò)調(diào)壓閥將壓力調(diào)整至（500±10）Pa，這樣通過(guò)公式計(jì)算出熱值K，經(jīng)過(guò)計(jì)算中心的運(yùn)算與補(bǔ)償就可以得到當(dāng)前燃燒的煤氣熱值。

1.2 激光式熱值儀

天鐵集團(tuán)動(dòng)力廠CCPP煤氣入口熱值儀選用的是杭州聚光科技有限公司生產(chǎn)的LGA-4100半導(dǎo)體激光氣體分析儀。該熱值儀主要的組成部分為：發(fā)射單元、接收單元、吹掃單元、正壓?jiǎn)卧⒂?jì)算中心、控制面板等。

LGA-4100半導(dǎo)體激光氣體分析儀測(cè)量原理是激光能量可以被氣體分子選擇性地吸收，發(fā)射單元發(fā)出的能量被一氧化碳吸收的波長(zhǎng)激光，穿過(guò)高爐煤氣時(shí)被高爐煤氣中的一氧化碳吸收后衰減，接收單元接收衰減后的激光計(jì)算出衰減信息。衰減信息與一氧化碳濃度具有函數(shù)關(guān)系，因?yàn)楣艿澜孛娣e是定值，這樣就可以計(jì)算出通過(guò)當(dāng)前管道內(nèi)的高爐煤氣含有一氧化碳的濃度。由于一氧化碳的熱值是固定的，所以通過(guò)測(cè)量一氧化碳濃度即可得到通過(guò)管道的高爐煤氣熱值。

2 熱值儀應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法

2.1 燃燒式熱值儀

2.1.1 熱值儀濾芯堵塞

在熱值儀運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)熱值儀異常滅火的故障，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)進(jìn)入熱值儀燃燒室內(nèi)的煤氣壓力為300 Pa，正常進(jìn)入燃燒室的煤氣壓力應(yīng)為500 Pa。懷疑存在濾芯堵塞，經(jīng)過(guò)排查發(fā)現(xiàn)二級(jí)過(guò)濾器中存在大量的水，這些水將氣路堵塞，無(wú)法正常供應(yīng)煤氣進(jìn)入燃燒室。

CM6G型熱值儀需要將被測(cè)氣體進(jìn)行取樣、燃燒測(cè)量熱值，這樣取樣氣體的清潔度會(huì)對(duì)燃燒室及冷熱端熱電偶的使用壽命產(chǎn)生很大影響。被測(cè)氣體經(jīng)過(guò)粗過(guò)濾、水洗過(guò)濾、脫水、精過(guò)濾、預(yù)熱等多重處理才能送至燃燒室進(jìn)行燃燒。由于熱值儀取樣管在濕式電除塵器后，高爐煤氣中會(huì)含有大量水蒸汽，各級(jí)濾芯底部都會(huì)用水凝結(jié)，如果這些水積累起來(lái)將會(huì)堵塞氣路，造成熱值儀滅火。因此在熱值儀運(yùn)行時(shí)，每個(gè)濾芯底部的排污閥必須留一點(diǎn)開(kāi)度，將凝結(jié)水排出，避免凝結(jié)水將氣路堵塞。

2.1.2 取樣管線、放散管線上凍

進(jìn)入冬季后，由于氣溫降低，熱值儀出現(xiàn)燃?xì)鈮毫Φ偷膱?bào)警故障，經(jīng)過(guò)查找，發(fā)現(xiàn)取樣泵后的管路沒(méi)有壓力，判斷出取樣管線出現(xiàn)堵塞。檢查發(fā)現(xiàn)取樣管線在室外，由于氣溫較低，水汽凝結(jié)上凍后將取樣管線堵塞造成該故障。

解決方法為：將取樣管線加裝電伴熱帶后增加保溫，防止水汽凝結(jié)上凍造成堵塞。同時(shí)，將熱值儀的放散管進(jìn)行同樣處理，防止燃燒后的廢氣中的水在放散管中結(jié)冰造成排氣不暢，從而引起熱值儀故障。

2.1.3 熱值儀校準(zhǔn)

熱值儀作為熱值測(cè)量?jī)x表，與所有儀表一樣都存在著零點(diǎn)、量程的漂移問(wèn)題。CM6G型熱值儀測(cè)量范圍在2 500～5 000 kJ/Nm3，配套的密度計(jì)測(cè)量范圍1.0～1.5 kg/Nm3，當(dāng)被測(cè)氣體的熱值范圍超出熱值儀測(cè)量范圍后，熱值儀的零點(diǎn)與量程漂移非常明顯，這就要對(duì)儀表進(jìn)行校驗(yàn)，在校驗(yàn)熱值儀時(shí)可以連同密度計(jì)一同校驗(yàn)。

校驗(yàn)前必須將柜面上的校驗(yàn)按鈕（Calibration）按下后方可開(kāi)始校驗(yàn)。校驗(yàn)時(shí)先將零點(diǎn)標(biāo)氣通入取樣氣管路，觀察系統(tǒng)壓力正常后緩慢將取樣泵出口關(guān)閉，這樣可以防止熱值儀滅火。我廠使用的零點(diǎn)標(biāo)氣熱值為2 870 kJ/Nm3，密度為1.3515 kg/Nm3，通入標(biāo)準(zhǔn)氣體后，等待熱值儀、密度計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整。調(diào)整后繼續(xù)觀察數(shù)據(jù)，穩(wěn)定后可切換量程標(biāo)氣，量程氣熱值為4 820 kJ/Nm3，密度為1.2515 kg/Nm3，待讀數(shù)穩(wěn)定后進(jìn)行量程調(diào)整。零點(diǎn)、量程調(diào)整完畢后，先將取樣泵出口閥門(mén)打開(kāi)，觀察系統(tǒng)壓力穩(wěn)定后才能將標(biāo)準(zhǔn)氣體切除。需要特別注意的是，高熱值的量程標(biāo)氣密度低，低熱值的零點(diǎn)標(biāo)氣密度高，在熱值儀與密度計(jì)同時(shí)校驗(yàn)時(shí)一定要注意。密度計(jì)如果在校驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)零點(diǎn)、量程偏差較大時(shí)，要采用分多次減少差值的方法進(jìn)行校驗(yàn)，直至校準(zhǔn)。

2.2 激光熱值儀

2.2.1 激光熱值儀通過(guò)率降低

LGA-4100半導(dǎo)體激光氣體分析儀測(cè)量煤氣熱值的原理是煤氣對(duì)特定波長(zhǎng)的激光吸收后，由接收單元分析激光衰減程度來(lái)計(jì)算熱值。如果管道內(nèi)的水汽、灰塵含量增大后就會(huì)對(duì)激光的傳播進(jìn)行影響，當(dāng)管道的透光率小于10%后，激光熱值儀就會(huì)發(fā)出報(bào)警，當(dāng)透光率降至零時(shí)，激光熱值儀將不能正常工作。

在機(jī)組停運(yùn)時(shí)，由于管道內(nèi)的煤氣不流動(dòng)，水汽會(huì)在管道內(nèi)聚集，使透光率下降，這時(shí)需要將后方管道的煤氣放散閥打開(kāi)，將管道內(nèi)的煤氣放散一部分即可解決。當(dāng)高爐工況發(fā)生變化或煤氣除塵系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，進(jìn)入廠區(qū)的煤氣中會(huì)含有大量粉塵，這些粉塵會(huì)嚴(yán)重影響激光的透光率。這時(shí)熱值儀的透光率會(huì)降得很低，甚至為零，這時(shí)激光熱值儀輸出的數(shù)值將保持透光率降為零前最后一次測(cè)量的熱值，并持續(xù)輸出該測(cè)量值，操作人員不能參考激光熱值儀測(cè)量數(shù)值。這種情況需要增大正壓?jiǎn)卧倪M(jìn)氣壓力，提高吹掃強(qiáng)度，防止灰塵堵塞管路，在透光率恢復(fù)后，激光熱值儀即可投入正常使用。2.2.2 激光熱值儀清潔

當(dāng)有粉塵含量較高的煤氣通過(guò)時(shí)，因?yàn)橛写祾叩獨(dú)獾拇嬖?，通常不?huì)對(duì)激光熱值儀的光學(xué)玻璃造成污染，但長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后還是會(huì)有一些污垢殘留在光學(xué)玻璃或光路中，在透光率持續(xù)偏低的情況下就可以判斷光學(xué)玻璃或者光路污染，這時(shí)就需要對(duì)熱值儀進(jìn)行清潔保養(yǎng)。

在清潔光學(xué)玻璃前要依次關(guān)閉電源、探頭前球閥、吹掃氮?dú)忾y，然后松開(kāi)鎖箍后即可拆下發(fā)射單元、接收單元、光學(xué)玻璃。光學(xué)玻璃清理完成后，按照順序組裝回去，依次打開(kāi)吹掃氮?dú)忾y、探頭前球閥及儀表電源。

光路清理時(shí)，可以使用LGA-4100半導(dǎo)體激光氣體分析儀配備的專(zhuān)用除污工具。按照清理光學(xué)玻璃的順序拆下發(fā)射單元與接收單元后，將專(zhuān)用除污工具連接到光路上，這時(shí)要注意檢查專(zhuān)用工具與光路連接的氣密性，否則高爐煤氣會(huì)泄漏造成人身傷害。連接好清污工具后，將吹掃氮?dú)忾y打開(kāi)，打開(kāi)探頭前球閥后將清污工具伸入光路中，反復(fù)清理幾次后拉出清理工具。關(guān)閉探頭前球閥、吹掃氮?dú)忾y后將清污工具拆除。按照順序組裝儀表后恢復(fù)熱值儀。

3 兩種形式熱值儀的特點(diǎn)

廠區(qū)內(nèi)使用的兩種形式的熱值儀安裝位置如圖1所示。

3.1 測(cè)量速度

3.1.1 燃燒式熱值儀

CM6G型熱值儀為燃?xì)廨啓C(jī)成套供貨，安裝位置在煤氣壓縮機(jī)入口管道前與靜電除塵器后，經(jīng)過(guò)取樣管線將高爐煤氣引至分析柜內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。熱值儀將測(cè)得的熱值轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號(hào)送至燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前熱值控制減熱值控制閥或增熱值控制閥的開(kāi)度來(lái)調(diào)整高爐煤氣的熱值。燃燒式熱值儀如圖1所示，安裝在煤氣壓縮機(jī)入口，距離燃?xì)廨啓C(jī)組非常近。高爐煤氣經(jīng)過(guò)熱值儀取樣管線、過(guò)濾、預(yù)熱等環(huán)節(jié)后進(jìn)入到分析柜燃燒，歷經(jīng)大約為2 min。因此進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)燃燒的煤氣熱值在2 min后才會(huì)顯示在操作員面前正是因?yàn)闊嶂禍y(cè)量存在滯后，使熱值調(diào)整滯后，當(dāng)煤氣熱值波動(dòng)較大時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的熱值自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能及時(shí)對(duì)高爐煤氣進(jìn)行熱值調(diào)整。如果熱值過(guò)高，操作人員還有時(shí)間退出熱值自動(dòng)調(diào)整，通過(guò)人工減熱值。如果進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的高爐煤氣熱值過(guò)低，則會(huì)造成燃?xì)廨啓C(jī)熄火，這時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)就會(huì)立刻保護(hù)跳機(jī)。

3.1.2 激光熱值儀

激光熱值儀如圖1所示，安裝在廠區(qū)高爐煤氣入口閥門(mén)后，距離煤氣混合器有近100 m，且激光熱值儀的發(fā)射單元、接收單元均安裝在高爐煤氣管道上，測(cè)量沒(méi)有延遲，測(cè)得的數(shù)據(jù)很快就能在操作員電腦中顯示出來(lái)，入口高爐煤氣熱值一旦出現(xiàn)波動(dòng)，操作員馬上就能發(fā)現(xiàn)，可以立刻通過(guò)手動(dòng)控制增熱值控制閥或減熱值控制閥，對(duì)高爐煤氣熱值進(jìn)行調(diào)整，提前將煤氣熱值控制在合格范圍內(nèi)，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 熱值儀安裝位置示意圖

3.2 測(cè)量精度

3.2.1 燃燒式熱值儀

CM6G型熱值儀采用的是燃燒形式測(cè)量煤氣熱值，高爐煤氣中主要含量為一氧化碳，此外高爐煤氣中還含有氫氣、烴類(lèi)等可燃燒物質(zhì)。這些可燃燒的氣體在熱值儀燃燒室內(nèi)都可以燃燒釋放能量，無(wú)論高爐工況如何變化，只要是可燃物質(zhì)，都可以通過(guò)燃燒來(lái)測(cè)量取樣氣的熱值。燃燒式熱值儀測(cè)得的熱值最接近真實(shí)結(jié)果。3.2.2 激光式熱值儀

廠區(qū)內(nèi)的LGA-4100半導(dǎo)體激光氣體分析儀在選型時(shí)只選擇了單一的一氧化碳接收單元，這樣該熱值儀只能通過(guò)測(cè)量當(dāng)前煤氣中一氧化碳含量來(lái)測(cè)量熱值，高爐煤氣中其他可燃物質(zhì)的熱值只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算后進(jìn)行補(bǔ)償。但當(dāng)高爐爐況發(fā)生變化時(shí)，其他可燃物質(zhì)含量發(fā)生變化，估算值就會(huì)產(chǎn)生偏差，這時(shí)就不能準(zhǔn)確測(cè)得當(dāng)前煤氣準(zhǔn)確熱值。如果想測(cè)得煤氣的準(zhǔn)確熱值，就需要增加多種接收單元類(lèi)型，通過(guò)測(cè)量每種可燃?xì)怏w的濃度來(lái)測(cè)得煤氣的準(zhǔn)確熱值，這樣將會(huì)大幅增加儀表的造價(jià)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的兩種形式的熱值儀各自特點(diǎn)給對(duì)燃?xì)鉄嶂狄筝^高的機(jī)組提供參考，可根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)要求選擇不同類(lèi)型的熱值儀對(duì)氣體燃料進(jìn)行測(cè)量。CM6G型熱值儀與LGA-4100半導(dǎo)體激光氣體分析儀的配合使用彌補(bǔ)了各自形式的局限性，既保證了熱值測(cè)量的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，又提高了熱值測(cè)量的快速性。在動(dòng)力廠CCPP投運(yùn)之初，沒(méi)有使用激光式熱值儀，操作人員對(duì)煤氣熱值的波動(dòng)束手無(wú)策，只能憑借經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)整煤氣熱值。但由于設(shè)備運(yùn)行的工況不同，煤氣變化的情況也不相同，這給操作人員帶來(lái)很大困擾。通過(guò)引進(jìn)激光熱值儀，運(yùn)行人員能夠更加及時(shí)地發(fā)現(xiàn)煤氣熱值的變化情況，提早根據(jù)當(dāng)前熱值對(duì)煤氣熱值進(jìn)行調(diào)整，大幅提高了機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行率，降低了燃?xì)廨啓C(jī)跳機(jī)的發(fā)生率進(jìn)而減少了高爐煤氣的放散量，提高了能源利用率。同時(shí)，該機(jī)組減少了燃?xì)廨啓C(jī)因非正常停機(jī)帶來(lái)的設(shè)備磨損，提高了機(jī)組運(yùn)行壽命，降低了維護(hù)成本。