淺談燃燒式熱值儀與激光式熱值儀在天鐵集團動力廠50兆瓦級燃氣蒸汽聯合循環發電站的應用

丁 宇

（天津天鐵冶金集團有限公司動力廠，河北涉縣056404）

0 引言

天鐵集團動力廠50 MW級燃氣蒸汽聯合循環發電站（簡稱CCPP）的主要工藝流程為：三菱M251S重型燃氣輪機利用高爐煤氣燃燒產生高溫高壓的煙氣推動透平做功，帶動燃機輪發電機發電。做功后的高溫煙氣經過余熱鍋爐產生蒸汽，這部分蒸汽帶動汽輪發電機發電。因此燃氣輪機就成為本電站的關鍵部件，其運行好壞直接關系到后續工藝的穩定情況。燃氣輪機所使用的燃料為高爐煤氣，高爐煤氣的質量直接影響燃氣輪機的運行狀況。

三菱M251S重型燃氣輪機對進入機組的高爐煤氣熱值范圍有嚴格的要求，進入燃氣輪機的高爐煤氣熱值范圍在2 890～3 770 kJ/Nm3，要通過熱值儀對進入燃氣輪機的高爐煤氣進行測量。如果煤氣熱值不在該范圍內，控制系統會自動對高爐煤氣加入高熱值的焦爐煤氣或零熱值的氮氣，進行熱值調整，熱值調整后，合格的高爐煤氣進入燃氣輪機才能使燃氣輪機正常工作。如果熱值超過3 770 kJ Nm3，燃氣輪機控制系統要保護機組進行強制快速減負荷，超過4 100 kJ/Nm3后就要強制停機；如果熱值低于2 970 kJ/Nm3，進入燃氣輪機的煤氣燃燒可能會出現不穩定的情況，甚至滅火。因此，熱值儀性能的優良對于M251S重型燃氣輪機的穩定運行起到決定性的作用。

1 熱值儀簡介

1.1 燃燒式熱值儀

天鐵集團動力廠CCPP燃氣輪機配套使用的燃燒式熱值儀是日本橫河電機生產的CM6G型熱值儀。CM6G型熱值儀主要組成部分為：取樣泵、煤氣過濾裝置、脫水裝置、預熱裝置、密度計、煤氣調壓閥、儀用空氣調壓閥、計算中心、燃燒室及控制面板等。

CM6G型熱值儀測量熱值的原理是將一定量的煤氣經過過濾、脫水、預熱后，與一定量的儀用空氣在燃燒室燃燒，燃燒室內設有冷端熱電偶與熱端熱電偶，通過冷端、熱端熱電偶測量被測氣體燃燒后的溫度差值計算出被測氣體的華白數（WI）。密度計測得當前送入燃燒室內煤氣的密度（ρ）。送至燃燒室的煤氣與儀用空氣通過調壓閥將壓力調整至（500±10）Pa，這樣通過公式計算出熱值K，經過計算中心的運算與補償就可以得到當前燃燒的煤氣熱值。

1.2 激光式熱值儀

天鐵集團動力廠CCPP煤氣入口熱值儀選用的是杭州聚光科技有限公司生產的LGA-4100半導體激光氣體分析儀。該熱值儀主要的組成部分為：發射單元、接收單元、吹掃單元、正壓單元、計算中心、控制面板等。

LGA-4100半導體激光氣體分析儀測量原理是激光能量可以被氣體分子選擇性地吸收，發射單元發出的能量被一氧化碳吸收的波長激光，穿過高爐煤氣時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算出衰減信息。衰減信息與一氧化碳濃度具有函數關系，因為管道截面積是定值，這樣就可以計算出通過當前管道內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，所以通過測量一氧化碳濃度即可得到通過管道的高爐煤氣熱值。

2 熱值儀應用中出現的問題及解決方法

2.1 燃燒式熱值儀

2.1.1 熱值儀濾芯堵塞

在熱值儀運行過程中出現過熱值儀異常滅火的故障，經過現場檢查，發現進入熱值儀燃燒室內的煤氣壓力為300 Pa，正常進入燃燒室的煤氣壓力應為500 Pa。懷疑存在濾芯堵塞，經過排查發現二級過濾器中存在大量的水，這些水將氣路堵塞，無法正常供應煤氣進入燃燒室。

CM6G型熱值儀需要將被測氣體進行取樣、燃燒測量熱值，這樣取樣氣體的清潔度會對燃燒室及冷熱端熱電偶的使用壽命產生很大影響。被測氣體經過粗過濾、水洗過濾、脫水、精過濾、預熱等多重處理才能送至燃燒室進行燃燒。由于熱值儀取樣管在濕式電除塵器后，高爐煤氣中會含有大量水蒸汽，各級濾芯底部都會用水凝結，如果這些水積累起來將會堵塞氣路，造成熱值儀滅火。因此在熱值儀運行時，每個濾芯底部的排污閥必須留一點開度，將凝結水排出，避免凝結水將氣路堵塞。

2.1.2 取樣管線、放散管線上凍

進入冬季后，由于氣溫降低，熱值儀出現燃氣壓力低的報警故障，經過查找，發現取樣泵后的管路沒有壓力，判斷出取樣管線出現堵塞。檢查發現取樣管線在室外，由于氣溫較低，水汽凝結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，防止水汽凝結上凍造成堵塞。同時，將熱值儀的放散管進行同樣處理，防止燃燒后的廢氣中的水在放散管中結冰造成排氣不暢，從而引起熱值儀故障。

2.1.3 熱值儀校準

熱值儀作為熱值測量儀表，與所有儀表一樣都存在著零點、量程的漂移問題。CM6G型熱值儀測量范圍在2 500～5 000 kJ/Nm3，配套的密度計測量范圍1.0～1.5 kg/Nm3，當被測氣體的熱值范圍超出熱值儀測量范圍后，熱值儀的零點與量程漂移非常明顯，這就要對儀表進行校驗，在校驗熱值儀時可以連同密度計一同校驗。

校驗前必須將柜面上的校驗按鈕（Calibration）按下后方可開始校驗。校驗時先將零點標氣通入取樣氣管路，觀察系統壓力正常后緩慢將取樣泵出口關閉，這樣可以防止熱值儀滅火。我廠使用的零點標氣熱值為2 870 kJ/Nm3，密度為1.3515 kg/Nm3，通入標準氣體后，等待熱值儀、密度計讀數穩定后進行零點調整。調整后繼續觀察數據，穩定后可切換量程標氣，量程氣熱值為4 820 kJ/Nm3，密度為1.2515 kg/Nm3，待讀數穩定后進行量程調整。零點、量程調整完畢后，先將取樣泵出口閥門打開，觀察系統壓力穩定后才能將標準氣體切除。需要特別注意的是，高熱值的量程標氣密度低，低熱值的零點標氣密度高，在熱值儀與密度計同時校驗時一定要注意。密度計如果在校驗中發現零點、量程偏差較大時，要采用分多次減少差值的方法進行校驗，直至校準。

2.2 激光熱值儀

2.2.1 激光熱值儀通過率降低

LGA-4100半導體激光氣體分析儀測量煤氣熱值的原理是煤氣對特定波長的激光吸收后，由接收單元分析激光衰減程度來計算熱值。如果管道內的水汽、灰塵含量增大后就會對激光的傳播進行影響，當管道的透光率小于10%后，激光熱值儀就會發出報警，當透光率降至零時，激光熱值儀將不能正常工作。

在機組停運時，由于管道內的煤氣不流動，水汽會在管道內聚集，使透光率下降，這時需要將后方管道的煤氣放散閥打開，將管道內的煤氣放散一部分即可解決。當高爐工況發生變化或煤氣除塵系統出現故障時，進入廠區的煤氣中會含有大量粉塵，這些粉塵會嚴重影響激光的透光率。這時熱值儀的透光率會降得很低，甚至為零，這時激光熱值儀輸出的數值將保持透光率降為零前最后一次測量的熱值，并持續輸出該測量值，操作人員不能參考激光熱值儀測量數值。這種情況需要增大正壓單元的進氣壓力，提高吹掃強度，防止灰塵堵塞管路，在透光率恢復后，激光熱值儀即可投入正常使用。2.2.2 激光熱值儀清潔

當有粉塵含量較高的煤氣通過時，因為有吹掃氮氣的存在，通常不會對激光熱值儀的光學玻璃造成污染，但長時間運行后還是會有一些污垢殘留在光學玻璃或光路中，在透光率持續偏低的情況下就可以判斷光學玻璃或者光路污染，這時就需要對熱值儀進行清潔保養。

在清潔光學玻璃前要依次關閉電源、探頭前球閥、吹掃氮氣閥，然后松開鎖箍后即可拆下發射單元、接收單元、光學玻璃。光學玻璃清理完成后，按照順序組裝回去，依次打開吹掃氮氣閥、探頭前球閥及儀表電源。

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

3 兩種形式熱值儀的特點

廠區內使用的兩種形式的熱值儀安裝位置如圖1所示。

3.1 測量速度

3.1.1 燃燒式熱值儀

CM6G型熱值儀為燃氣輪機成套供貨，安裝位置在煤氣壓縮機入口管道前與靜電除塵器后，經過取樣管線將高爐煤氣引至分析柜內進行測量。熱值儀將測得的熱值轉換為4～20 mA電流信號送至燃氣輪機控制系統，控制系統根據當前熱值控制減熱值控制閥或增熱值控制閥的開度來調整高爐煤氣的熱值。燃燒式熱值儀如圖1所示，安裝在煤氣壓縮機入口，距離燃氣輪機組非常近。高爐煤氣經過熱值儀取樣管線、過濾、預熱等環節后進入到分析柜燃燒，歷經大約為2 min。因此進入燃氣輪機內燃燒的煤氣熱值在2 min后才會顯示在操作員面前正是因為熱值測量存在滯后，使熱值調整滯后，當煤氣熱值波動較大時，燃氣輪機的熱值自動調節系統不能及時對高爐煤氣進行熱值調整。如果熱值過高，操作人員還有時間退出熱值自動調整，通過人工減熱值。如果進入燃氣輪機的高爐煤氣熱值過低，則會造成燃氣輪機熄火，這時燃氣輪機就會立刻保護跳機。

3.1.2 激光熱值儀

激光熱值儀如圖1所示，安裝在廠區高爐煤氣入口閥門后，距離煤氣混合器有近100 m，且激光熱值儀的發射單元、接收單元均安裝在高爐煤氣管道上，測量沒有延遲，測得的數據很快就能在操作員電腦中顯示出來，入口高爐煤氣熱值一旦出現波動，操作員馬上就能發現，可以立刻通過手動控制增熱值控制閥或減熱值控制閥，對高爐煤氣熱值進行調整，提前將煤氣熱值控制在合格范圍內，保證機組的安全穩定運行。

圖1 熱值儀安裝位置示意圖

3.2 測量精度

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、烴類等可燃燒物質。這些可燃燒的氣體在熱值儀燃燒室內都可以燃燒釋放能量，無論高爐工況如何變化，只要是可燃物質，都可以通過燃燒來測量取樣氣的熱值。燃燒式熱值儀測得的熱值最接近真實結果。3.2.2 激光式熱值儀

廠區內的LGA-4100半導體激光氣體分析儀在選型時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測量當前煤氣中一氧化碳含量來測量熱值，高爐煤氣中其他可燃物質的熱值只能根據經驗估算后進行補償。但當高爐爐況發生變化時，其他可燃物質含量發生變化，估算值就會產生偏差，這時就不能準確測得當前煤氣準確熱值。如果想測得煤氣的準確熱值，就需要增加多種接收單元類型，通過測量每種可燃氣體的濃度來測得煤氣的準確熱值，這樣將會大幅增加儀表的造價。

4 結束語

本文介紹的兩種形式的熱值儀各自特點給對燃氣熱值要求較高的機組提供參考，可根據實際的生產要求選擇不同類型的熱值儀對氣體燃料進行測量。CM6G型熱值儀與LGA-4100半導體激光氣體分析儀的配合使用彌補了各自形式的局限性，既保證了熱值測量的準確性與穩定性，又提高了熱值測量的快速性。在動力廠CCPP投運之初，沒有使用激光式熱值儀，操作人員對煤氣熱值的波動束手無策，只能憑借經驗來調整煤氣熱值。但由于設備運行的工況不同，煤氣變化的情況也不相同，這給操作人員帶來很大困擾。通過引進激光熱值儀，運行人員能夠更加及時地發現煤氣熱值的變化情況，提早根據當前熱值對煤氣熱值進行調整，大幅提高了機組穩定運行率，降低了燃氣輪機跳機的發生率進而減少了高爐煤氣的放散量，提高了能源利用率。同時，該機組減少了燃氣輪機因非正常停機帶來的設備磨損，提高了機組運行壽命，降低了維護成本。