燃氣熱值在線分析系統的研制及工程應用

汪智琦1 唐德東1 孫小媛 李清玲 楊永龍

(1.重慶科技學院電氣工程學院，重慶 401331； 2. 重慶重科大分析儀器有限公司，重慶 401331)

1 工業廢氣余熱發電綜合利用示范項目概況

燃氣利用除了計量其體積之外，更重要的還是計量其熱值。工業廢氣的熱值很不穩定，所以，燃氣熱值在線分析就成為工程用戶面對新挑戰時緊迫的現實需要。

重慶中節能三峰能源有限公司在重鋼長壽新廠區建設了“燃氣-蒸汽聯合循環發電與干熄焦余熱發電項目(CCPP-CDQ)”，是鋼鐵行業第一個廢氣余熱綜合利用零排放示范項目，總投資21.7億元，總裝機353.5MW，將重鋼的高爐煤氣(COG)和焦爐的干熄焦蒸汽回收利用，使用低品質、不穩定的工業廢氣發電，全部用于重鋼的生產，實現了資源的可再生利用，降低污染，節能環保意義重大。為實現燃氣汽輪機發電過程的優化控制，需要在線監控混合煤氣的熱值，以達到安全平穩生產和節能降耗減排的目的。該示范項目采用從日本橫河公司進口的4套燃燒型熱值在線分析系統，分別用于4臺燃氣輪機，實現對混合煤氣熱值的在線測量，從2011投運至今，運行比較平穩。

該項目煤氣輸送管道直徑1.8米，壁厚0.8厘米，流量120000m3/h，壓力低，約6～11kPa，一般為10kPa，溫度30℃左右，管道內煤氣的水分含量仍然較高，和前面工藝的脫水塔的脫水效率有關。

示范項目主要用熱值較低的高爐煤氣，當煤氣熱值過低時，需要通過補償加入熱值較高的焦爐煤氣，以維持平穩發電，所謂的熱值在線檢測就是檢測混合煤氣的熱值。由于測量對象是工業廢氣，組份很復雜、不穩定，樣氣污染物除粉塵外，還有極難處理的焦油，及萘、苯、硫化物等，嚴重缺乏均一性。故燃氣熱值在線分析有很嚴苛的樣氣處理要求，這無疑會增加設備的制造及維護成本。

2 傳統燃燒型熱值在線分析系統的技術分析

2.1 燃燒型熱值儀介紹

目前廢氣熱值測量方法大多為燃燒法，燃燒法技術的本質是間接測量法，處理干凈的一路樣氣由密度計檢測密度，另一路經過定量與空氣在燃燒室充分燃燒(大比例空燃比：空氣∶燃氣=200∶1)，鉑電阻測量出燃氣燃燒前后的溫差，再換算成熱值。還要用節流孔板檢測樣氣和空氣的流速，將孔板測出的差壓信號轉化為電信號，通過計算來補償流速的影響偏差，以保證熱值檢測的準確度。某公司燃燒型熱值儀機柜見圖1。

圖1 燃燒型熱值儀機柜圖

燃燒型熱值儀的樣氣處理系統相對復雜，必然造成維護困難、維護量大、維護成本高。機柜外有大尺寸的鼓泡穩壓器，單就除塵功能而論，就有三級(40μm、10μm、5μm)，第一級是兩個1L容積的并聯過濾器交替運行。該樣氣處理系統為濕法樣氣處理技術，水洗滌器要使用自來水，二氧化碳因弱溶于水會有所流失，洗滌水中又有溶解氧釋放，這兩種影響因素，對熱值在線分析會形成影響偏差，可能降低熱值檢測的準確度。所以儀器的校準必須采用外標法予以彌補。表1是常用熱值在線分析技術對比表。

表1 常用熱值在線分析系統技術對比表

續表1

2.2 燃燒型熱值儀的技術小結

(1)燃燒型熱值儀的結構相對復雜：大容積的多種樣氣處理部件，使反應速度慢，維護量大；該產品為非防爆型，取樣距離遠，儀表間要有強通風和報警安全措施。

(2)濕法樣氣處理系統的故障率高，維護困難，廣義的干擾誤差大。

(3)產品運行要消耗大流量的輔助流體、樣氣和標氣：儀表空氣3000L/h，樣氣600L/h，標準氣6瓶/年，以及自來水、高溫蒸汽等。

(4)只有熱值輸出信號，沒有每個可燃組分含量的信息。

3 TFS熱值在線分析系統的研制

在線分析系統有三大技術基礎：在線分析儀、樣氣處理系統和軟件技術[1]。新型燃氣熱值儀應達到以下兩點要求：

(1)熱值分析儀要求高穩定性，除熱值外還應有樣氣目標組分分析，儀器為防爆型；

(2)樣氣處理系統要求可靠性高、制造成本低，工程應用少維護；

3.1 可調濾波光譜儀(TFS)的基本原理

TFS由紅外測量氣室、分光光譜儀(即紅外光源)、單一原理的光譜檢測器和高端智能化電子線路等組成。分光光譜儀采用法布里-珀羅組件提供特定目標頻譜區域高光學展度的高通量、高精度掃描(即掃頻)，軟件技術的光譜處理法和化學計量學運算法則，得出高準確度和穩定的成分分析結果，降低了多種成分之間因光譜的高度重疊所造成的交叉干擾，同時還有效補償了由于壓力、流速、溫度變化所引起的光譜非線性變化，很好實現了抗廣義干擾。

根據儀器的基本原理，設計如圖2所示的檢測裝置。

圖2 TFS結構示意圖

該儀器由光源、分光鏡、旋轉濾鏡片、待檢測氣室和光強檢測器5部分組成，當光源產生的光通過分光鏡后，此時的旋轉濾鏡片會圍繞A點旋轉，旋轉的角度不同從而導致分光鏡出來的光的入射角度發生變化，最終影響出射光的波長，達到波長可調制的目的。根據比爾朗伯定律，右端的光強檢測器會檢測出經過待檢測氣體吸收后的光強如公式(1)。

Iv=I0exp[-a(v)cL]

(1)

其中：

I0為初始光照強度；

Iv為被檢測氣體吸收過后的光照強度；

a(v)為吸收系數；

c為樣氣濃度；

L為檢測氣室的長度。

依據公式(1)，可計算出被檢測出目標氣體組分的濃度C，再根據組分濃度計算出燃氣熱值。使用該種方法可以使TFS的頻譜覆蓋范圍變寬，包括紫外UV、近紅外IR等，能夠實現多組分高準確度在線分析。檢測波段分布見圖3。

圖3 TFS檢測波段

3.2 TFS的主要技術優勢[2，3]

(1)II區防爆證書，防護級別IP66，可用于防爆現場。

(2)抗狹義干擾和抗廣義干擾的能力強，無線性誤差的困擾。

(3)儀器具有高穩定性，克服了烴類組分圖譜的重疊性困擾，具有獨特的“指紋”特性，在線分析的選擇性好。

(4)環境適應能力強，少維護，可以遠程操作，惡劣環境也能做到無人值守。

(5)針對C1-C5的工程用途，可作為工業色譜替代方案供選擇。

(6)勿需使用載氣、燃料氣、輔助流體水和高溫蒸汽等，后期維護成本低。

(7)熱值在線分析的準確度高(在美國驗證試驗的最大相對誤差是0.13%)，同時還能準確分析燃氣目標組分的含量(例如C1-C5以及CO、CO2、H2S等)。

4 TFS熱值在線分析系統的工程應用實例

CKS-2200型熱值在線分析系統采用TFS原理的“271型可調濾波光譜儀(熱值儀)”，在線分析甲烷CH4、乙烷C2H6、乙烯C2H4、乙炔C2H2、一氧化碳CO、二氧化碳CO2，氫H2采用熱導傳感器(0～10%H2)分析，最后由TFS輸出熱值信號。該型燃氣熱值在線分析系統外形結構圖見圖4，儀器顯示屏畫面見圖5。

圖4 CKS-2200型煤氣熱值在線分析系統外形結構圖

圖5 儀器顯示屏畫面

CKS-2200型煤氣熱值在線分析系統在重慶中節能三峰能源有限公司的CCPP-CDQ廢氣余熱綜合利用零排放示范項目上開展工程應用，系統安裝完成后，首先進行靜態調試，再正式投入長周期的工程應用考核，持續了4個多月，儀器運行平穩。運行結果見表2。

表2 熱值在線分析系統測量值對比表

從CKS-2200型高穩定熱值在線分析系統工程應用考核的初步結果，可得出如下初步結論：本系統具有高端品質的燃氣熱值在線分析系統，產品結構及工程應用較為先進，可靠性高，抗狹義干擾和廣義干擾，防爆設計。在線分析燃氣熱值之外，又能夠同時在線分析燃氣目標組分的含量，環境適應性好，工程應用少維護，本系統是燃氣熱值分析的優選方案。

5 結論

根據目前能源工業發展急需的燃氣熱值測量，研制基于TFS可調濾波紅外光譜檢測檢測原理的新型工業燃氣熱值在線分析系統，具有檢測精度高、穩定性好，工程應用少維護等優點，廢氣余熱綜合項目上為期4個月的運行穩定，相對于傳統燃燒型熱值檢測系統優勢較為明顯，與同機組的日本橫河分析系統的數據吻合度較高，最大相對誤差為2.37%。CKS-2200型燃氣熱值在線分析系統為工業廢氣綜合利用提供了新的解決方案。