燃?xì)廨啓C(jī)天然氣熱值測(cè)量值滯后時(shí)間的分析與改進(jìn)

吳志方

(東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

1 概述

天然氣作為燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒原料，熱值的高低直接影響燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行。燃?xì)鉄嶂凳侨細(xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)中重要的測(cè)量參數(shù)，控制系統(tǒng)通過(guò)天然氣的熱值來(lái)優(yōu)化燃燒效率，進(jìn)而提高燃?xì)廨啓C(jī)的性能。當(dāng)天然氣供氣管道內(nèi)的天然氣成分發(fā)生變化時(shí)，如果熱值分析系統(tǒng)測(cè)量熱值的時(shí)間滯后于天然氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的時(shí)間，不能及時(shí)將熱值信號(hào)送入控制系統(tǒng)，將導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)燃燒調(diào)整滯后，造成燃?xì)廨啓C(jī)熄火或火焰脈動(dòng)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象[1]。熱值分析系統(tǒng)熱值信號(hào)能否實(shí)現(xiàn)前饋控制，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行十分重要。

2 燃?xì)廨啓C(jī)熱值分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 熱值分析系統(tǒng)配置

熱值分析系統(tǒng)由一個(gè)分析機(jī)柜、兩臺(tái)冗余配置的熱值分析儀、一套預(yù)處理、一套前級(jí)減壓系統(tǒng)組成，配備有供電、接線、通風(fēng)、照明電路等基本設(shè)施，用于對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)天然氣熱值進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、分析。系統(tǒng)設(shè)備布置于可燃性氣體的危險(xiǎn)廠所。樣氣從工藝管道出來(lái)后即進(jìn)入前級(jí)減壓系統(tǒng)，先經(jīng)過(guò)針閥、過(guò)濾器，然后經(jīng)過(guò)減壓閥減壓后就完成了前級(jí)減壓。其中前級(jí)減壓系統(tǒng)還包括了泄壓閥，樣氣經(jīng)過(guò)前級(jí)減壓后通過(guò)一體化采樣伴熱管路進(jìn)入熱值分析系統(tǒng)的預(yù)處理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)球閥、過(guò)濾器后進(jìn)入熱值分析儀分析[2]。熱值分析系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 熱值分析系統(tǒng)圖

2.2 熱值分析系統(tǒng)布置與時(shí)間關(guān)系

熱值分析系統(tǒng)對(duì)取樣口的壓力有一定的要求，一般要求壓力穩(wěn)定。熱值分析系統(tǒng)布置在天然氣調(diào)壓站出口。天然氣經(jīng)過(guò)調(diào)壓站后，壓力比較穩(wěn)定。設(shè)定Ta表示燃?xì)鈴娜涌贏到燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室入口所需時(shí)間，Tb表示燃?xì)鈴娜涌贏到熱值分析系統(tǒng)熱值分析模塊入口所需時(shí)間，T90表示熱值分析模塊自身響應(yīng)時(shí)間[3]。熱值分析系統(tǒng)布置與時(shí)間示意如圖2所示。

圖2 熱值分析系統(tǒng)布置與時(shí)間示意圖

從圖2我們得知，要熱值信號(hào)實(shí)現(xiàn)前饋控制，必須滿足Tb+T90

3 熱值測(cè)量值滯后時(shí)間分析

3.1 Tb時(shí)間計(jì)算

在不同的天然氣發(fā)電廠，因廠房建筑布置設(shè)計(jì)不同導(dǎo)致熱值分析系統(tǒng)的布置位置、燃?xì)廨啓C(jī)的布置位置各不相同。在設(shè)計(jì)之初，需要通過(guò)計(jì)算確認(rèn)時(shí)間關(guān)系是否滿足Tb+T90

圖3 Tb的計(jì)算分L1和L2兩段示意

3.1.1 計(jì)算L1段的時(shí)間t1

取樣口A到前級(jí)減壓箱距離L1為20 dm，其中管道內(nèi)天然氣壓力P為4 MPa，管道氣體熱力學(xué)溫度T1為288 K，管道尺寸為Φ 6×1 mm，熱值分析儀樣氣流速F=15 L/min。

L1采樣管道橫截面積S1為：

=0.001 256 (dm2)

(1)

式中：d為取樣管道直徑，dm。

L1采樣管道體積V1為：

V1=S1×L1=0.001 256×20=0.025 12 (L)

(2)

式中：S1為取樣管道橫截面積，dm2;L1為管道長(zhǎng)度，dm。

這段采樣管道的天然氣體積經(jīng)減壓后的體積V2為：

=0.617 952 (L)

(3)

式中：T1為減壓前取樣天然氣熱力學(xué)溫度，K;P1為減壓前取樣天然氣絕對(duì)壓力， MPa；T2為減壓后取樣天然氣熱力學(xué)溫度，K;P2為減壓后取樣天然氣絕對(duì)壓力，MPa；1.2為氣體經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。減壓前后T1=T2,大氣壓力取0.1 MPa，減壓前P1=4+0.1=4.1 MPa,減壓后P2=0.1+0.1=0.2 MPa。

樣氣經(jīng)過(guò)L1段管道所需時(shí)間t1為：

(4)

式中：V2為減壓后樣氣天然氣體積，L;F為分析儀樣氣流速， L/min。

3.1.2 計(jì)算L2段的時(shí)間t2

前級(jí)減壓箱到預(yù)處理距離L2為70 dm，其中管道內(nèi)天然氣壓力P2為0.2 MPa(絕壓)，管道氣體熱力學(xué)溫度T2為288 K，管道尺寸Φ 6×1 mm，流速F=15 L/min。

L2采樣管道橫截面積S2：

=0.001 256 (dm2)

(5)

式中：d為取樣管道直徑，dm。

L2采樣管道體積V3為：

V3=1.2×S2×L2

=1.2×0.001 256×70

=0.105 504 (L)

(6)

式中：S2為取樣管道截面積，dm2;L2為管道長(zhǎng)度，dm；1.2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

L2段管道所需時(shí)間t2為：

(7)

式中：V3為減壓后樣氣天然氣體積，L;F為分析儀樣氣流速，L/min。

Tb=t1+t2=2.471 808+0.422 016≈2.893 8(s)

(8)

3.2 Ta時(shí)間計(jì)算

計(jì)算Ta的時(shí)間，取樣口A到燃?xì)廨啓C(jī)的管道長(zhǎng)度D(圖2所示)為110 m，其中管道內(nèi)天然氣壓力P為4 MPa，管道氣體熱力學(xué)溫度T3為288 K，管道尺寸Φ 273×16 mm，燃?xì)廨啓C(jī)在額定工況運(yùn)行時(shí)消耗天然氣質(zhì)量流量Mf為64 730 kg/h(壓力為大氣壓，溫度為20 ℃)。

計(jì)算管道橫截面積S3：

=0.045 616 71 (m2)

(9)

式中：d1為取樣管道直徑，m。

管道體積V4為：

V4=D×S3=110×0.045 616 71=5.018 (m3)

(10)

式中：D為管道長(zhǎng)度，m；S3為管道截面積，m2；

取天然氣質(zhì)量流量Mf為64 730 kg/h，天然氣密度ρ=0.6 kg/m3(壓力為大氣壓，溫度為20 ℃)，可得天然氣體積流量Vf為：

(11)

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程得出在工況條件下(天然氣壓力為4 MPa，管道天然氣溫度為15 ℃)的體積流量VF為：

=2 586.398 1 (m3/h)

(12)

式中：T3為燃?xì)廨啓C(jī)天然氣供氣熱力學(xué)溫度，K;P3為燃?xì)廨啓C(jī)天然氣供氣壓力(絕壓)，MPa；T4為燃?xì)廨啓C(jī)額定工況天然氣參考熱力學(xué)溫度，K;P4為燃?xì)廨啓C(jī)額定工況天然氣參考大氣壓力(絕壓)，MPa。

天然氣在管道中的時(shí)間Ta：

(13)

3.3 計(jì)算結(jié)果

綜上：Tb+T90=2.893 8+5=7.893 8(s),Ta=6.984 5(s),7.893 8>6.984 5,不滿足Tb+T90

4 熱值測(cè)量值滯后時(shí)間改進(jìn)

4.1 改進(jìn)方案

為了保證Tb+T90

延長(zhǎng)Ta的三個(gè)措施：減小天然氣質(zhì)量流量，延長(zhǎng)管道傳輸距離，增大傳輸管徑。燃?xì)廨啓C(jī)額定工況運(yùn)行時(shí)所消耗的天然氣質(zhì)量流量為定值，減小天然氣質(zhì)量流量無(wú)法實(shí)現(xiàn)；燃?xì)廨啓C(jī)布置位置離取樣口A的管道長(zhǎng)度D(圖2所示)受電廠布置位置制約，延長(zhǎng)管道傳輸距離難以實(shí)現(xiàn)；采用加大天然氣供氣管徑是一種比較容易實(shí)現(xiàn)的方法，但天然氣輸送管道造價(jià)昂貴，不利于成本控制。縮短Tb的三個(gè)措施：增大取樣天然氣流量，縮短管道傳輸距離，減小傳輸管徑。其中縮短管道傳輸距離，減小管徑的措施在實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中已經(jīng)實(shí)施，在實(shí)施這兩種措施的情況下，仍然不能滿足Tb+T90

圖4 增加快速旁路的熱值分析系統(tǒng)圖

4.2 改進(jìn)后Tb計(jì)算

通過(guò)圖4快速旁路的設(shè)置，可以使樣氣流量由F=15 L/min提升至30 L/min。通過(guò)3.1中Tb的計(jì)算：

(14)

(15)

Tb+T90=t1+t2+5=1.235 9+0.211+5

=6.446 9(s)

(16)

Ta=6.984 5(s),滿足Tb+T90

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒控制，輸入的熱值測(cè)量信號(hào)的時(shí)間關(guān)系必須滿足Tb+T90