丁 宇

（天津天鐵冶金集團(tuán)有限公司動力廠，河北涉縣056404）

0 引言

天鐵集團(tuán)動力廠50 MW級燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電站（簡稱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透平做功，帶動燃機(jī)輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。做功后的高溫?zé)煔饨?jīng)過余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，這部分蒸汽帶動汽輪發(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，要通過熱值儀對進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的高爐煤氣進(jìn)行測量。如果煤氣熱值不在該范圍內(nèi)，控制系統(tǒng)會自動對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 熱值儀簡介

1.1 燃燒式熱值儀

天鐵集團(tuán)動力廠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型熱值儀測量熱值的原理是將一定量的煤氣經(jīng)過過濾、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，通過冷端、熱端熱電偶測量被測氣體燃燒后的溫度差值計(jì)算出被測氣體的華白數(shù)（WI）。密度計(jì)測得當(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調(diào)壓閥將壓力調(diào)整至（500±10）Pa，這樣通過公式計(jì)算出熱值K，經(jīng)過計(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、正壓單元、計(jì)算中心、控制面板等。

LGA-4100半導(dǎo)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(fā)射單元發(fā)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(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(yīng)用中出現(xiàn)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(yùn)行過程中出現(xiàn)過熱值儀異常滅火的故障，經(jīng)過現(xiàn)場檢查，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)過排查發(fā)現(xiàn)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(yīng)煤氣進(jìn)入燃燒室。

CM6G型熱值儀需要將被測氣體進(jìn)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(chǎn)生很大影響。被測氣體經(jīng)過粗過濾、水洗過濾、脫水、精過濾、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，高爐煤氣中會含有大量水蒸汽，各級濾芯底部都會用水凝結(jié)，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(yùn)行時，每個濾芯底部的排污閥必須留一點(diǎn)開度，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)過查找，發(fā)現(xiàn)取樣泵后的管路沒有壓力，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，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)

熱值儀作為熱值測量儀表，與所有儀表一樣都存在著零點(diǎn)、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(jì)測量范圍1.0～1.5 kg/Nm3，當(dāng)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(diǎn)與量程漂移非常明顯，這就要對儀表進(jìn)行校驗(yàn)，在校驗(yàn)熱值儀時可以連同密度計(jì)一同校驗(yàn)。

校驗(yàn)前必須將柜面上的校驗(yàn)按鈕（Calibration）按下后方可開始校驗(yàn)。校驗(yàn)時先將零點(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打開，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)同時校驗(yàn)時一定要注意。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，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 激光熱值儀通過率降低

LGA-4100半導(dǎo)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(jì)算熱值。如果管道內(nèi)的水汽、灰塵含量增大后就會對激光的傳播進(jìn)行影響，當(dāng)管道的透光率小于10%后，激光熱值儀就會發(fā)出報(bào)警，當(dāng)透光率降至零時，激光熱值儀將不能正常工作。

在機(jī)組停運(yùn)時，由于管道內(nèi)的煤氣不流動，水汽會在管道內(nèi)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(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，進(jìn)入廠區(qū)的煤氣中會含有大量粉塵，這些粉塵會嚴(yán)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(shù)值將保持透光率降為零前最后一次測量的熱值，并持續(xù)輸出該測量值，操作人員不能參考激光熱值儀測量數(shù)值。這種情況需要增大正壓單元的進(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時，因?yàn)橛写祾叩獨(dú)獾拇嬖?，通常不會對激光熱值儀的光學(xué)玻璃造成污染，但長時間運(yùn)行后還是會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，這時就需要對熱值儀進(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，依次打開吹掃氮?dú)忾y、探頭前球閥及儀表電源。

光路清理時，可以使用LGA-4100半導(dǎo)體激光氣體分析儀配備的專用除污工具。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?dú)忾y打開，打開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)過取樣管線將高爐煤氣引至分析柜內(nèi)進(jìn)行測量。熱值儀將測得的熱值轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號送至燃?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度來調(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)過熱值儀取樣管線、過濾、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后才會顯示在操作員面前正是因?yàn)闊嶂禍y量存在滯后，使熱值調(diào)整滯后，當(dāng)煤氣熱值波動較大時，燃?xì)廨啓C(jī)的熱值自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能及時對高爐煤氣進(jìn)行熱值調(diào)整。如果熱值過高，操作人員還有時間退出熱值自動調(diào)整，通過人工減熱值。如果進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的高爐煤氣熱值過低，則會造成燃?xì)廨啓C(jī)熄火，這時燃?xì)廨啓C(jī)就會立刻保護(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，測量沒有延遲，測得的數(shù)據(jù)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(xiàn)波動，操作員馬上就能發(fā)現(xiàn)，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(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(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，無論高爐工況如何變化，只要是可燃物質(zhì)，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(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(dāng)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(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，其他可燃物質(zhì)含量發(fā)生變化，估算值就會產(chǎn)生偏差，這時就不能準(zhǔn)確測得當(dāng)前煤氣準(zhǔn)確熱值。如果想測得煤氣的準(zhǔn)確熱值，就需要增加多種接收單元類型，通過測量每種可燃?xì)怏w的濃度來測得煤氣的準(zhǔn)確熱值，這樣將會大幅增加儀表的造價。

4 結(jié)束語

本文介紹的兩種形式的熱值儀各自特點(diǎn)給對燃?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)要求選擇不同類型的熱值儀對氣體燃料進(jìn)行測量。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，既保證了熱值測量的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，又提高了熱值測量的快速性。在動力廠CCPP投運(yùn)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(jīng)驗(yàn)來調(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，這給操作人員帶來很大困擾。通過引進(jìn)激光熱值儀，運(yùn)行人員能夠更加及時地發(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，該機(jī)組減少了燃?xì)廨啓C(jī)因非正常停機(jī)帶來的設(shè)備磨損，提高了機(jī)組運(yùn)行壽命，降低了維護(hù)成本。