彭志敏，賀拴玲，周佩麗，杜艷君，王振，丁艷軍，吳玉新，呂俊復

（1.清華大學能源與動力工程系，北京 100084；2.華北電力大學控制與計算機工程學院，北京 102206）

近年來，我國火電機組超低排放政策實施了全球最嚴格的排放標準，其中 NOx排放限值為50 mg/m3（標準狀態(tài)）。為此，煤粉鍋爐普遍采用分級燃燒以實現(xiàn)NOx超低排放目標[1-3]。分級燃燒雖然可有效地降低燃燒區(qū)燃燒速率和溫度，在還原性氣氛條件下抑制NOx生成量，但深度缺氧工況會導致還原性氣氛H2S 和CO 體積分數(shù)急劇增加。其中，H2S 作為一種強腐蝕性氣體，當其體積分數(shù)較高時（如100 μL/L 量級）會對水冷壁造成強烈的高溫腐蝕作用，嚴重時會引起水冷壁“爆管”，影響機組安全運行[4-6]；與此同時，未燃盡的CO 和飛灰含碳過量排放也會導致發(fā)電煤耗增加。因此，在線監(jiān)測煤粉鍋爐水冷壁近壁面還原性氣氛CO/H2S 體積分數(shù)以及基于監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋的燃燒調(diào)整對實現(xiàn)鍋爐高效環(huán)保安全運行具有重要意義。

目前，火電機組尾部煙道（如SCR 煙氣脫硝出入口、煙囪總排口）煙氣中CO 體積分數(shù)通常采用非分散紅外吸收光譜（NDIR）結(jié)合伴熱抽取預處理方式進行測量。NDIR 采用單光源雙光束探測方案，光源發(fā)出的紅外光束經(jīng)濾波片后分別進入測量氣室和參比氣室，經(jīng)探測器接收后由信號處理系統(tǒng)對測量信號和參比信號進行分析，進而確定待測氣體體積分數(shù)[7-9]。如CO 在4.6 μm 附近中紅外波段吸收最強，但NDIR 技術(shù)采用寬譜測量容易受煙氣中H2O 分子吸收譜線干擾，因此該技術(shù)對預處理尤其是冷凝除水要求較高，而復雜的取樣過程容易造成氣體組分失真、管線腐蝕和堵塞等問題[10-11]。與CO相比，盡管煤粉鍋爐水冷壁H2S 高溫腐蝕問題嚴重，且經(jīng)常出現(xiàn)“爆管”等安全事故，但目前尚未見煤粉鍋爐H2S 在線監(jiān)測報道，其主要原因在于H2S 易吸附、腐蝕強、溶于水、含量低等特性使得在線監(jiān)測其體積分數(shù)存在困難。目前H2S 檢測在天然氣行業(yè)較為普遍，常用的檢測方法包括氣相色譜、電化學傳感器等，其中氣相色譜基于不同氣體通過色譜柱的速度差異原理進行測量，該技術(shù)通用性強、成熟度高，可實現(xiàn)多組分、高精度檢測，但其預處理及測量系統(tǒng)極其復雜，對操作環(huán)境和操作技術(shù)要求較高且單次檢測時間較長，無法實時反映氣體體積分數(shù)快速動態(tài)變化，在關(guān)鍵生產(chǎn)工藝過程（工況惡劣、瞬態(tài)變化等）氣體檢測領(lǐng)域存在局限性[12-14]；而電化學傳感器通過與H2S 氣體反應產(chǎn)生的電信號實現(xiàn)氣體體積分數(shù)測量，其優(yōu)點在于技術(shù)成熟、操作簡單、成本低，但容易受SO2等組分干擾、損耗大、壽命短[15-17]，一般只適用于實驗室或已知氣體組分條件下H2S 體積分數(shù)檢測。

考慮到NDIR 測量CO 體積分數(shù)的局限性以及目前尚無煤粉鍋爐H2S 在線監(jiān)測技術(shù)等問題，本文擬采用可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）結(jié)合恒流稀釋預處理技術(shù)實現(xiàn)煤粉鍋爐水冷壁近壁面還原性氣氛CO/H2S 體積分數(shù)同步在線測量。與NDIR 寬帶吸收光譜相比，TDLAS 是利用窄帶激光掃描氣體分子特征譜線，基于分子譜線對激光的吸收作用確定待測氣體體積分數(shù)，具有波長選擇性強、測量精度高、響應速度快等優(yōu)點，目前已成為氣體在線監(jiān)測技術(shù)的重要發(fā)展方向之一[18-20]。本文首先基于TDLAS 技術(shù)開展CO/H2S 體積分數(shù)在線測量實驗研究，同時基于原理實驗研制在線監(jiān)測裝置并應用于大型火電機組煤粉鍋爐水冷壁近壁面還原氣氛體積分數(shù)在線監(jiān)測，研究預期可為煤粉鍋爐水冷壁高溫腐蝕預警和燃燒協(xié)同控制優(yōu)化提供技術(shù)支撐，最終實現(xiàn)火電機組高效、環(huán)保、安全、智能化運行。

1 TDLAS 測量原理及驗證實驗

1.1 TDLAS 測量原理

TDLAS 測量原理如圖1 所示。

圖1 TDLAS 測量原理Fig.1 Measurement principle of TDLAS

當激光穿過待測氣體時被分子特征譜線吸收，透射光強和入射光強遵循Beer-Lambert 定律[21]，通過分析被氣體分子吸收前后激光光強的變化即可得到待測氣體溫度、體積分數(shù)等參數(shù)。

激光穿過氣體時強度變化可描述為：

式中：v為激光頻率；τ(v)為激光透射率；I0為入射光強；It為透射光強；p為氣體總壓；T為氣體溫度，K；S(T)為譜線線強度，僅與氣體溫度T有關(guān)；L為有效吸收光程，cm；φ為待測氣體體積分數(shù)；?(v)為吸收線型函數(shù)，cm；α(ν)為吸收截面。

1.2 驗證實驗方案

為驗證TDLAS 測量CO/H2S 的可靠性和準確度，本文開展了CO/H2S 動態(tài)工況下氣體體積分數(shù)測量實驗研究，實驗方案如圖2 所示。實驗前首先對激光器參數(shù)和赫里奧特（Herriott）多次反射池有效吸收光程進行標定，由信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號輸入到激光控制器中，驅(qū)動激光波長在待測吸收譜線附近發(fā)生掃描。輸出激光通過光纖分束器分為2 束，一束通過F-P 干涉儀進行波長標定，一束入射到測量氣室中，透射光強經(jīng)光電探測器接收并轉(zhuǎn)換為電信號后被示波器采集。然后基于標定的有效吸收光程和激光器參數(shù)，利用質(zhì)量流量控制器精確配比不同體積分數(shù)的CO 和H2S 進行動態(tài)測量，最后采用本文作者提出的直接吸收-波長調(diào)制法（WM-DAS）對蘊含氣體吸收信息的透射光強進行FFT 分析并重構(gòu)吸收截面[22-24]，在已知有效吸收光程條件下根據(jù)測得的吸收截面確定待測氣體體積分數(shù)。

圖2 基于TDLAS 的CO/H2S 測量方案Fig.2 Measurement scheme of CO/H2S based on TDLAS

為提高CO/H2S 體積分數(shù)的測量精度并降低其檢測限，實驗中采用Herriott 多次反射池作為測量氣室以增加有效吸收光程，進而實現(xiàn)氣體參數(shù)高精度測量。Herriott 多次反射池主要由2 片曲率半徑相同的凹面反射鏡組成，激光光束進入測量池后在2 片反射鏡之間多次反射后出射，蘊含氣體吸收信息的透射光強經(jīng)光電探測器接收并轉(zhuǎn)化為電信號后由示波器采集，隨后經(jīng)Labview 或MATLAB 軟件對采集數(shù)據(jù)進行處理，得到CO/H2S 分子特征譜線吸收截面，進而根據(jù)測得的吸收截面確定氣體體積分數(shù)（已知吸收光程）。

1.3 譜線選擇及實驗結(jié)果分析

實驗前首先通過Hitran 2016 數(shù)據(jù)庫選擇CO 和H2S 的特征吸收譜線，并對其進行吸收率仿真，結(jié)果如圖3 所示。由圖3a)可知，在101 kPa、4 290～4 310 cm-1范圍內(nèi)，CO 在4 297.704 6 cm-1處有較強吸收且可避免H2O、CO2氣體吸收譜線的干擾，所以選擇4 297.704 6 cm-1作為后續(xù)研究中CO 的測量譜線?？紤]到常壓下H2S 測量在1 578 nm 波長處存在CO2干擾問題，所以實際測量中選擇在低壓（25 kPa）環(huán)境下進行。從圖3b)中可以明顯看出，在25 kPa、6 334～6 337 cm-1范圍內(nèi)，H2S 與H2O、CO2的測量譜線相互干擾很小，因此選擇6 336.617 2 cm-1譜線測量H2S 可避免CO2的干擾。

圖3 吸收率仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of absorptivity

為驗證TDLAS 測量CO/H2S 的精度，在實驗室環(huán)境（296 K）并已知Herriott 池有效吸收光程（CO和H2S 有效吸收光程分別為2.4 m 和61.9 m）條件下，開展CO/H2S 體積分數(shù)動態(tài)測量實驗研究。首先調(diào)節(jié)CO 和H2S 測量池的壓力分別為101 kPa 和25 kPa，然后通過質(zhì)量流量控制器精確配比CO 和H2S 體積分數(shù)（背景氣為氮氣）分別在0～2 000 μL/L和0～20 μL/L 范圍內(nèi)動態(tài)變化，并控制氣體流量為1 L/min，在每個體積分數(shù)下穩(wěn)定時間為3～5 min，實驗數(shù)據(jù)采用工控機實時采集并進行在線處理，其實驗結(jié)果如圖4 所示。

圖4 CO/H2S 體積分數(shù)動態(tài)測量結(jié)果Fig.4 Dynamic measurement results of CO/H2S volume fraction

由圖4 的測量結(jié)果可知，CO 和H2S 體積分數(shù)在0～2 000 μL/L 和0～20 μL/L 范圍內(nèi)，測量值與配比值一致，其線性度達到0.99 以上，測量結(jié)果準確度高且穩(wěn)定性好。但測量過程中改變氣體配氣體積分數(shù)時，測量值穩(wěn)定需要較長的響應時間（1～2 min）。其主要原因在于：1）實驗中改變配氣體積分數(shù)需要一定的操作時間，氣體體積分數(shù)約45 s 才能穩(wěn)定；2）Herroitt 測量池腔體中氣體完全更新需要1 min 左右。上述因素導致測量系統(tǒng)響應時間增加。而在現(xiàn)場實際應用中，首先無需配氣所占用時間，同時還可通過增加進氣流量、減小測量池體積等手段提高氣體更新速率，進而實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場CO和H2S 體積分數(shù)快速高精度在線測量。

2 煤粉鍋爐CO/H2S 體積分數(shù)在線監(jiān)測

2.1 CO/H2S 在線監(jiān)測分析儀表

為將上述研究成果應用于煤粉鍋爐等工業(yè)現(xiàn)場氣體體積分數(shù)的在線監(jiān)測，研究者對基于TDLAS測量原理的CO/H2S 在線測量系統(tǒng)進行了集成和優(yōu)化，其分析儀表結(jié)構(gòu)如圖5 所示。測量系統(tǒng)主要包括DFB 半導體激光器及其溫度/電流驅(qū)動模塊、光電探測模塊、Herriott 多次反射池、溫度和壓力傳感模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等核心部件。其中數(shù)據(jù)處理采用作者提出的波長調(diào)制-直接吸收（WM-DAS）測量方法[22-24]。該方法采用TDLAS 中抗干擾能力強、響應速度快的固定點波長調(diào)制策略，利用蘊含分子吸收信息的透射光強FFT 頻譜重構(gòu)分子吸收截面，并基于重構(gòu)的吸收截面確定待測氣體體積分數(shù)等參數(shù)。該方法充分融合了TDLAS 中直接吸收和波長調(diào)制法的優(yōu)點，具有免標定、抗干擾能力強、信噪比高、操作簡單等優(yōu)點，適用于煤粉鍋爐等復雜工業(yè)現(xiàn)場氣體體積分數(shù)高精度在線測量。在實際現(xiàn)場測量中，煙氣經(jīng)恒流稀釋高保真預處理后進入CO/H2S 在線監(jiān)測裝置進行測量，其測量結(jié)果就地顯示在分析儀觸摸顯示屏上，并由控制單元將其轉(zhuǎn)換為RS485 信號上傳至DCS。

圖5 CO/H2S 在線監(jiān)測分析儀表Fig.5 The CO/H2S on-line monitoring instrument

2.2 CO/H2S 在線監(jiān)測系統(tǒng)方案

考慮到目前工業(yè)現(xiàn)場煙氣測量常采用的多級過濾伴熱抽取預處理方式存在樣氣失真、管線堵塞/腐蝕、測量延時及維護量大等問題，本文針對煤粉鍋爐水冷壁近壁面氣氛場高溫、高塵、高腐蝕等惡劣工況，提出一種基于恒流稀釋煙氣高保真預處理技術(shù)結(jié)合CO/H2S 在線監(jiān)測系統(tǒng)，其系統(tǒng)方案如圖6 所示。研究根據(jù)鍋爐爐膛“主燃區(qū)”“還原區(qū)”及“燃盡區(qū)”等區(qū)域水冷壁高溫腐蝕情況，在燃燒器和高位燃盡風間的“還原區(qū)”以及高位燃盡風上方的“燃盡區(qū)”各安裝2 個測點，共計4 套恒流稀釋預處理探頭，同時各安裝CO 和H2S 體積分數(shù)在線分析儀1 臺。4 個測點采用輪測方式共用2 臺分析儀，單點測量時間3 min，單輪測量周期12 min。每個測點處的高溫、高濕煙氣經(jīng)恒流稀釋（稀釋比60 倍）探頭預處理后，依次進入分析儀表以實現(xiàn)CO/H2S同步高精度在線測量。

圖6 煤粉鍋爐CO/H2S 在線監(jiān)測系統(tǒng)方案Fig.6 Scheme of CO/H2S online monitoring system for pulverized coal boiler

在上述研究基礎(chǔ)上，依托某350 MW 四角切圓煤粉鍋爐開展工程應用示范研究，現(xiàn)場應用示范情況如圖7 所示。

圖7 350 MW 四角切圓煤粉鍋爐現(xiàn)場應用示范Fig.7 Field application demonstration of 350 MW tangentially fired boiler

由圖7 可見，鍋爐腐蝕區(qū)域主要位于“還原區(qū)”和“燃盡區(qū)”，在鍋爐檢修更換水冷壁期間將4 套恒流稀釋預處理探頭（稀釋比60）安裝在該區(qū)域。利用干燥潔凈空氣稀釋目標氣體，不僅可以降低煙氣露點（如-25 ℃），還能極大減小樣氣對取樣管線和儀器設(shè)備的腐蝕作用。稀釋后樣氣在正壓條件下經(jīng)聚四氟管線輸送至測量系統(tǒng)，可避免H2S 吸附、管線密封漏氣等造成的測量不準確問題，從而實現(xiàn)煙氣高保真取樣，解決高溫高塵等惡劣工況下煙氣預處理難題，最終實現(xiàn)煤粉鍋爐水冷壁近壁面還原性氣氛CO/H2S 體積分數(shù)高精度在線測量。

2.3 CO/H2S 在線監(jiān)測結(jié)果分析

在監(jiān)測系統(tǒng)完成安裝和調(diào)試后，目前已在現(xiàn)場無故障連續(xù)運行10 個月，圖8 為該系統(tǒng)“還原區(qū)”3 號測點在此期間某24 h 測量曲線。其中綠色、紅色、黃色和橘色曲線分別代表H2S、CO、SO2和O2體積分數(shù)測量結(jié)果。測量SO2主要是為了研究煤質(zhì)中硫元素在不同燃燒工況下的轉(zhuǎn)化形式；氧量為煙囪總排口電廠DCS 已有的測量數(shù)據(jù)。

根據(jù)圖8 測量結(jié)果可知，在該時段內(nèi)，該測點還原性氣氛CO 體積分數(shù)高達2%～4%，此時煤質(zhì)中部分硫元素在還原性氣氛下轉(zhuǎn)化為H2S，其體積分數(shù)高達300 μL/L。通過觀察近10 個月監(jiān)測數(shù)據(jù)，在鍋爐部分燃燒工況下，H2S 體積分數(shù)與SO2相當，甚至接近1 000 μL/L，并且該數(shù)值會隨著煤質(zhì)中含硫量增加而增加。與此同時，H2S 生成量與CO 體積分數(shù)呈明顯的正相關(guān)，其體積分數(shù)隨著CO 體積分數(shù)增大而增大，與此相反，H2S 體積分數(shù)與SO2體積分數(shù)呈明顯的負相關(guān)，但總硫保持守恒且僅與煤質(zhì)中含硫量有關(guān)。另外，現(xiàn)場鍋爐檢修和機組運行結(jié)果表明，H2S 體積分數(shù)較高已導致該煤粉鍋爐“還原區(qū)”水冷壁高溫腐蝕嚴重，存在“爆管”風險，而且CO/飛灰含碳過量也導致單位發(fā)電煤耗增加，造成資源浪費。

圖8 某350 MW 煤粉鍋爐CO/H2S 體積分數(shù)24 h 連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.8 24-hour continuous monitoring data of CO/H2S volume fraction of a 350 MW pulverized coal boiler

圖9 為168 h CO/H2S 連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)。由圖9 可見，其數(shù)據(jù)變化規(guī)律與圖8 相同，即H2S 體積分數(shù)與CO 體積分數(shù)呈正相關(guān)而與SO2體積分數(shù)反相關(guān)。其中CO 和H2S 體積分數(shù)主要在1%～5%和100～500 μL/L 范圍內(nèi)波動，但與尾部煙氣氧量關(guān)系不明顯。其主要原因在于：鍋爐爐膛燃燒氣氛場分布不均勻，而尾部煙氣中氧量由于煙氣經(jīng)過尾部煙道較長路徑混合已相對均勻，這也使得尾部煙氣氧量監(jiān)測數(shù)據(jù)并不能真實反映鍋爐爐膛實際燃燒情況。因此，開展大型火電機組煤粉鍋爐爐膛分布式CO、H2S 以及O2體積分數(shù)在線監(jiān)測對水冷壁高溫腐蝕預警、鍋爐燃燒調(diào)整具有重要意義。

圖9 某350 MW 煤粉鍋爐CO/H2S 體積分數(shù)168 h 連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.9 168-hour continuous monitoring data of CO/H2S volume fraction of a 350 MW pulverized coal boiler

3 結(jié)論

本文基于TDLAS 氣體檢測和恒流稀釋預處理技術(shù)開展煤粉鍋爐爐膛CO 和H2S 體積分數(shù)高精度在線測量研究并進行工程應用示范。研究首先基于TDLAS 測量原理開展CO/H2S 體積分數(shù)動態(tài)測量實驗研究，驗證了該技術(shù)測量CO/H2S 體積分數(shù)的可靠性和精度；然后結(jié)合恒流稀釋煙氣高保真預處理技術(shù)和分布式多點輪測方式，將研制的CO/H2S在線監(jiān)測分析儀表應用于工業(yè)現(xiàn)場，最終實現(xiàn)大型火電機組煤粉鍋爐水冷壁近壁面CO/H2S 體積分數(shù)同步在線監(jiān)測。

研究結(jié)果表明：煤粉鍋爐爐膛H2S 體積分數(shù)與CO 體積分數(shù)完全正相關(guān)，而與SO2體積分數(shù)呈負相關(guān)且總硫守恒；另外，鍋爐爐膛局部區(qū)域還原性氣氛CO/H2S 體積分數(shù)與尾部煙氣中O2體積分數(shù)相關(guān)性較小，這也使得目前火電機組根據(jù)尾部煙氣O2體積分數(shù)進行燃燒調(diào)整的控制策略存在局限性。因此，深入研究大型火電機組煤粉鍋爐深度調(diào)峰、煤質(zhì)波動等復雜工況下“主燃區(qū)”“還原區(qū)”及“燃盡區(qū)”多組分氣氛場的分布特點，對開發(fā)總碳（CO/CO2）、總硫（H2S/SO2）、總氮（NO/NO2）以及氧量（O2）分布式可視化在線監(jiān)測、高溫腐蝕預警及燃燒協(xié)同控制系統(tǒng)具有重要意義。