浅谈燃烧式热值仪与激光式热值仪在天铁集团动力厂50兆瓦级燃气蒸汽联合循环发电站的应用

丁 宇

（天津天铁冶金集团有限公司动力厂，河北涉县056404）

0 引言

天铁集团动力厂50 MW级燃气蒸汽联合循环发电站（简称CCPP）的主要工艺流程为：三菱M251S重型燃气轮机利用高炉煤气燃烧产生高温高压的烟气推动透平做功，带动燃机轮发电机发电。做功后的高温烟气经过余热锅炉产生蒸汽，这部分蒸汽带动汽轮发电机发电。因此燃气轮机就成为本电站的关键部件，其运行好坏直接关系到后续工艺的稳定情况。燃气轮机所使用的燃料为高炉煤气，高炉煤气的质量直接影响燃气轮机的运行状况。

三菱M251S重型燃气轮机对进入机组的高炉煤气热值范围有严格的要求，进入燃气轮机的高炉煤气热值范围在2 890～3 770 kJ/Nm3，要通过热值仪对进入燃气轮机的高炉煤气进行测量。如果煤气热值不在该范围内，控制系统会自动对高炉煤气加入高热值的焦炉煤气或零热值的氮气，进行热值调整，热值调整后，合格的高炉煤气进入燃气轮机才能使燃气轮机正常工作。如果热值超过3 770 kJ Nm3，燃气轮机控制系统要保护机组进行强制快速减负荷，超过4 100 kJ/Nm3后就要强制停机；如果热值低于2 970 kJ/Nm3，进入燃气轮机的煤气燃烧可能会出现不稳定的情况，甚至灭火。因此，热值仪性能的优良对于M251S重型燃气轮机的稳定运行起到决定性的作用。

1 热值仪简介

1.1 燃烧式热值仪

天铁集团动力厂CCPP燃气轮机配套使用的燃烧式热值仪是日本横河电机生产的CM6G型热值仪。CM6G型热值仪主要组成部分为：取样泵、煤气过滤装置、脱水装置、预热装置、密度计、煤气调压阀、仪用空气调压阀、计算中心、燃烧室及控制面板等。

CM6G型热值仪测量热值的原理是将一定量的煤气经过过滤、脱水、预热后，与一定量的仪用空气在燃烧室燃烧，燃烧室内设有冷端热电偶与热端热电偶，通过冷端、热端热电偶测量被测气体燃烧后的温度差值计算出被测气体的华白数（WI）。密度计测得当前送入燃烧室内煤气的密度（ρ）。送至燃烧室的煤气与仪用空气通过调压阀将压力调整至（500±10）Pa，这样通过公式计算出热值K，经过计算中心的运算与补偿就可以得到当前燃烧的煤气热值。

1.2 激光式热值仪

天铁集团动力厂CCPP煤气入口热值仪选用的是杭州聚光科技有限公司生产的LGA-4100半导体激光气体分析仪。该热值仪主要的组成部分为：发射单元、接收单元、吹扫单元、正压单元、计算中心、控制面板等。

LGA-4100半导体激光气体分析仪测量原理是激光能量可以被气体分子选择性地吸收，发射单元发出的能量被一氧化碳吸收的波长激光，穿过高炉煤气时被高炉煤气中的一氧化碳吸收后衰减，接收单元接收衰减后的激光计算出衰减信息。衰减信息与一氧化碳浓度具有函数关系，因为管道截面积是定值，这样就可以计算出通过当前管道内的高炉煤气含有一氧化碳的浓度。由于一氧化碳的热值是固定的，所以通过测量一氧化碳浓度即可得到通过管道的高炉煤气热值。

2 热值仪应用中出现的问题及解决方法

2.1 燃烧式热值仪

2.1.1 热值仪滤芯堵塞

在热值仪运行过程中出现过热值仪异常灭火的故障，经过现场检查，发现进入热值仪燃烧室内的煤气压力为300 Pa，正常进入燃烧室的煤气压力应为500 Pa。怀疑存在滤芯堵塞，经过排查发现二级过滤器中存在大量的水，这些水将气路堵塞，无法正常供应煤气进入燃烧室。

CM6G型热值仪需要将被测气体进行取样、燃烧测量热值，这样取样气体的清洁度会对燃烧室及冷热端热电偶的使用寿命产生很大影响。被测气体经过粗过滤、水洗过滤、脱水、精过滤、预热等多重处理才能送至燃烧室进行燃烧。由于热值仪取样管在湿式电除尘器后，高炉煤气中会含有大量水蒸汽，各级滤芯底部都会用水凝结，如果这些水积累起来将会堵塞气路，造成热值仪灭火。因此在热值仪运行时，每个滤芯底部的排污阀必须留一点开度，将凝结水排出，避免凝结水将气路堵塞。

2.1.2 取样管线、放散管线上冻

进入冬季后，由于气温降低，热值仪出现燃气压力低的报警故障，经过查找，发现取样泵后的管路没有压力，判断出取样管线出现堵塞。检查发现取样管线在室外，由于气温较低，水汽凝结上冻后将取样管线堵塞造成该故障。

解决方法为：将取样管线加装电伴热带后增加保温，防止水汽凝结上冻造成堵塞。同时，将热值仪的放散管进行同样处理，防止燃烧后的废气中的水在放散管中结冰造成排气不畅，从而引起热值仪故障。

2.1.3 热值仪校准

热值仪作为热值测量仪表，与所有仪表一样都存在着零点、量程的漂移问题。CM6G型热值仪测量范围在2 500～5 000 kJ/Nm3，配套的密度计测量范围1.0～1.5 kg/Nm3，当被测气体的热值范围超出热值仪测量范围后，热值仪的零点与量程漂移非常明显，这就要对仪表进行校验，在校验热值仪时可以连同密度计一同校验。

校验前必须将柜面上的校验按钮（Calibration）按下后方可开始校验。校验时先将零点标气通入取样气管路，观察系统压力正常后缓慢将取样泵出口关闭，这样可以防止热值仪灭火。我厂使用的零点标气热值为2 870 kJ/Nm3，密度为1.3515 kg/Nm3，通入标准气体后，等待热值仪、密度计读数稳定后进行零点调整。调整后继续观察数据，稳定后可切换量程标气，量程气热值为4 820 kJ/Nm3，密度为1.2515 kg/Nm3，待读数稳定后进行量程调整。零点、量程调整完毕后，先将取样泵出口阀门打开，观察系统压力稳定后才能将标准气体切除。需要特别注意的是，高热值的量程标气密度低，低热值的零点标气密度高，在热值仪与密度计同时校验时一定要注意。密度计如果在校验中发现零点、量程偏差较大时，要采用分多次减少差值的方法进行校验，直至校准。

2.2 激光热值仪

2.2.1 激光热值仪通过率降低

LGA-4100半导体激光气体分析仪测量煤气热值的原理是煤气对特定波长的激光吸收后，由接收单元分析激光衰减程度来计算热值。如果管道内的水汽、灰尘含量增大后就会对激光的传播进行影响，当管道的透光率小于10%后，激光热值仪就会发出报警，当透光率降至零时，激光热值仪将不能正常工作。

在机组停运时，由于管道内的煤气不流动，水汽会在管道内聚集，使透光率下降，这时需要将后方管道的煤气放散阀打开，将管道内的煤气放散一部分即可解决。当高炉工况发生变化或煤气除尘系统出现故障时，进入厂区的煤气中会含有大量粉尘，这些粉尘会严重影响激光的透光率。这时热值仪的透光率会降得很低，甚至为零，这时激光热值仪输出的数值将保持透光率降为零前最后一次测量的热值，并持续输出该测量值，操作人员不能参考激光热值仪测量数值。这种情况需要增大正压单元的进气压力，提高吹扫强度，防止灰尘堵塞管路，在透光率恢复后，激光热值仪即可投入正常使用。2.2.2 激光热值仪清洁

当有粉尘含量较高的煤气通过时，因为有吹扫氮气的存在，通常不会对激光热值仪的光学玻璃造成污染，但长时间运行后还是会有一些污垢残留在光学玻璃或光路中，在透光率持续偏低的情况下就可以判断光学玻璃或者光路污染，这时就需要对热值仪进行清洁保养。

在清洁光学玻璃前要依次关闭电源、探头前球阀、吹扫氮气阀，然后松开锁箍后即可拆下发射单元、接收单元、光学玻璃。光学玻璃清理完成后，按照顺序组装回去，依次打开吹扫氮气阀、探头前球阀及仪表电源。

光路清理时，可以使用LGA-4100半导体激光气体分析仪配备的专用除污工具。按照清理光学玻璃的顺序拆下发射单元与接收单元后，将专用除污工具连接到光路上，这时要注意检查专用工具与光路连接的气密性，否则高炉煤气会泄漏造成人身伤害。连接好清污工具后，将吹扫氮气阀打开，打开探头前球阀后将清污工具伸入光路中，反复清理几次后拉出清理工具。关闭探头前球阀、吹扫氮气阀后将清污工具拆除。按照顺序组装仪表后恢复热值仪。

3 两种形式热值仪的特点

厂区内使用的两种形式的热值仪安装位置如图1所示。

3.1 测量速度

3.1.1 燃烧式热值仪

CM6G型热值仪为燃气轮机成套供货，安装位置在煤气压缩机入口管道前与静电除尘器后，经过取样管线将高炉煤气引至分析柜内进行测量。热值仪将测得的热值转换为4～20 mA电流信号送至燃气轮机控制系统，控制系统根据当前热值控制减热值控制阀或增热值控制阀的开度来调整高炉煤气的热值。燃烧式热值仪如图1所示，安装在煤气压缩机入口，距离燃气轮机组非常近。高炉煤气经过热值仪取样管线、过滤、预热等环节后进入到分析柜燃烧，历经大约为2 min。因此进入燃气轮机内燃烧的煤气热值在2 min后才会显示在操作员面前正是因为热值测量存在滞后，使热值调整滞后，当煤气热值波动较大时，燃气轮机的热值自动调节系统不能及时对高炉煤气进行热值调整。如果热值过高，操作人员还有时间退出热值自动调整，通过人工减热值。如果进入燃气轮机的高炉煤气热值过低，则会造成燃气轮机熄火，这时燃气轮机就会立刻保护跳机。

3.1.2 激光热值仪

激光热值仪如图1所示，安装在厂区高炉煤气入口阀门后，距离煤气混合器有近100 m，且激光热值仪的发射单元、接收单元均安装在高炉煤气管道上，测量没有延迟，测得的数据很快就能在操作员电脑中显示出来，入口高炉煤气热值一旦出现波动，操作员马上就能发现，可以立刻通过手动控制增热值控制阀或减热值控制阀，对高炉煤气热值进行调整，提前将煤气热值控制在合格范围内，保证机组的安全稳定运行。

图1 热值仪安装位置示意图

3.2 测量精度

3.2.1 燃烧式热值仪

CM6G型热值仪采用的是燃烧形式测量煤气热值，高炉煤气中主要含量为一氧化碳，此外高炉煤气中还含有氢气、烃类等可燃烧物质。这些可燃烧的气体在热值仪燃烧室内都可以燃烧释放能量，无论高炉工况如何变化，只要是可燃物质，都可以通过燃烧来测量取样气的热值。燃烧式热值仪测得的热值最接近真实结果。3.2.2 激光式热值仪

厂区内的LGA-4100半导体激光气体分析仪在选型时只选择了单一的一氧化碳接收单元，这样该热值仪只能通过测量当前煤气中一氧化碳含量来测量热值，高炉煤气中其他可燃物质的热值只能根据经验估算后进行补偿。但当高炉炉况发生变化时，其他可燃物质含量发生变化，估算值就会产生偏差，这时就不能准确测得当前煤气准确热值。如果想测得煤气的准确热值，就需要增加多种接收单元类型，通过测量每种可燃气体的浓度来测得煤气的准确热值，这样将会大幅增加仪表的造价。

4 结束语

本文介绍的两种形式的热值仪各自特点给对燃气热值要求较高的机组提供参考，可根据实际的生产要求选择不同类型的热值仪对气体燃料进行测量。CM6G型热值仪与LGA-4100半导体激光气体分析仪的配合使用弥补了各自形式的局限性，既保证了热值测量的准确性与稳定性，又提高了热值测量的快速性。在动力厂CCPP投运之初，没有使用激光式热值仪，操作人员对煤气热值的波动束手无策，只能凭借经验来调整煤气热值。但由于设备运行的工况不同，煤气变化的情况也不相同，这给操作人员带来很大困扰。通过引进激光热值仪，运行人员能够更加及时地发现煤气热值的变化情况，提早根据当前热值对煤气热值进行调整，大幅提高了机组稳定运行率，降低了燃气轮机跳机的发生率进而减少了高炉煤气的放散量，提高了能源利用率。同时，该机组减少了燃气轮机因非正常停机带来的设备磨损，提高了机组运行寿命，降低了维护成本。