燃气热值在线分析系统的研制及工程应用

汪智琦1 唐德东1 孙小媛 李清玲 杨永龙

(1.重庆科技学院电气工程学院，重庆 401331； 2. 重庆重科大分析仪器有限公司，重庆 401331)

1 工业废气余热发电综合利用示范项目概况

燃气利用除了计量其体积之外，更重要的还是计量其热值。工业废气的热值很不稳定，所以，燃气热值在线分析就成为工程用户面对新挑战时紧迫的现实需要。

重庆中节能三峰能源有限公司在重钢长寿新厂区建设了“燃气-蒸汽联合循环发电与干熄焦余热发电项目(CCPP-CDQ)”，是钢铁行业第一个废气余热综合利用零排放示范项目，总投资21.7亿元，总装机353.5MW，将重钢的高炉煤气(COG)和焦炉的干熄焦蒸汽回收利用，使用低品质、不稳定的工业废气发电，全部用于重钢的生产，实现了资源的可再生利用，降低污染，节能环保意义重大。为实现燃气汽轮机发电过程的优化控制，需要在线监控混合煤气的热值，以达到安全平稳生产和节能降耗减排的目的。该示范项目采用从日本横河公司进口的4套燃烧型热值在线分析系统，分别用于4台燃气轮机，实现对混合煤气热值的在线测量，从2011投运至今，运行比较平稳。

该项目煤气输送管道直径1.8米，壁厚0.8厘米，流量120000m3/h，压力低，约6～11kPa，一般为10kPa，温度30℃左右，管道内煤气的水分含量仍然较高，和前面工艺的脱水塔的脱水效率有关。

示范项目主要用热值较低的高炉煤气，当煤气热值过低时，需要通过补偿加入热值较高的焦炉煤气，以维持平稳发电，所谓的热值在线检测就是检测混合煤气的热值。由于测量对象是工业废气，组份很复杂、不稳定，样气污染物除粉尘外，还有极难处理的焦油，及萘、苯、硫化物等，严重缺乏均一性。故燃气热值在线分析有很严苛的样气处理要求，这无疑会增加设备的制造及维护成本。

2 传统燃烧型热值在线分析系统的技术分析

2.1 燃烧型热值仪介绍

目前废气热值测量方法大多为燃烧法，燃烧法技术的本质是间接测量法，处理干净的一路样气由密度计检测密度，另一路经过定量与空气在燃烧室充分燃烧(大比例空燃比：空气∶燃气=200∶1)，铂电阻测量出燃气燃烧前后的温差，再换算成热值。还要用节流孔板检测样气和空气的流速，将孔板测出的差压信号转化为电信号，通过计算来补偿流速的影响偏差，以保证热值检测的准确度。某公司燃烧型热值仪机柜见图1。

图1 燃烧型热值仪机柜图

燃烧型热值仪的样气处理系统相对复杂，必然造成维护困难、维护量大、维护成本高。机柜外有大尺寸的鼓泡稳压器，单就除尘功能而论，就有三级(40μm、10μm、5μm)，第一级是两个1L容积的并联过滤器交替运行。该样气处理系统为湿法样气处理技术，水洗涤器要使用自来水，二氧化碳因弱溶于水会有所流失，洗涤水中又有溶解氧释放，这两种影响因素，对热值在线分析会形成影响偏差，可能降低热值检测的准确度。所以仪器的校准必须采用外标法予以弥补。表1是常用热值在线分析技术对比表。

表1 常用热值在线分析系统技术对比表

续表1

2.2 燃烧型热值仪的技术小结

(1)燃烧型热值仪的结构相对复杂：大容积的多种样气处理部件，使反应速度慢，维护量大；该产品为非防爆型，取样距离远，仪表间要有强通风和报警安全措施。

(2)湿法样气处理系统的故障率高，维护困难，广义的干扰误差大。

(3)产品运行要消耗大流量的辅助流体、样气和标气：仪表空气3000L/h，样气600L/h，标准气6瓶/年，以及自来水、高温蒸汽等。

(4)只有热值输出信号，没有每个可燃组分含量的信息。

3 TFS热值在线分析系统的研制

在线分析系统有三大技术基础：在线分析仪、样气处理系统和软件技术[1]。新型燃气热值仪应达到以下两点要求：

(1)热值分析仪要求高稳定性，除热值外还应有样气目标组分分析，仪器为防爆型；

(2)样气处理系统要求可靠性高、制造成本低，工程应用少维护；

3.1 可调滤波光谱仪(TFS)的基本原理

TFS由红外测量气室、分光光谱仪(即红外光源)、单一原理的光谱检测器和高端智能化电子线路等组成。分光光谱仪采用法布里-珀罗组件提供特定目标频谱区域高光学展度的高通量、高精度扫描(即扫频)，软件技术的光谱处理法和化学计量学运算法则，得出高准确度和稳定的成分分析结果，降低了多种成分之间因光谱的高度重叠所造成的交叉干扰，同时还有效补偿了由于压力、流速、温度变化所引起的光谱非线性变化，很好实现了抗广义干扰。

根据仪器的基本原理，设计如图2所示的检测装置。

图2 TFS结构示意图

该仪器由光源、分光镜、旋转滤镜片、待检测气室和光强检测器5部分组成，当光源产生的光通过分光镜后，此时的旋转滤镜片会围绕A点旋转，旋转的角度不同从而导致分光镜出来的光的入射角度发生变化，最终影响出射光的波长，达到波长可调制的目的。根据比尔朗伯定律，右端的光强检测器会检测出经过待检测气体吸收后的光强如公式(1)。

Iv=I0exp[-a(v)cL]

(1)

其中：

I0为初始光照强度；

Iv为被检测气体吸收过后的光照强度；

a(v)为吸收系数；

c为样气浓度；

L为检测气室的长度。

依据公式(1)，可计算出被检测出目标气体组分的浓度C，再根据组分浓度计算出燃气热值。使用该种方法可以使TFS的频谱覆盖范围变宽，包括紫外UV、近红外IR等，能够实现多组分高准确度在线分析。检测波段分布见图3。

图3 TFS检测波段

3.2 TFS的主要技术优势[2，3]

(1)II区防爆证书，防护级别IP66，可用于防爆现场。

(2)抗狭义干扰和抗广义干扰的能力强，无线性误差的困扰。

(3)仪器具有高稳定性，克服了烃类组分图谱的重叠性困扰，具有独特的“指纹”特性，在线分析的选择性好。

(4)环境适应能力强，少维护，可以远程操作，恶劣环境也能做到无人值守。

(5)针对C1-C5的工程用途，可作为工业色谱替代方案供选择。

(6)勿需使用载气、燃料气、辅助流体水和高温蒸汽等，后期维护成本低。

(7)热值在线分析的准确度高(在美国验证试验的最大相对误差是0.13%)，同时还能准确分析燃气目标组分的含量(例如C1-C5以及CO、CO2、H2S等)。

4 TFS热值在线分析系统的工程应用实例

CKS-2200型热值在线分析系统采用TFS原理的“271型可调滤波光谱仪(热值仪)”，在线分析甲烷CH4、乙烷C2H6、乙烯C2H4、乙炔C2H2、一氧化碳CO、二氧化碳CO2，氢H2采用热导传感器(0～10%H2)分析，最后由TFS输出热值信号。该型燃气热值在线分析系统外形结构图见图4，仪器显示屏画面见图5。

图4 CKS-2200型煤气热值在线分析系统外形结构图

图5 仪器显示屏画面

CKS-2200型煤气热值在线分析系统在重庆中节能三峰能源有限公司的CCPP-CDQ废气余热综合利用零排放示范项目上开展工程应用，系统安装完成后，首先进行静态调试，再正式投入长周期的工程应用考核，持续了4个多月，仪器运行平稳。运行结果见表2。

表2 热值在线分析系统测量值对比表

从CKS-2200型高稳定热值在线分析系统工程应用考核的初步结果，可得出如下初步结论：本系统具有高端品质的燃气热值在线分析系统，产品结构及工程应用较为先进，可靠性高，抗狭义干扰和广义干扰，防爆设计。在线分析燃气热值之外，又能够同时在线分析燃气目标组分的含量，环境适应性好，工程应用少维护，本系统是燃气热值分析的优选方案。

5 结论

根据目前能源工业发展急需的燃气热值测量，研制基于TFS可调滤波红外光谱检测检测原理的新型工业燃气热值在线分析系统，具有检测精度高、稳定性好，工程应用少维护等优点，废气余热综合项目上为期4个月的运行稳定，相对于传统燃烧型热值检测系统优势较为明显，与同机组的日本横河分析系统的数据吻合度较高，最大相对误差为2.37%。CKS-2200型燃气热值在线分析系统为工业废气综合利用提供了新的解决方案。