摘要：天然气低位热值及其密度是三菱M701F4型燃机自动燃烧调整系统（A-CPFM）中重要的输入信号。其信号在我厂是由两台热值仪进行测量，但在使用过程中出现很多缺陷，需要进行改进及优化工作。在测量天然气流量使用的色谱仪中具有低位热值及密度，为此对测量系统进行了优化，从而舍弃了原热值仪，对于同类型电厂的设计和使用具有借鉴意义。
关键词：M701F4型燃机；低位热值；色谱仪；热值仪；A-CPFM
中海油珠海天然气发电有限公司于2011年11月3日成立，2014年9月投产发电，现有两套2×460MW（三菱M701F4改进型）燃气-蒸汽联合循环热电联产机组。
燃机燃烧调整分为两种，一种是在首次投运或大修结束后进行的燃烧调整，主要对燃空比进行较大修改以适应机组的稳定燃烧。另一种是A-CPFM (燃烧室压力波动自动调整系统），可以在运行中进行的自动修正，从而稳定燃烧。
天然气的低位热值和密度是A-CPFM系统的重要输入信号，在A-CPFM系统中要求的低位热值和密度为一个大气压下0℃的计算值，用来计算天然气的华白指数（热值与密度的平方根之比，衡量燃气的互换性），燃机A-CPFM系统会根据计算结果进行燃烧修正，使燃料华白指数的变动控制在±5%范围内。如果燃料的华白指数偏差大则会影响机组的燃烧稳定性，严重时还可能发生燃烧振动，威胁机组的安全稳定运行。
公司所用气源为荔湾气田的海气，其天然气的组成成分时刻会有不同程度变化。这就需要一个可靠的低位热值和密度参数对燃机的自动燃烧调整提供有力的支撑，保障燃机的运行稳定。
原热值仪为东方随主机组采购，每套燃机配置两套热值仪，型号为阿尔斯通Q1，输出值为一个大气压，20℃时的低位热值和密度。与三菱燃机要求的低位热值和密度为一个大气压下0℃的计算值不符。
1技术创新概况
利用热值仪和色谱仪的相同功能，创造性地把热值仪取消，把色谱仪的低位热值及密度信号通讯至燃机A-CPFM系统，从而使燃机根据天然气组分的实时变化进行自动燃烧调整，保证燃机燃烧的稳定性。
图1方案示意图
色谱仪是否有信号输出以及信号通讯协议是否一致是这次改造成功与否的关键点。在线色谱仪的基本功能是分析管道内天然气的组分，知道天然气组分后，其物理性能比如热值，压缩因子，密度等能够按相应的标准进行计算得出。主要的参照标准是欧盟ISO6976标准、美国AGA8标准及中国GB/T11062-1998。
色谱仪因输出组分等信号较多，一般采用通讯串口RS485协议进行通讯，但是有设有8个4-20mA接口，与二次表通讯协议一致，故色谱仪可以与燃机控制系统直接进行通讯。
2 色谱仪测量原理
2.1 色谱仪的原理简介
气相色谱分析仪通常包括三个主要部分：分析设备、GC控制器和采样调节系统。通过安装在调压站中的采样减压阀将天然气采集出来，称为样品气体。样品气体通过采样线路到达采样调节系统并在那里得到过滤或其它形式的调节。然后，样品气体将流向分析仪进行分离和气体成分的检测。在分析仪中将样品气体分解成不同的组分。
2.2 组分分离
一些体积非常精确的样品气体被注入到设备的某一个分析柱中。分析柱中包含有填充剂，该填充物可能是活性固体（吸附分离）或周围附有液相而中心有着固体支撑（吸附分离）。检测气体通过载气流过色谱柱。样品中不同成分不同的滞留期会造成气体的不同组分以不同的速度在该色谱柱中流动。这样，样品便被分离成不同成分的气体和蒸汽。
图2色谱仪系统
图3 在色谱柱中的分离原理
2.3 分析仪
分析仪探测器子系统是一个热导型探测器，它是由一个平衡桥接网络（惠斯通电桥）与桥的每个腿上装有的热敏的电热调节器组成的。每个热敏电热调节器都被封装在一个单独的探测器腔中。其中一个电热调节器被指定为参照单元，而其他为测量单元。在静止的条件下（注入样品之前），桥接的两条支腿都被浸在纯净的运载气体中。在这种条件下，该桥接是平衡的，桥接的电子输出为零。
图4 分析仪桥接电路
在采样阀将一定量的气体注入到柱体后。样品在持续流动的运载气体的推动下流经柱体。当不同的组分连续地从柱体中排出后，测量单元中的温度则会发生变化。温度的变化会破坏桥接的平衡，并根据组分浓度的变化产生对应的电信号输出变化。两个电热调节器之间产生的信号差通过前置放大器被放大。电压信号被转换成一个4~20mA的电流回路，然后被传送到GC控制器中。从前置放大器输出的信号被送到GC进行计算。
2.4计算
通过检测得到天然气组分后，参照欧盟ISO6976标准、美国AGA8标准及中国国标（GB/T11062-1998）标准计算，其物理性能比如热值，压缩因子，密度等。（具体计算略）
3 项目实施
3.1 取消热值仪小屋。小屋内包括热值仪一次仪表、低氧检测器及报警装置、电源接线箱、分配箱等。保留热值仪二次表仪表柜，利用原有二次表电源模块和原有端子排及安装导轨。
3.2 将色谱分析仪的热值信号传输到原热值仪信号通道，并对信号进行测试。
图5 改造示意图
3.3利用一分四的信号分配器，将色谱分析仪检测的热值信号和密度经过信号分配器，送给原热值仪信号通道。信号分配器安装在原有导轨上，电源采用原热值仪二次表电源模块的24V电压，无需新增电源模块。
图6 优化改造图
3.4 铺设色谱分析仪至原信号通道的新增电缆。
3.5 色谱分析仪的模拟量输出模块只有两个通道可以被定义，根据需要取消N2和CO2的输送，只保留低位热值和密度。
3.6 利用IP地址与笔记本通讯，读取卡件信息，通过配置软件定义卡件类型、相关点名、量程、计算环境等。燃烧调整实际需要低热值的输出为一个大气压，0℃的计算值，而热值仪实际输出为一个大气压，20℃，经过重新定义，提高信号准确性。
3.7软件配置完成，硬接线回路处理完成，查看燃机TCS控制系统接收数据是否正常，进行回路测试。
4实施效果及经济效益
通过改造，把色谱仪中低位热值及密度测量信号传输到热值仪中，进而改变信号传输质量，提高信号的准确度，实施后低位热值组分等参数传输准确可靠，应用效果十分明显，数据传输可靠性由改造前的不到60%提高到99%以上。
图8图9为在SIS（厂级监控系统）采集的历时数据，采集参数分别为：低位热值、密度和甲烷。
图7 标定报告
图8 改造前
图9改造后
投入的成本：所有电缆和两个信号分配器为仓库备件，除开人工成本，共计成本约0.09万元。
经济效益：由于阿尔斯通Q1型热值仪已经停产，要是按照采购阿尔斯通新版Q2型热值仪计算，采购一台热值仪费用约20万元，一台燃机配备两台热值仪，两套燃机共节省采购费用80万元。
5结语
通过对低位热值信号的技改节省了热值仪的采购维护费用，可以取消在同类电厂热值仪的设计，节省不必要的投资，如果对安全可靠性要求较高，可多设计一台冗余色谱仪。从而舍弃原热值仪的所有组件，优化设备结构，值得新建电厂借鉴，对在役电厂的技术相关技改也有重要的借鉴意义。
参考文献
[1]作者：朱小良 方可人 热工测量及仪表[M] 中国电力出版社2011.06年第三版，72-73页
本文作者：
王宏伟 中海油珠海天然气发电有限公司 职务：热工副主任联系方式wanghw13@cnooc.com.cn
论文作者:王宏伟
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/19
标签：热值论文; 信号论文; 色谱仪论文; 低位论文; 组分论文; 密度论文; 天然气论文; 《电力设备》2019年第8期论文;