火电机组烟气中CO在线测量方法对比研究

郝 剑1,周佩丽2,彭志敏2,丁艳军2

(1. 三河发电有限责任公司，河北 三河 065201；2. 清华大学 能源与动力工程系，北京 100084 )

摘 要:目前火电机组一般采用氧含量作为燃烧效率监测的参考量，而氧含量无法准确反映燃烧过程中风煤的混合情况，且氧含量的测量受空气影响较大，因此，在测量烟气中氧含量的基础上，结合对不完全燃烧产物CO的浓度测量，可提高燃烧效率监测的可靠性。针对目前常用的2种技术路线的CO监测仪进行了对比，即基于非分散红外(NDIR)取样式测量和基于可调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)原位式测量。NDIR取样式测量仪表将取样杆安装于省煤器出口后烟道内部，取样后的气体经过多级过滤、冷凝除水等预处理后进入分析仪进行NDIR测量；TDLAS原位式测量仪表将测量腔体安装于省煤器出口后烟道内部，烟气经过测量腔体前端过滤器后进入测量腔体内部进行TDLAS测量。测量结果表明：火电机组烟气中CO浓度具有变化幅度大、变化速度快等特点，基于NDIR的取样式测量由于取样路径原因导致延时时间长，而且其多级过滤、冷凝除水等预处理装置复杂导致系统维护量大，同时该仪表取样过程中由于气体的吸附或反应特性易引起测量结果失真；而基于TDLAS的原位式测量由于将测量腔体安装于烟道内部，取样路径短，响应速度快，能够及时响应CO浓度瞬时变化，而且该仪表采用一体式结构设计，系统稳定性高，维护量小，同时由于该仪表测量腔体在烟道内部，测量环境与烟道环境一致，可实现高保真测量。

关键词:火电机组；CO浓度测量；可调谐二极管激光吸收光谱；非分散红外；燃烧优化

中图分类号:TK16

文献标志码:A

文章编号:1006-6772(2019)06-0152-06

收稿日期:2019-10-21;责任编辑:张晓宁

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.19102110

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基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFC0201100)

作者简介:郝 剑(1973—)，男，河北大厂人，高级工程师，从事燃煤清洁发电技术研究工作。E-mail:16040113@chnenergy.com.cn

引用格式:郝剑,周佩丽,彭志敏,等.火电机组烟气中CO在线测量方法对比研究[J].洁净煤技术，2019，25(6):152-157.

HAO Jian,ZHOU Peili,PENG Zhimin,et al.Comparative and research on on-line measurement of CO in flue gas of thermal power unit[J].Clean Coal Technology，2019，25(6):152-157.

Comparative and research on on-line measurement of CO in flue gas of thermal power unit

HAO Jian1,ZHOU Peili2,PENG Zhimin2,DING Yanjun2

(1. Sanhe Power Co.,Ltd.,Sanhe 065201,China；2. Department of Energy and Power Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Abstract:At present,oxygen content is generally used as the reference quantity for combustion efficiency monitoring in thermal power units. However,oxygen content can′t accurately reflect the mixing situation of wind coal inthe combustion process,and the oxygen measurement in flue gas is greatly affected by the oxygen in air. Therefore,on the basis of oxygen measurement,and combined with the CO concentration measurement of incomplete combustion,the reliability of combustion efficiency monitoring can be improved.A comparative study of two kinds of CO measuring instruments was carried out,which were realized based on NDIR technology with sampling mode and TDLAS technology with in-suit mode,respectively. The sampling probe rod of NDIR-based with sampling mode instrument was installed in the flue behind the economizer,and the sample gas entered the analyzer for NDIR measurement after the pretreatments which included multistage filtration and condensation and water removal. The measurement chamber of TDLAS-based with in-situ mode instrument was installed in the flue after the economizer,and the flue gas entered the chamber to realize TDLAS measurement after passing through the filter which was installed on the chamber front end. The measurement results show that CO concentration in the flue gas of thermal power units has the characteristics of large variation range and fast change speed. The NDIR-based with sampling mode instrument has a long-time delay due to the sampling path,and it has the shortcoming of large maintenance because of the complex pretreatment such as multi-stage filtration,condensation and water removal,at the same time,the measurement results are easy to be untrue due to the adsorption or reaction characteristics of the gas during the sampling process. The TDLAS-based with in-suit mode instrument is able to respond to the instantaneous change of CO concentration in time due to the short sampling path and fast response speed when the measurement chamber is installed in the flue,and the instrument adopts the integrated structure design,which has high system stability and small maintenance,at the same time,the instrument can realize the high fidelity measurement because the measurement chamber is installed in the flue which can ensure that the measurement environment is consistent with the flue environment.

Key words:thermal power units；CO concentration measurement；TDLAS；NDIR；combustion optimization

0 引  言

燃烧过程中生成的CO含量是判断燃烧是否充分的重要参数，也是检测大气污染的重要指标之一[1]，对锅炉内燃烧工况的监测和控制具有重要意义。目前锅炉主要通过监测烟气中氧含量来判断燃料的送风比例是否恰当、是否充分燃烧，而氧含量只能反映炉膛总体过量空气系数，无法准确得到空气和煤粉混合状况，同时由于空气中氧含量的影响，使监测的氧含量难以精确表征锅炉燃烧情况。不完全燃烧产物CO含量可直接反映燃料的燃烧情况，且在低氮燃烧中，虽然降低了氮氧化物的生成，但由于缺氧燃烧造成CO浓度急剧增加，加大了不完全燃烧的热损失。因此在氧含量测量的基础上结合CO在线测量，可提高燃烧效率监测的可靠性和准确性。

目前市场上CO气体检测仪表种类繁多，其技术原理主要包括电学法[2-4]、电化学法、化学法、气相色谱法和非分散红外法。电学法利用与气体浓度有关的电学性质设计，具有稳定性强、电路简单易行等优点，但存在寿命较短、辨气体能力差等问题。电化学法根据氧化反应或还原反应设计，其优点在于通用性好、技术成熟、操作简单、便于携带，可实现低浓度测量，但无法对未知气体进行定性分析，传感器寿命较短且不可超量程测量。化学法采用燃烧原理，通过测量燃烧过程中释放的热量检测气体浓度，该方法存在其他可燃气体的干扰。气相色谱法根据不同气体通过色谱柱的速度差异原理设计，灵敏度高，可靠性好，其缺点是系统复杂，须采用准确的分析方法，选择合适的操作条件和操作技术，且需要多次重复试验，不适合在线监测[5-6]。

目前火电机组烟气中CO监测仪表主要采用非分散红外(non-dispersive infrared，NDIR)原理结合取样式测量，但非分散红外在测量时需要全程伴热和冷凝，测量系统复杂，维护量较大，且还存在较大的延时，难以及时响应烟气中CO浓度的快速动态变化。与基于NDIR的CO监测仪表不同，可调谐二极管吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)作为一种新兴的光谱测量技术，其采用窄带激光扫描待测气体分子吸收谱线，可消除其他气体成分的干扰，具有极高的波长选择性和灵敏度，已成为气体在线监测技术的重要发展方向。本文拟基于TDLAS测量原理研发可适用于火电机组CO原位在线监测设备，并将其与传统的NDIR取样式CO仪表测量结果进行比较。测量结果表明，基于TDLAS的原位取样式仪表测量灵敏度高，响应速度快，适用于火电机组CO浓度波动剧烈的特点，其测量环境与烟道环境一致，可实现高保真测量，同时本文在此基础上初步提出了基于CO测量的锅炉燃烧优化控制策略。

1 NDIR和TDLAS测量方法对比

1.1 NDIR测量方法

非分散红外测量原理如图1所示，利用红外光通过待测气体时气体分子对特定波长的红外光吸收作用实现气体参数的测量，其吸收关系满足Beer-Lambert定律，透射光强随浓度和长度按指数规律衰减。基于NDIR原理的烟气分析仪一般采用传统抽取测量方式，其测量装置主要包括烟气预处理装置、光源、滤光片、测量气室、参比气室、探测器和数据处理单元。烟气经过取样探头前端的过滤器滤除粉尘，以降低粉尘对测量的影响；然后，经过预处理装置的伴热、冷凝等后进入测量气室；最后光源发出的光经过滤光片选择后，透过测量气室被气体吸收后的信号作为透射光强，经过参比气室后的信号作为参考光强，数据处理单元通过对测量气室和参考气室的探测器信号进行处理得到待测气体浓度[7-11]。

图1 非分散红外技术测量原理
Fig.1 NDIR measurement schematic diagram

基于NDIR技术的烟气CO浓度监测仪一般选用4.6 μm波长附近的强吸收谱线，该波段谱线吸收强度较高，但由于该技术采用广谱光源测量，对预处理要求较苛刻，在仪表使用过程中存在以下问题：① 为避免烟气中H2O分子对测量谱线的干扰以及对测量仪表模块的影响，需在取样过程中做冷凝处理，取样过程复杂，维护量大；② 取样路径的存在会造成测量延时，无法及时反映烟气中CO浓度的快速变化过程；③ 经预处理后的气样中残留的水汽会造成气室镜片污染，需经常擦拭；④ 在取样过程中，传统的抽取测量方式由于气体的物理化学特性会出现化学反应及吸附现象，易改变样气成分，造成测量结果失真，无法实现高保真测量。

1.2 TDLAS测量方法

TDLAS测量方法是利用窄带激光扫描待测气体分子的特征吸收谱线，具有无需预处理、选择性强、灵敏度高、响应速度快等优点。该技术作为吸收光谱的一个分支，遵循Beer-Lambert定律，通过分析被气体分子吸收前后激光光强的变化得到气体的温度、压强和浓度等参数，其原理如图2所示。频率为v的激光穿过被测气体介质时被气体选择性吸收，透射光强It和入射光强I0满足Beer-Lambert定律，其表达式[12-16]如下：

(1)

式中，τ(v)为激光透射率；I0为入射光强；It为透射光强；P为气体压力；X为气体浓度；L为激光在气体中传输距离，即吸收光程，cm；S(T)为气体吸收谱线的线强度，仅与气体温度T有关；α(v)为气体吸收率，α(v)=PS(T)XLφ(ν)，φ(ν) 为线型函数，在整个频率上线型函数满足φ(v)dv=1，cm。

图2 Beer-Lambert定律示意
Fig.2 Beer-Lambert law schematic diagram

TDLAS自提出以来，形成了以直接吸收光谱技术和波长调制光谱技术为主的2种主要测量方法。直接吸收光谱技术根据Beer-Lambert吸收定理，通过透射光强和入射光强的比值直接拟合气体吸收率函数，拟合得到的气体吸收率函数不仅包含气体温度、浓度和压力等，而且还可根据其确定特征谱线的光谱常数。因此，直接吸收光谱技术具有物理概念清晰、操作简单、可直接测量气体温度、浓度和压力等优点。但随着TDLAS的发展以及对气体检测精度和灵敏度要求的提高，尤其是越来越多的恶劣环境出现在实际测量中，传统的直接吸收光谱技术在测量中由于易受到颗粒物浓度、激光强度波动和高压下谱线重叠等因素的影响，无法精确拟合气体吸收率函数，进而导致测量误差甚至出现错误的测量结果。另外，直接吸收光谱技术一般只能在强吸收条件下应用的缺点也制约了其进一步发展，如在峰值吸收为1%的弱吸收测量中，1%的基线拟合误差可能会引起100%的浓度测量误差[17-18]。为了提高TDLAS的测量精度和灵敏度，解决恶劣环境以及弱吸收条件下气体温度、浓度和压力的测量难题，20世纪80年代，Reid将波长调制光谱技术引入到TDLAS测量系统中。波长调制光谱技术的优点在于：测量过程中通过对目标信号进行高频调制，而非目标信号由于没有经过调制在后续的谐波检测过程中被除去，因此可有效降低测量系统中背景信号的干扰，提高TDLAS的测量精度和灵敏度[19]。

基于TDLAS的CO监测仪采用波长调制光谱技术结合原位测量方式实现，其测量方案和仪表结构如图3所示，主要包括激光发射接收单元、测量探杆和数据采集处理单元。整个测量腔安装在烟道内部，其主要部件包括镀金反射镜、滤芯以及烟气预处理系统等，在抽气装置作用下，烟气经过定制滤芯过滤后进入测量腔。激光二极管在激光器驱动器作用下，发出波长2 326.83 nm的激光，激光经过准直器准直后入射到测量腔中，到达测量腔顶端被角锥反射镜反射后再次经过待测烟气，透射光强被发射接收单元中光电探测器接收并转化为电信号，并传输至数据采集处理单元进行谐波检测和浓度反演。

图3 基于TDLAS的CO监测仪表结构示意图
Fig.3 Structure sketch of CO monitoring instrument based
on TDLAS

本文CO监测方法采用TDLAS中的波长调制法(WMS)，利用4次谐波信号进行测量，通过调节激光控制模块的温度和电流，使激光二极管发出2 326.82 nm波长的激光，并调节加载于激光控制模块的正弦信号幅值和频率，使激光二极管发出的激光在谱线中心频率处实现波长调制。测量中由FPGA控制D/A产生1.25 kHz的正弦信号，一路对激光二极管进行调制，另一路进行A/D采集作为锁相检测的参考信号，同时FPGA控制A/D采集光电探测器信号作为锁相放大器的测量信号，FPGA将采集的信号送入DSP进行锁相检测。锁相检测时，为了去除参考信号噪声，对参考信号进行FFT得到其初始相位角，同时内部产生与参考信号同相位的4倍频数字信号与测量信号相乘、低通滤波后得到4次谐波信号。

与基于NDIR原理的取样式CO监测仪相比，基于TDLAS原理的原位式CO监测仪表具有以下优势：① 测量精度高、响应速度快。该仪表采用原位测量方式，取样时经过滤芯过滤有效去除烟气中杂质，提高激光透过率、信噪比和测量精度，烟气流经路径仅为几厘米，测量腔内气体更新速度快，测量温度与烟道中烟气温度一致，不会因为温度变化导致烟气组分改变，可实现快速动态测量，适用于CO剧烈波动的特点。② 系统稳定性高，维护量小。激光发射接收单元安装在测量腔体外侧的法兰上，入射光束到达腔体前端后通过自行设计加工的高精度角锥反射镜返回，该反射镜不仅反射率高、耐高温、耐腐蚀，可消除光路中激光干涉等因素的影响，还可确保反射光束与入射光束平行且不会因为腔体变形、机械振动、反射镜位移而发生光路改变。同时，该方法不需要对烟气进行伴热和冷凝等预处理，并设有定时反吹管路，系统简单，维护量小。

2 TDLAS与NDIR测量结果

将基于TDLAS技术的原位式CO在线监测仪安装于省煤器后竖直烟道中，测量浓度通过2～20 mA模块传输至DCS，与现有的基于NDIR技术的CO在线监测仪数据进行对比。图4为基于TDLAS的CO监测仪连续93 h的测量曲线，可以看出，CO测量结果与氧含量具有很强的相关性，当氧含量大于3.5%左右时，CO浓度很低，在20×10-6～30×10-6范围内波动；当氧含量低于3.5%左右时，CO含量急剧增加。由于氧含量测量误差较大，因此通过测量结果对比可以看出，单纯依靠氧含量对风量进行调节易偏离最佳燃烧工况，而将CO与氧含量测量结果相结合调节风量，则可得到更优的燃烧效率。由图4可知，烟气中CO浓度波动剧烈。

图4 基于TDLAS原理的CO监测仪表连续测量结果
Fig.4 Continuous measurement results of CO monitoring instrument based on TDLAS

图5为基于TDALS技术和基于NDIR技术的测量数据的局部放大图，其中NDIR仪表取样路径约为70 m。可以看出，当氧含量降低后，NDIR仪表的CO测量峰值比TDLAS仪表的CO测量峰值出现时间延时约50 s。

图5 NDIR与TDLAS两种测量方法结果对比
Fig.5 Comparison result of NDIR and TDLAS

3 基于CO测量的燃烧优化控制策略

在锅炉的燃烧控制中，首先根据风煤比确定总风量，再根据当前最佳氧含量设定对总风量进行闭环校正。为防止在燃烧过程中氧含量过低造成CO急剧增加，可基于CO测量值，对氧含量设定值进行进一步闭环校正，本文提出的控制策略如图6所示。

由于CO波动剧烈且变化幅度很大，因此不宜直接采用PID算法对氧含量设定进行闭环校正。本文建议采用基于CO测量氧含量校正的模糊算法，即根据过去30 s的CO测量平均值与CO限制之间的偏差大小，给出下一步氧含量设定值的调整幅度、校正系数以及控制周期，调整参数需要根据不同锅炉机组的燃烧特性并结合现场试验确定，目前基于该原理的燃烧控制正在现场600 MW机组上进行。

图6 基于CO测量的燃烧优化控制策略
Fig.6 Combustion optimization control strategy based on CO measurement

4 结  论

1)NDIR仪表采用取样方式进行测量，TDLAS仪表采用原位方式进行测量，烟气中CO浓度具有波动剧烈的特点，NDIR取样式测量仪表存在测量延时，对比结果显示，实际测量在70 m取样路径下比TDLAS原位测量仪表延时约50 s，TDLAS测量仪烟气更新速度快，可更快速地得到测量数据，更适用于火电机组CO波动剧烈的特点。

2)NDIR仪表取样系统相对复杂，冷凝处理后烟气中残留的水分易污染测量镜片，引起测量误差，需要后期经常擦拭，维护量大，且取样过程中由于气体的物理化学特性会出现吸附或化学反应，进而造成测量结果失真；而TDLAS仪表直接将测量探头安装在测量烟道内部，烟气经过滤后进入测量腔体，测量环境与烟气环境一致，可实现高保真在线监测，且测量系统相对简单，机械结构具备高稳定性光路，不仅消除了激光干涉，且在机组启停炉时光路可自行恢复，后期维护量较小。

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