烟气在线监测系统应用及异常分析

张 玲

(国电宿州热电有限公司，安徽 宿州 234000)

随着工业的发展，环境受到的污染越来越严重，尤其是由电厂燃煤机组排放的含硫量较高的烟气造成的污染。为降低烟气中SO2的含量，烟气脱硫必不可少。某公司4号机组采用南京龙源环保有限公司引进美国环境技术公司(EEC)的循环流化床干法脱硫工艺流程，烟气经吸收塔反应后有效降低了SO2含量，再经布袋除尘后排入大气。

烟气在线监测(CEMS)系统由在线分析仪、预处理、在线数据采集系统、热控设备及DCS组成。监测数据用于脱硫工艺控制以及上传至环保监测。

1 烟气分析系统

1.1 采样单元

采样单元采用直接抽取加热法，由探头、碳化硅陶瓷过滤器、电加热管、法兰、支架、防雨罩以及反吹系统和采样管等配套装置组成。

取样管线由聚四氟乙烯管、电伴热加热带、保温层及外防护层组成。取样管线采用PT100铂电阻测温，通过温控器控制加热温度。设定加热温度为140 ℃，以保证样气温度高于露点，防止因水蒸气凝结而吸附硫化物，堵塞管道。

1.2 样气预处理单元

烟气经过采样探头、电加热采样管线和除水过滤器，由取样泵抽取至分析仪进行分析。由于样气的压力、温度、流量不稳定，且含水、含粉尘，不能满足仪表分析的要求，所以需对样气预处理。在预处理过程中，通过探头过滤器(2 μm孔隙)完成除尘，通过压缩机冷凝器对样气快速冷凝，通过蠕动泵将冷凝水排放来除水。制冷器的控制温度设定在0～6 ℃，调节旁路针型阀控制样气流量为1.0～1.5 L/min。在制冷器后端安装湿度传感器，用以检测压缩机冷凝器是否正常。

1.3 分析单元

用多组分红外气体分析仪UL23对样气中所含气体组分进行分析。用红外法来分析SO2，NOX，用电化学法来测量O2含量。红外法的原理是光谱吸收法，当红外光的频率与待测气体的特定频率一致时，待测气体将吸收红外光谱相对应的辐射能。

当分析机柜操作面板上的“测量/维护”按钮抬起时，系统处于维护状态，操作人员可对系统进行有关的维护测试。当“测量/维护”按钮按下时，系统处于测量状态。通过PLC控制自动测量，可完成相应的流路切换、泵运行及空气标定零点、吹扫的功能，也可手动标定零点及吹扫。分析仪量程对被测组分的气体进行标定，并确保气体流量在1.5 L/min左右。

2 烟尘及流量监测系统

2.1 烟尘监测系统

烟尘监测系统的测量原理是：一束平行的自然光经过介质(烟气)时，由于介质对光的吸收、反射、折射，使光强衰减，衰减的大小与介质有关，这种衰减关系符合“朗伯—比耳定律”，从而求出介质浊度；并根据分段逼近法，改变电除尘的操作条件，近似求出粉尘的含量。

烟尘监测系统由收发单元、反射单元、控制单元和反吹单元组成。其中需要注意保持反吹单元的风机处于运行状态，它的作用是保护透镜，防止灰尘和腐蚀物接近透镜，也能起到降温的作用。

2.2 流量监测系统

皮托管通过动压和静压与烟气的流速成比例的关系来测量定点流速。

式中：Vs为烟气平均流速；Kp为皮托管的修正系数，约为0.9；Pdi为烟气差压。

式中：Qs为湿烟气的平均流量；F为烟道的横截面积。

式中：Qsn为标准状况下干烟气排放量；Ba为大气压力；Ps为烟气静压；Ts为烟气温度，由热电阻示值可知 ；Xsw为烟气湿度，由湿度仪示值可知；Ba+Ps由压力变送器示值可知。

通过以上3个公式可求得标准状况下烟气的平均流量，即烟气排放量。

3 数据采集处理系统及其他接口

3.1 数据采集处理系统

数据采集处理系统由PLC、软件包、计算机和打印机组成。数据采集处理系统所有控制点和输入输出信号都要经过PLC处理再通过软件包传送到DCS、环保部门和电监会。

烟气连续监测系统软件，是数据采集处理系统的软件包，是根据国家环保标准开发的，用于烟气连续监测的数据采集和数据处理的软件，可实时显示整套烟气监测系统的各项污染物参数的数值和整套系统的运行状况，直观显示烟气的排放污染物浓度，并且根据有关标准和方法筛选、计算和统计数据，按照环保报表的格式自动生成日报表、月报表及年报表。

3.2 与脱硫设施实时监测系统的接口设计

图1为烟气在线监测系统与脱硫设施实时监测系统的连接框图。

图1 烟气在线监测系统与脱硫设施实时监测系统连接框架

该燃煤发电机组脱硫设施实时监测系统是安徽省节能调度的一个子系统。电厂端可将采集的数据通过2种方式上传至省调脱硫监测中心数据库进行处理和存档：

(1)电厂端CEMS数据由新增工控机使用TCP/IP协议上传至省调生产网络2区脱硫监测系统。

(2)电厂端现场脱硫设施的监测信号(如电流变送器、压力变送器、挡板开度等信号量)直接通过RTU设备，上传至省调生产网络1区中心数据库，由省调转发至生产网络2区脱硫监测系统。

4 异常情况分析

4.1 旁路烟道挡板开启后SO2值异常

4.1.1 现象

2010-12-18T09：18，由于机组脱硫设备维修，脱硫系统停运，甲、乙旁路挡板门开启，理论上此时出口SO2值应与未脱硫时的值，即与入口SO2值大致相同。但是实际上出口SO2值只有400 mg/m3，远低于入口值1 032 mg/m3，而入口和出口的O2值正常，为7 %左右，如图2所示。

图2 旁路烟道挡板开启后SO2变化曲线

4.1.2 检查处理

经过检查分析，初步判定SO2曲线在脱硫停运期间异常波动原因与净烟气挡板、原烟气挡板以及旁路挡板开关时间有一定关系。图3为挡板门开度曲线图。由图3可看出，原烟气挡板在10:06左右关闭，11:40左右开启。而净烟气挡板在10:57左右才关闭，11:39左右开启。旁路挡板则是在09:18左右开启，12:36左右关闭。

图3 挡板门开度曲线

从SO2浓度曲线图上可看出，SO2在09:58开始下降，直到12:01降到最低值，然后开始上升，此后，SO2曲线恢复正常。

由此推断，09:18旁路挡板开启后，由于烟气有一部分走旁路烟道，SO2浓度上升；10:06，脱硫原烟气挡板门关闭而净烟气挡板没有关闭时，由于脱硫塔里仍有石灰粉，而且没有新的烟气进入脱硫塔，脱硫塔里残余烟气的SO2浓度会持续降低，甚至到0。但此时由于净烟气挡板门开启，残余烟气会流入到脱硫出口探头处参与测量(脱硫出口取样点位于混合烟道侧面的中部，与脱硫出口烟气在同一侧，旁路烟道位于混合烟道的另一侧)，造成SO2浓度降低。10:57，净烟气挡板门关闭，而密封风机由于停电未能开启，从脱硫塔出来的部分残余烟气及烟气测量的滞后效应，再加上在11:39开启的净烟气挡板造成的影响，可能使脱硫出口探头处的SO2浓度到12:00左右降到最低。随着旁路挡板的关闭，净烟气探头处的SO2浓度渐渐恢复到正常水平。

4.2 进口SO2值偏低

4.2.1 现象

2011-02-19，脱硫系统进口SO2值持续偏低，最低达到160 mg/m3，且仪表入口处的保护过滤器积水严重，抽取样气流量较小，低于1.0 L/min,调节流量控制针型阀后效果不明显。O2值正常，为7 %～8 %。

4.2.2 检查处理

检查压缩机冷凝器、排液蠕动泵、制冷器的控制温度(设定在0～6 ℃)、取样泵、取样管线加热均工作正常。关断探头加热器电源，对取样探头进一步进行检查，发现探头滤芯(2 μm孔隙)积灰严重。用压缩空气对探头滤芯进行吹扫后，样气流量、SO2值恢复正常。

4.3 铅封异常断开

4.3.1 现象

2011-02-19，脱硫系统甲、乙旁路挡板门在没有开启的情况下铅封断开。

4.3.2 检查处理

首先检查甲、乙旁路挡板门开度反馈曲线图，发现甲、乙旁路挡板门开度存在波动，且频繁波动持续时间在1 h左右。甲旁路挡板门最大波动开度为5.32 %，乙旁路挡板门最大波动开度为6.76 %，由此可以判断回路中有干扰信号。进一步检查控制回路，发现甲、乙旁路挡板门开指令信号线的屏蔽线断开，证明确实有干扰信号，使挡板门产生波动并最终导致铅封断开。恢复断开的屏蔽线后，甲、乙旁路挡板门恢复正常。

4.4 出口SO2值偏低

4.4.1 现象

2011-02-23，脱硫系统出口SO2值持续偏低，最低达到17.60 mg/m3；抽取的样气流量偏低，仪表入口处的保护过滤器无积水现象，O2值正常。

4.4.2 检查处理

检查压缩机冷凝器、排液蠕动泵、制冷器的控制温度(设定在0～5 ℃)、取样泵、取样管线加热均工作正常。关断探头加热器电源，进一步对取样探头进行检查，发现探头滤芯(2 μm孔隙)积灰、腐蚀严重。

用压缩空气对探头滤芯进行吹扫后，样气流量、SO2值依然没有恢复正常，决定对探头滤芯进行更换。更换探头滤芯后各参数恢复正常。

4.5 自动维护吹扫后出口SO2值偏高

4.5.1 现象

2011-03-05T05:22和17:22，脱硫出口在自动维护吹扫后的一瞬间SO2值突增，采取各种调整措施均无效果，持续1～2 h后恢复正常，导致脱硫效率下降甚至不合格，而O2含量在整个过程中正常，为7 %～8 %。这种现象连续几天出现。参照出口SO2变化曲线如图4所示。

图4 出口SO2变化曲线

4.5.2 检查处理

首先检查CEMS显示屏主菜单中的各项参数的测量值，发现SO2的V(T)值为264 508，数值偏低，说明气室轻度污染(出厂设置500 000)，灵敏度降低，测量值滞后。检查保护过滤器，发现保护过滤器中有积水、油污现象，说明进入分析仪的样气含有水分。检查取样管线，发现伴热管线在距分析仪入口10～15 m处断开，这导致取样管线中的水汽不能被充分蒸发，烟气中的部分SO2被吸附在管壁上，又在自动维护吹扫的过程中被带入分析仪的气室参与分析，使SO2测量值增加。

由于气室轻度污染，灵敏度降低，致使分析仪输出的SO2值变化滞后，恢复正常缓慢。分析仪设置为4 h自动校零点1次，12 h自动吹扫1次，这导致每隔12 h SO2值突增1次的现象出现。

检查中还发现，显示屏上有一项对O2传感器状态的维修报警信息：sensor capacity low。根据显示的信息，可以判断O2传感器已老化。在检查过程中，测量元件的电压已下降至5.36 mV，低于要求维修的最小值6.0 mV，因此发出了M(维护请求)。如果电压下降至5.0 mV时，测量元件将会发出F(故障)信息。因此，将UL23气室返厂维护，并更换取样管线，提高加热温度，更换电池。另外，对UL23多组分红外气体分析仪每天手动通空气校对零点1次，以消除零点漂移大的问题。