火电厂烟道流场测试断面优化试验研究

【摘要】本文以江苏省装机容量300MW以上火电厂为例，分析其CEMS流速测量现状，就烟气流速比对合格率低的问题展开分析，提出一套多点监测烟气流量的测量方法，可明显提高测量精度，取样具有更好的代表性，能够满足运行监控和环保监测精度的要求。

【关键词】火电厂 流场 优化

长期以来，我国能源消费结构中煤炭一直处于主导地位，占能源总量的70%左右l。燃煤产生的二氧化硫（S02）、氮氧化物（NOx）是造成大气污染的主要污染物，也是国家“十二五环保规划”中实行总量控制的主要污染物。燃煤电厂是耗煤大户，也是烟气污染物的排放大户2。因此，对燃煤电厂污染物排放情况实行在线监测十分必要。

烟气连续排放检测系统（简称CEMS）正是在这一背景下应运而生，经过环境监测机构比对监测合格并正常运行的CEMS系统，其出具的数据可以作为排污申报核定、排污许可证发放、总量控制、环境统计、排污费征收和现场执法等环境监督管理的依据3。

目前，江苏省装机容量300MW以上火电厂都已安装CEMS，主要监测因子有颗粒物、气态污染物（含S02、NOx等）和有关排气参数（含氧量、温度、湿度和流速流量等），监测数据与环保部门联网，实时传送。按照《固定污染源烟气排放连续监测技术规范》（ HJ/T 75-2007）要求，CEMS测定位置应避开烟道弯头和断面急剧变化的部位，当安装位置不能满足要求时，应尽可能选择在气流稳定的断面。但大部分电厂的CEMS在实际安装过程中受条件限制，很难满足要求。监测断面流场不稳定的情况下，惯性运动导致烟气流速分布不均匀，很难选取有代表性的取样区域，且火电厂CEMS烟气流速测量均为单点取样，因此，比对合格率较低，影响主要污染物总量减排实时统计工作。

本文就烟气流速比对合格率低的问题展开分析，采用计算流体动力学软件Fluent对烟道流场进行模拟分析，找出高中低流速区域分布，用多点监测烟气流速的测量方法，提高测量精度，并通过手工监测来验证模拟结果，为CEMS取样点的设置提供参考依据。

一、江苏省300MW以上电厂CEMS流速测量现状调查

为进一步加强对重点污染源的监督管理，及时了解和掌握重点污染源污染物排放情况，为主要污染物总量减排、环境统计、污染监督等环境管理重点工作提供基础数据，江苏省环境监测中心根据环保部相关文件的要求，对全省300MW以上火电厂开展了监督比对监测工作。

201 1年全年江苏省环境监测中心实际完成412台次机组比对测试工作，烟气流速的合格率仅为20.4%～36.50/0，烟气流速合格率处于较低水平。

烟气流速合格率偏低，主要是电厂的CEMS在实际安装过程中普遍受条件限制，不能完全满足《固定污染源烟气排放连续监测技术规范》的要求，如安装位置没有完全避开烟道弯头和断面急剧变化所产生的影响，存在所测断面气体流量变化大，有气体湍流影响的问题，由于CEMS烟气流速为皮托管单点法测量，其测量值代表性较差，且对仪器维护要求相对高，直接影响烟气流量测量的准确性。

二、多点监测烟气流量测量方法

由于流速场分布不均导致同一监测断面存在高中低流速区域，在不同负荷工况条件下高中低流速区域也不同，皮托管单点法流速测量很难找到固定的取样代表性区域。笔者在研究目前主流的烟气流速测量手段的基础上，结合电力企业现有的技术条件，提出一套符合运行监控和环保监测精度要求的流量测量方法，即多点监测烟气流量的测量方法，以满足运行监控和环保监测精度的要求。

多点监测烟气流量测量方法是指在烟道断面具有代表性流速区域进行布点而实现多点监测，通过各测点流速值进行算术平均后输出烟道断面平均流速，根据烟道结构、风量、烟温等边界条件，通过Fluent软件对烟道流场进行模拟分析，获取监测断面流速分布区域。根据Fluent软件模拟分析的烟道断面高、中、低流速区域作为布点依据，在将在线流速监测设备安装在相应的流速区域并获得断面平均流速的一种方法。

2.1 现场示范点

对南京化工园某电厂4号烟囱入口流场模拟分析结果，在4号烟囱人口烟道断面布设多台烟气流速仪，并通过手工比对对多点监测烟气流量测量方法的准确性进行验证。依据Fluent软件模拟分析得出的烟道流速分布区域，在高、中、低流速区域进行布点，流速测量设备选用南京埃森环境技术有限公司生产的VPT511BF-A在线流速测量设备，在水平烟道上布置了5个监测点位，监测点分布情况如图1所示。

图l多点监测烟气流量测量方法现场布点情况

2.2 手工比对测试及评价依据

采用S型皮托管进在环保测试孑L上进行监测，与多点监测烟气流量测量方法测得的平均流速进行手工比对，比对依据参考HJ/T75-2007《固定污染源烟气排放连续监测技术规范》7.2参比方法验收内容中附录D的技术指标要求，对比对监测结果进行评价。

（1）当流速>lOm/s时，相对误差不超过±10%;

（2）当流速≤10m/s时，相对误差不超过±12%。

2.3 比对结果分析

比对结果如图2所示。

图2多点网格流速在线测量系统与手工测量值比对

多点监测烟气流量测量方法获得的断面平均流速为1 1.4m/s，与S型皮托管手工测试值1Im/s非常接近，两者的相对误差为4%，符合《固定污染源烟气排放连续监测技术规范》（ HJ/T75-2007）的流速比对要求。从各监测点位来看，最低流速为2.6 m/s，最高流速在16 m/s，流场分布呈现高、中、低流速区域。流速实际测量值与Fluent软件模拟分析结果存在一定差异，原因在于Fluent软件分析时采用的边界条件较为简单，因此在模拟分析值上存在一定出入，但根据模拟分析得出的流速分布区域与多点监测烟气流量测量方法较为吻合。

针对国内大多数电厂烟道布设不规范，流速场分布不均匀的现象，单点测量难以满足烟道流速测量准确性的要求，参考根据Fluent软件流场分布及手工网格采样原理提出多点监测烟气流量测量方法，在同一烟道截面上布设多台流速仪，通过手工比对和在线式多点流速仪在线监测的比对验证，比对合格率高，流速相对误差低于5%。多点监测烟气流量测量方法可有效解决单点测量难以代表断面真实流速的问题，为发挥污染源在线自动监测系统的监测、监控作用，保证其监测数据的科学性、准确性、可靠性提供依据。

三、结论

通过以上研究表明，对于流速场分布不均匀的烟道，监测断面存在高、中、低流速区域，用多点监测烟气流量的测量方法，可明显提高测量精度，取样具有更好的代表性，能够满足运行监控和环保监测精度的要求。

参 考 文 献[1]王雨.推进我国能源战略转型的路径选择[J].当代经济研究，2014 （3）： 67-70[2]孟志浩，俞保云，燃煤锅炉烟气量及NOx排放量计算方法的探讨[J].环境污染与防治，2009 （11）：107-109[3]常卫民，刘宁锴，沈建康.火电厂烟气自动化监测系统的比对监测[J].环境监测管理与技术，2007，19（1）： 41-44endprint