直接抽取式烟气连续排放监测系统在火电厂中的应用研究

张晨晖

(河北省电力勘测设计研究院，河北石家庄050031)

直接抽取式烟气连续排放监测系统在火电厂中的应用研究

张晨晖

(河北省电力勘测设计研究院，河北石家庄050031)

介绍了烟气连续排放监测系统的基本原理和几种不同的采样方法，及直接抽取法在河北国华定洲发电厂二期2×660MW机组锅炉中的应用情况，该系统在线连续地自动采集和处理监测数据，响应灵敏，并自动进行系统校正，监测结果与手工测试结果有良好的相关性，可满足系统评价标准的要求，提高了电力系统环境管理水平。

CEMS;烟气排放;连续监测;采样;直接抽取法

0 引言

随着工业的高速发展，环境污染问题倍受关注，保护环境实现可持续发展成为经济发展的新方向。火力发电厂是SO2的主要排放源，烟气连续排放系统(Continuous Emission Monitoring System，CEMS)，是一种通过采样、分析方法或直接测量方法，测定烟气中SO2、NOx、污染物浓度的设备，是为烟气排放污染物连续监测而专门设计的在线监测系统。

1 CEMS技术简介

1.1 系统构成

烟气连续排放检测系统由气态污染物监测子系统、颗粒物监测子系统、烟气参数监测子系统和数据采集处理与通信子系统组成。气态污染物监测子系统主要用于监测SO2、NOx等污染气体的浓度和排放量;颗粒物监测子系统主要用来监测烟尘的浓度和排放量;烟气参数监测子系统主要用来测量烟气流速、温度、压力、含氧量、湿度等参数，用于排放总量的计算和相关浓度的折算;数据采集处理与通信子系统由数据采集器和计算机系统构成，实时采集各项参数，传输到主管部门［1］。

1.2 取样方法分类

由于气态污染物具有高尘、高温、高湿度、高浓度、不稳定、腐蚀性等特点，决定了采样时要必须对其进行相应的技术处理。CEMS根据采样方式的不同可分为现场抽取法，稀释取样法和直接抽取法。

现场抽取法指所有分析部件均安装在现场(烟囱或烟道上)，直接对烟囱或烟道中的气体进行长时间连续监测，无须采样，不必进行样气预处理，瞬时性强［3］，结构比较简单，但易受烟气温度的限制和腐蚀、振动影响，测量精度差并且维护工作量大，在我国应用较少。

稀释采样法和直接抽取法是目前国内烟气连续监测系统所常采用的方法［1］。稀释采样法测量原理是将采样烟气用洁净干燥的空气按一定比例稀释，以减少样气中的水分，使样气的露点温度远低于室温，再送至分析仪进行分析，分析结果乘以稀释比，得到检测值［4］。这种方法避免了复杂的样气处理过程，提高了分析仪表的寿命。但系统设备相对复杂;稀释比不易控制，若稀释比控制不好，会导致测量误差乘数放大。

直接抽取法又称加热管线法，原理是烟气通过采样探头取样后，首先经过蒸汽拌热或者电拌热，使采样气在到达冷却器前，温度控制在150℃～200℃，即在保持烟气不结露的状态下输送到地面控制系统，经过除尘、除水等样气预处理后，送到分析单元进行检测［4］。这种采样方法设备费用较低，系统设备较稀释法系统简单，维护方便、校准简单、测量准确。对于电厂的脱硫系统过程控制和环境监测，高温处理的直接抽取法是最适合的方法，市场占有率较高。

2 CEMS在河北国华定洲电厂的应用

2.1 电厂情况

河北国华定洲发电厂二期2×660MW超临界燃煤直接空冷机组，本期工程采用石灰石－石膏湿法脱硫工艺。机组DCS、脱硫FGD的厂家为德国西门子，CEMS采用SICK MAIHAK公司的SMC－9021系列产品。表1为FGD入口的烟气参数。

表1 脱硫系统入口烟气参数(BMCR工况)

2.2 CEMS方案设计

本系统选用直接抽取式CEMS，分别在3、4号机组FGD上下游各装一套烟气连续监测仪，即入口原烟气监测系统和出口净烟气监测系统，既用于测量脱硫系统的运行效率，又可以用于环保监测。CEMS控制系统图如图1所示。

图1 CEMS控制系统

每套烟气连续监测系统包括采样探头及控制器、加热输气管线、烟气预处理装置、气体分析仪、PLC、烟尘浓度分析仪、烟气流量仪、烟气压力/温度仪、烟气湿度仪、数据采集系统等。参数(SO2、NOx等)以及仪器故障和状态信号全部采用硬接线进入脱硫DCS中进行监控与计算。每台炉共用一套数据处理和通讯装置。

2.2.1 烟气分析系统

该系统为成套烟道气体分析系统，包括采样系统、烟气处理单元和烟气分析仪及校准系统。可连续分析烟道中的气态污染物含量，测量结果以4～20mA信号输出。

烟气分析系统采用了加热型取样探头和输气管路伴热保温使烟气在取样和输送过程中不冷凝、保持原有品质，取样探头最高加热温度为180℃;取样管路伴热温度最高150℃;为了防止探管因长时间烟尘积聚而造成探头堵塞现象，取样探头采取了自动反吹方式，根据现场情况可以在1～24h范围内任意选择反吹周期，延长维护周期;通过预处理迅速冷凝除湿，冷凝液通过蠕动泵排至储液罐内，除湿后的气体经再次过滤除尘通过取样泵送至分析系统进行分析。并且装设了温度报警仪用来监视取样探头及输气管路温度，保证系统正常工作;流量报警以监视取样系统堵塞故障;湿度报警监视气体冷凝脱水情况，保护分析器。

SO2、NO的分析仪采用红外光谱吸收法。红外分析法是基于气体分子对红外线的选择性吸收。当排放烟气在一定浓度范围时，红外线吸收强度与气体浓度呈线性定量关系［5］。因此，通过测量SO2对7.3μm附近的红外线吸收量的变化，可连续测定烟气中SO2浓度;通过测量NO对5.3μm附近的红外线吸收量的变化，可连续测定烟气中NO浓度，NO2是通过还原转换器转换成N0再测量［6］。O2的连续监测利用氧化锆传感器实时对烟气中的氧进行分析。当氧化锆被加热时，由于氧离子在氧化锆晶体结构中的迁移作用，使氧化锆晶体变成导电体;烟气中氧浓度不同使这种迁移作用产生电流不同，因此感应电势和氧浓度有固定函数关系，通过测量感应电势，即可得到氧浓度。

2.2.2 烟尘测量系统

烟尘测量系统选用FW300系列测尘仪，该仪器是一种非接触式在线测量仪器，采用激光光源，光透射测量技术，利用激光穿过含尘烟气后强度衰减的原理，当一束激光通过含尘烟气时，光强因烟尘的吸收和散射作用而减弱，通过发射光强与反射光强的光强差，检测出烟尘的浊度或浓度。仪器主体包括发射、接收单元，反射单元，连接及反吹控制单元，净化吹扫空气适配器等。

主要技术指标:透过率为0～100%，±0.4%;透过率差为0～100%，±0.4%;消光度0.1～2.5，±0.002;含尘量0～890mg/m3至0～13mg/m3。

2.2.3 烟气辅助参数测量系统

(1)烟气流量

通过监测烟气流速，然后乘以管道横截面积从而得到烟气流量。采用超声波流量计，利用超声波在气体中的传输时间差测量流速，系统安装在烟道平台与烟气流向成β角，超声波顺着烟气流向与逆烟气流向通过已知跨度两点时，传输时间不同(顺向时间为T1、逆向时间为T2)，测定其传输时间差即可实现烟气流速监测［7］。

烟气平均流速:

烟气体积流量:

式中:L为超声波在烟道中传播路径;β为烟道中心线与超声波传播路径的夹角;T1为声波顺气流方向在烟道中传播时间;T2为声波逆气流方向在烟道中传播时间

(2)烟气湿度

采用干湿氧方法测量烟气湿度。在烟道安装氧化锆测量烟气湿氧，通过烟气参数测量子系统测量烟气干氧，然后计算出烟气湿度。

2.3 现场运行状况

自系统投运以来，运行稳定可靠，未出现故障停机的情况，各项技术指标基本符合设计要求。一周内仪表零点漂移和跨度漂移均小于±2%，分析仪表滞后时间小于10s。分析仪可同时测量多种组分的气体，且当混合气体中一种或几种组分的浓度发生变化时，不会影响其他组分的测量。系统自动化程度高，由于配置了取样探头自动反吹系统、重要参数自动报警系统、自动标定系统、数据自动采集系统等，大大地降低了运行维护工作量。

用参比监测法和CEMS同时采样分析，连续采样3天，两种方法每天各采样10次，计算10次的平均值，表2选取了监测到的烟尘浓度和SO2浓度进行分析，可以计算出绝对误差分别为－0.93、1.63;相对误差分别为－3.9%和8.4%，CEMS的监测结果符合《固定污染源烟气排放连续监测技术规范(试行)(HJ/T 75－2007)》的规定，可满足系统评价标准的要求。

表2 烟尘颗粒物、SO2测定结果

3 结语

以河北国华定洲发电厂二期2×660MW超临界燃煤直接空冷机组为例介绍了的烟气在线连续监测系统，充分考虑了燃煤电厂烟气的工况条件，合理设计了烟气取样、气样预处理、反吹扫等系统，运行检验证明了该系统准确性高、稳定性好、响应时间短、可维护性好、自动化程度高。一方面对脱硫系统高效运行有重要指导作用，另一方面为随时掌握污染源排放状况，加强环境管理和污染治理打下了良好基础。

［1］HJ/T 75－2007，固定污染源烟气排放连续监测技术规范(试行)［S］.

［2］HJ/T 76－2001，固定污染物排放烟气连续监测系统技术要求及检测方法［S］.

［3］王飞，徐志清.介绍几种烟气连续监测系统［J］.电力环境保护，2002，18(1):50－51.

［4］王宁.火电厂烟气排放连续监测系统配置及选型中注意的问题［J］.宁夏电力，2001(4):50－53.

［5］李晓英.基于WEB的环保局CEMS监控系统研究［M］.天津:天津大学，2004.

［6］郑海明.烟气连续监测系统数据采集与处理(DAHS)的研究与开发［D］.北京:华北电力大学，2000.

［7］戴丽萍，赵云格.CEMS在火电厂中的应用［J］.中国仪器仪表，2007(5):62－64.

Research on source level extractive of Continuous Emission Monitoring System in thermal power plants

An introduction is being presented to the continuous emission monitoring system and its specific measuring way and application in Hebei Guohua Dingzhou power plant of 2×660MW.The system is on line and conti－nuous，which can sampling and processing the monitoring data automatically and response rapidly.The monitoring results and manual test results have good correlation，which can satisfy the requirement of evaluation standard.The system improved the management level of power system environment.

CEMS;gas emission;continu ous monitoring;sampling;source level extrac tive

X701

B

1674－8069(2016)02－042－03

2015-10-29;

2015-12-13

张晨晖(1983-)，女，硕士，工程师，主要从事发电厂热工自动控制系统设计。E－mail:13331396085@163.com