火电厂污染源自动监控中CEMS流量测量问题的研究

王燕枫++杨清

摘要： 系统介绍了火电厂污染源自动监控工作中流量测量问题的技术及政策背景，阐述了矩阵式流量计的工作原理，结合流量监测改造项目应用实例，对其技术特点、优势及应用效果进行了分析、论证。通过实例对比发现，矩阵式面测量流量监测方法较传统测量方法有明显优势，流量监测结果准确、代表性好、趋势性强。

Abstract： This paper systematically introduces the technology and policy background of flow measurement in the automatic monitoring of the pollution source in the thermal power plant， expounds the work principle of matrix flowmeter， and combining with the flow monitoring renovation project， analyzes and convinces the technical characteristics， advantages and application effect. Through the example comparison， it is found that the flow monitoring method with matrix measurement has obvious advantages compared with the traditional measurement method， whose flow monitoring results are accurate， representative and have a strong trend.

关键词： 火电厂；CEMS（烟气排放连续监测系统）；流量测量；矩阵式流量计

Key words： thermal power plant；CEMS （continuous emission monitoring system）；flow measurement；matrix flowmeter

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）05-0122-03

0 引言

我国火电厂数量众多，污染物排放量巨大。目前，全国共1361家火电厂（包括自备电厂），共计4276台机组。火电厂在全国均有分布，其中占比居于全国前八的省份共占 56.5%，详见表1。根据“十二五”环境统计业务系统[1]，2015年火电厂烟尘、二氧化硫以及氮氧化物的排放量分别是381.7万吨、660.7万吨和646.5万吨，占当年废气污染物总排放量的比例依次为 22.5%、38.9%和 38.1%。

烟气污染物排放量以浓度与流量的乘积计，烟气浓度测量技术目前已十分成熟，而烟气流量监测还存在一些问题[2]。《固定污染源烟气排放连续监测技术规范》[3]（HJ/T 75-2007）等对CEMS采样断面位置有明确的限制：对于流速的测定，要求尽可能避开弯头、断面等急剧变化的部位，并与这些部位的距离满足“前四后二”的要求[4]。实际生产中，受制于场地、经济性等因素，烟道普遍较短，且多变径、弯头，流速流量监测存在如下问题：烟气高温、高湿、高尘，内部流场紊乱，加之烟气、强振动，含酸、含浆液，环境较为恶劣，传统点测量及线测量式流量测量方法的效果较差[5]。

1 烟气流量自动监控政策背景

烟气流量自动监控数据的准确性直接关系到污染源自动监测数据的有效性，是国家污染源排放监管的重要依据。国务院办公厅[6]《关于转发环保部“十二五”主要污染物总量减排考核办法的通知》（国办发[2013]4号）要求污染源自动监控数据传输有效率达到75%，对考核结果未通过的，实行“一票否决”。其中，数据传输有效率为数据传输率和数据有效率的乘积，要保证总体的数据有效性，就要重点解决烟气流量自动监控数据这一传统薄弱环节。

新形势下，十三五环保费改税启动，以污染物自动监控排放量数据作为计税依据，可提高执法效力，对CEMS流速测量的准确性提出了更高的监管和技术要求。由于火电厂烟气流量一直以来主要以传统点测量、线测量形式为主，监测数据准确性差、代表性弱等突出问题长期存在，而矩阵式流量计在实际应用中可有效解决以上问题，引起国家层面关注，环保部[7]《关于加强“十二五”主要污染物總量减排监测体系建设运行情况考核工工作的通知》（环发[2013]98号）文件要求，对普遍存在的烟气流速（流量）测量不准等问题应按技术规范要求调整采样点位，不具备调整条件的，换装矩阵式流速仪等新型设备。江苏省作为全国火电机组最多的省份，也是全国范围内较早试点安装矩阵式流速仪的省份，试点开始以来，收效良好，目前CEMS烟气流量测量规范性改进工作正有序推进，污染源自动监控数据有效性稳中有升。

2 烟气流量自动监控技术介绍

2.1 火电厂烟气流量自动监控技术要求

火电厂烟气流量监测点位通常都设置在矩形烟道上。《固定污染源烟气排放连续监测技术规范》（HJ/T 75-2007）、《固定污染源排放烟气连续监测系统技术要求及检测方法》（HJ/T 76-2007）、《固定污染源排气中颗粒物测定与其态污染物采样方法》[8]（GB/T 16157-1996）对烟气流速流量测量采样点位和数目做出了明确规定。

为保证采样位置断面流场均匀、稳定，规范要求，采样位置应优先选择在垂直管段，应避开烟道弯头和断面急剧变化的部位，采样位置应设置在距弯头、阀门、变径管下游方向不小于4倍直径（或当量直径）和距上述部件上游方向不小于2倍直径（或当量直径）处，此即采样位置选择的“前四后二”原则，如图1所示。

为保证采样点处测得的烟气流速具备代表性、准确性，规范要求将烟道截面分成适当数量的等面积小块，各块中心即为测点取样位置，如图2所示。

此外，烟道内的烟气高温、高湿、高尘，强振动，含酸、含浆液，环境较为恶劣，监测设备的防磨、防堵、防腐蚀性能必须满足长期稳定运行的要求。

2.2 现有流量自动监控技术现状

流速测量仪器很多，但适用于燃煤电厂烟道高温、高湿、含尘等恶劣环境的测量仪器并不多，主要有[9]皮托管流量计、巴类流量计、热平衡流量计、超声波流量计及矩阵式流量计等。表2给出了这几种类型的流量计的技术特点对比。

3 矩阵式流量测量应用

3.1 矩阵式流量测量原理

矩阵式流量计基于压差法流速（量）测量原理[10]。测量装置安装在烟道内，当烟道内内有烟气流动时，迎风面受气流冲击。在此处气流的动能转换成压力，因而迎面管内压力较高，其压力称为“全压”；背风侧由于不受气流冲压，管内的压力为风管内的静压力，其压力称为“静压”。全压和静压之差称为差压，其大小与管内风速（量）有关，风速（量）越大，差压越大；风速（量）小，差压也小。因此，只有测量出差压的大小，再找出差压与风速（量）的对应关系，才能正确地测出管内风速（量）。

矩阵式流量计布点原理及结构示意图如图3所示。

实际烟道型式多样，且多尺寸巨大，测点前后直管段长度无法满足“前四后二”的采样要求，烟道内流场分布不均匀，单点流速无法准确代表整个烟道截面的平均流速，为准确测量烟气风量，在大风道截面上采用等截面多点测量流速[12，13]，将许多个测点等截面有机地组装在一起，正压侧与正压侧相连，负压侧与负压侧相连，正、负压侧各引出一根总的引压管，分别与差压变送器的正、负端相连，测得截面的平均速度，然后计算出风量。

实际工程应用中，流量测点的布点原则严格遵循GB/T 16157-1996布点要求，并结合具体锅炉及烟道型式、生产工况，通过模拟计算予以调整、优化。

3.2 应用实例分析

2015年，由于原有的点式流速仪存在烟气流量与锅炉入口风量差额较大、与机组负荷相比趋势性差的现象，南京某电厂对其300MW机组脱硫净烟气烟道流量监测系统进行了升级改造，安装了矩阵式流量计，图4，图5分别为改造前后机组负荷与烟气流量的月度小时数据监控曲线（相关数据来源于江苏省电力企业锅炉烟气在线监控系统）。

由图4可知，2015年3月，机组负荷基本在210MW与300MW范围内、250MW上下浮动，但是相对于负荷的变化，烟气流量无明显变化，变化趋势未能与负荷的变化趋势保持跟随性、一致性。此外，在月初、月中，出现两次负荷下降但烟气流量不降反升的“反趋势”现象，严重背离实际生产工况。

2016年3月，机组负荷大体上较为平稳，基本在250MW与270MW范围内浮动，但也经历过两次负荷拉升至290MW左右又迅速回落至正常水平的过程。由图5可见，当负荷较为稳定时，烟气流量跟随负荷变化趋势，也较为平稳的在一定范围内波动；当负荷发生较大拉升、回落时，流量灵敏跟随随着负荷变化的趋势而变化，较为真实的反映了机组运行及烟气流量的实际情况。

表3给出了该机组在改造前后机组负荷与锅炉送风量、烟气排放量的月度统计数据。由表3可见，两个月机组总负荷大体一致，生产工况较为接近，具备可比性。由于脱硫、脱硝等工艺环节有少量新风送入，净烟气烟道烟气量总体上要大于锅炉送风量，但在流量测量改造之前，净烟气监测月总排放量及MW负荷均排放量均大幅低于锅炉送风水平，出现了“倒挂”现象；该问题在改造之后得到解决，监测数据显示，净烟气监测月总排放量及MW负荷均排放量均接近于锅炉送风水平，但在其基准水平上略有增加，真实反映了实际工况。

结合以上分析可知，传统点测量式流量监测方法存在趋势性差、总量不准确等突出问题，而矩阵式面测量方法有效解决了这些问题，流量监测结果真实、准确、趋势性强，作为排污计量的依据，真实、客观、相对准确。

4 结论与展望

结合国家节能减排政策与污染源自动监控的实际工作，对火电厂污染源自动监控工作中流量测量问题的技术、政策背景做了系统介绍，阐述了矩阵式流量计的工作原理，并结合流量监测改造项目的应用实例，对其技术特点、优势及应用效果进行了分析、论证。通过实例对比发现，矩阵式面测量流量监测方法较传统测量方法有明显优势，流量监测结果相对准确、代表性好、趋势性强。

建议将矩阵式面测量流量监测方法写入相关国家标准，并规范相关技术产品的认证和准入，促使该项技术的良性推广和应用，完善现有污染源自动监控烟气流量测量技术，以提高CEMS自动监控数据的准确性和可用度。

参考文献：

[1]中国环境监测总站.“十二五”环境统计[EB/OL].http：//www.cnemc.cn/，2016-6-15/2016-10-10.

[2]冯真祯.燃煤电厂矩形烟道烟气流速确定方法研究[D].导师：朱林.南京信息工程大学，2011.

[3]国家环境保护局.固定污染源烟气排放连续监测技术规范 （HJ/T 75-2007）[S].北京：中国环境科学出版社，2007.

[4]国家环境保护总局.固定污染源排放烟气连续监测系统技术要求检测办法（HJ/T 76-2007）[S].2007.

[5]朱正林，辛洪祥.发电厂大流量短管风烟测量系统性能优化[J].南京工程学院学报（自然科学版），2015（01）：12-15.

[6]国务院.关于转发环保部“十二五”主要污染物总量减排考核办法的通知[EB/OL].http：//www.gov.cn/，2013-1-5/2016-10-10.

[7]国家环保部.关于加强“十二五”主要污染物总量减排监测体系建设运行情况考核工工作的通知[EB/OL].http：//www.zhb.gov.cn/，2013-8-28/2016-10-10.

[8]国家环境保护局.固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法（GB/T 16157-1996）[S].北京：中国环境科学出版社，1996.

[9]左家翰.火力发电厂烟气质量流量实时检测方法研究[D].导师：段泉圣.华北电力大学，2015.

[10]陳健.新型烟气流速测量装置浅析[J].环境保护与循环经济，2015（04）：62-63.

[11]黄伟，张建玲，梁志明，胡晓辉.多点式测风装置在600MW超临界锅炉上的应用[J].湖南电力，2005（S2）：46-48.

[12]王万林，齐小娟.火电厂烟气排放流量测量方法研究[J].浙江电力，2009（06）：17-19.