煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用及異常分析

張 玲

(國電宿州熱電有限公司，安徽 宿州 234000)

隨著工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境受到的污染越來越嚴(yán)重，尤其是由電廠燃煤機組排放的含硫量較高的煙氣造成的污染。為降低煙氣中SO2的含量，煙氣脫硫必不可少。某公司4號機組采用南京龍源環(huán)保有限公司引進美國環(huán)境技術(shù)公司(EEC)的循環(huán)流化床干法脫硫工藝流程，煙氣經(jīng)吸收塔反應(yīng)后有效降低了SO2含量，再經(jīng)布袋除塵后排入大氣。

煙氣在線監(jiān)測(CEMS)系統(tǒng)由在線分析儀、預(yù)處理、在線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、熱控設(shè)備及DCS組成。監(jiān)測數(shù)據(jù)用于脫硫工藝控制以及上傳至環(huán)保監(jiān)測。

1 煙氣分析系統(tǒng)

1.1 采樣單元

采樣單元采用直接抽取加熱法，由探頭、碳化硅陶瓷過濾器、電加熱管、法蘭、支架、防雨罩以及反吹系統(tǒng)和采樣管等配套裝置組成。

取樣管線由聚四氟乙烯管、電伴熱加熱帶、保溫層及外防護層組成。取樣管線采用PT100鉑電阻測溫，通過溫控器控制加熱溫度。設(shè)定加熱溫度為140 ℃，以保證樣氣溫度高于露點，防止因水蒸氣凝結(jié)而吸附硫化物，堵塞管道。

1.2 樣氣預(yù)處理單元

煙氣經(jīng)過采樣探頭、電加熱采樣管線和除水過濾器，由取樣泵抽取至分析儀進行分析。由于樣氣的壓力、溫度、流量不穩(wěn)定，且含水、含粉塵，不能滿足儀表分析的要求，所以需對樣氣預(yù)處理。在預(yù)處理過程中，通過探頭過濾器(2 μm孔隙)完成除塵，通過壓縮機冷凝器對樣氣快速冷凝，通過蠕動泵將冷凝水排放來除水。制冷器的控制溫度設(shè)定在0～6 ℃，調(diào)節(jié)旁路針型閥控制樣氣流量為1.0～1.5 L/min。在制冷器后端安裝濕度傳感器，用以檢測壓縮機冷凝器是否正常。

1.3 分析單元

用多組分紅外氣體分析儀UL23對樣氣中所含氣體組分進行分析。用紅外法來分析SO2，NOX，用電化學(xué)法來測量O2含量。紅外法的原理是光譜吸收法，當(dāng)紅外光的頻率與待測氣體的特定頻率一致時，待測氣體將吸收紅外光譜相對應(yīng)的輻射能。

當(dāng)分析機柜操作面板上的“測量/維護”按鈕抬起時，系統(tǒng)處于維護狀態(tài)，操作人員可對系統(tǒng)進行有關(guān)的維護測試。當(dāng)“測量/維護”按鈕按下時，系統(tǒng)處于測量狀態(tài)。通過PLC控制自動測量，可完成相應(yīng)的流路切換、泵運行及空氣標(biāo)定零點、吹掃的功能，也可手動標(biāo)定零點及吹掃。分析儀量程對被測組分的氣體進行標(biāo)定，并確保氣體流量在1.5 L/min左右。

2 煙塵及流量監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 煙塵監(jiān)測系統(tǒng)

煙塵監(jiān)測系統(tǒng)的測量原理是：一束平行的自然光經(jīng)過介質(zhì)(煙氣)時，由于介質(zhì)對光的吸收、反射、折射，使光強衰減，衰減的大小與介質(zhì)有關(guān)，這種衰減關(guān)系符合“朗伯—比耳定律”，從而求出介質(zhì)濁度；并根據(jù)分段逼近法，改變電除塵的操作條件，近似求出粉塵的含量。

煙塵監(jiān)測系統(tǒng)由收發(fā)單元、反射單元、控制單元和反吹單元組成。其中需要注意保持反吹單元的風(fēng)機處于運行狀態(tài)，它的作用是保護透鏡，防止灰塵和腐蝕物接近透鏡，也能起到降溫的作用。

2.2 流量監(jiān)測系統(tǒng)

皮托管通過動壓和靜壓與煙氣的流速成比例的關(guān)系來測量定點流速。

式中：Vs為煙氣平均流速；Kp為皮托管的修正系數(shù)，約為0.9；Pdi為煙氣差壓。

式中：Qs為濕煙氣的平均流量；F為煙道的橫截面積。

式中：Qsn為標(biāo)準(zhǔn)狀況下干煙氣排放量；Ba為大氣壓力；Ps為煙氣靜壓；Ts為煙氣溫度，由熱電阻示值可知 ；Xsw為煙氣濕度，由濕度儀示值可知；Ba+Ps由壓力變送器示值可知。

通過以上3個公式可求得標(biāo)準(zhǔn)狀況下煙氣的平均流量，即煙氣排放量。

3 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)及其他接口

3.1 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)由PLC、軟件包、計算機和打印機組成。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)所有控制點和輸入輸出信號都要經(jīng)過PLC處理再通過軟件包傳送到DCS、環(huán)保部門和電監(jiān)會。

煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)軟件，是數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的軟件包，是根據(jù)國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的，用于煙氣連續(xù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的軟件，可實時顯示整套煙氣監(jiān)測系統(tǒng)的各項污染物參數(shù)的數(shù)值和整套系統(tǒng)的運行狀況，直觀顯示煙氣的排放污染物濃度，并且根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和方法篩選、計算和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，按照環(huán)保報表的格式自動生成日報表、月報表及年報表。

3.2 與脫硫設(shè)施實時監(jiān)測系統(tǒng)的接口設(shè)計

圖1為煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)與脫硫設(shè)施實時監(jiān)測系統(tǒng)的連接框圖。

圖1 煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)與脫硫設(shè)施實時監(jiān)測系統(tǒng)連接框架

該燃煤發(fā)電機組脫硫設(shè)施實時監(jiān)測系統(tǒng)是安徽省節(jié)能調(diào)度的一個子系統(tǒng)。電廠端可將采集的數(shù)據(jù)通過2種方式上傳至省調(diào)脫硫監(jiān)測中心數(shù)據(jù)庫進行處理和存檔：

(1)電廠端CEMS數(shù)據(jù)由新增工控機使用TCP/IP協(xié)議上傳至省調(diào)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)2區(qū)脫硫監(jiān)測系統(tǒng)。

(2)電廠端現(xiàn)場脫硫設(shè)施的監(jiān)測信號(如電流變送器、壓力變送器、擋板開度等信號量)直接通過RTU設(shè)備，上傳至省調(diào)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)1區(qū)中心數(shù)據(jù)庫，由省調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)至生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)2區(qū)脫硫監(jiān)測系統(tǒng)。

4 異常情況分析

4.1 旁路煙道擋板開啟后SO2值異常

4.1.1 現(xiàn)象

2010-12-18T09：18，由于機組脫硫設(shè)備維修，脫硫系統(tǒng)停運，甲、乙旁路擋板門開啟，理論上此時出口SO2值應(yīng)與未脫硫時的值，即與入口SO2值大致相同。但是實際上出口SO2值只有400 mg/m3，遠低于入口值1 032 mg/m3，而入口和出口的O2值正常，為7 %左右，如圖2所示。

圖2 旁路煙道擋板開啟后SO2變化曲線

4.1.2 檢查處理

經(jīng)過檢查分析，初步判定SO2曲線在脫硫停運期間異常波動原因與凈煙氣擋板、原煙氣擋板以及旁路擋板開關(guān)時間有一定關(guān)系。圖3為擋板門開度曲線圖。由圖3可看出，原煙氣擋板在10:06左右關(guān)閉，11:40左右開啟。而凈煙氣擋板在10:57左右才關(guān)閉，11:39左右開啟。旁路擋板則是在09:18左右開啟，12:36左右關(guān)閉。

圖3 擋板門開度曲線

從SO2濃度曲線圖上可看出，SO2在09:58開始下降，直到12:01降到最低值，然后開始上升，此后，SO2曲線恢復(fù)正常。

由此推斷，09:18旁路擋板開啟后，由于煙氣有一部分走旁路煙道，SO2濃度上升；10:06，脫硫原煙氣擋板門關(guān)閉而凈煙氣擋板沒有關(guān)閉時，由于脫硫塔里仍有石灰粉，而且沒有新的煙氣進入脫硫塔，脫硫塔里殘余煙氣的SO2濃度會持續(xù)降低，甚至到0。但此時由于凈煙氣擋板門開啟，殘余煙氣會流入到脫硫出口探頭處參與測量(脫硫出口取樣點位于混合煙道側(cè)面的中部，與脫硫出口煙氣在同一側(cè)，旁路煙道位于混合煙道的另一側(cè))，造成SO2濃度降低。10:57，凈煙氣擋板門關(guān)閉，而密封風(fēng)機由于停電未能開啟，從脫硫塔出來的部分殘余煙氣及煙氣測量的滯后效應(yīng)，再加上在11:39開啟的凈煙氣擋板造成的影響，可能使脫硫出口探頭處的SO2濃度到12:00左右降到最低。隨著旁路擋板的關(guān)閉，凈煙氣探頭處的SO2濃度漸漸恢復(fù)到正常水平。

4.2 進口SO2值偏低

4.2.1 現(xiàn)象

2011-02-19，脫硫系統(tǒng)進口SO2值持續(xù)偏低，最低達到160 mg/m3，且儀表入口處的保護過濾器積水嚴(yán)重，抽取樣氣流量較小，低于1.0 L/min,調(diào)節(jié)流量控制針型閥后效果不明顯。O2值正常，為7 %～8 %。

4.2.2 檢查處理

檢查壓縮機冷凝器、排液蠕動泵、制冷器的控制溫度(設(shè)定在0～6 ℃)、取樣泵、取樣管線加熱均工作正常。關(guān)斷探頭加熱器電源，對取樣探頭進一步進行檢查，發(fā)現(xiàn)探頭濾芯(2 μm孔隙)積灰嚴(yán)重。用壓縮空氣對探頭濾芯進行吹掃后，樣氣流量、SO2值恢復(fù)正常。

4.3 鉛封異常斷開

4.3.1 現(xiàn)象

2011-02-19，脫硫系統(tǒng)甲、乙旁路擋板門在沒有開啟的情況下鉛封斷開。

4.3.2 檢查處理

首先檢查甲、乙旁路擋板門開度反饋曲線圖，發(fā)現(xiàn)甲、乙旁路擋板門開度存在波動，且頻繁波動持續(xù)時間在1 h左右。甲旁路擋板門最大波動開度為5.32 %，乙旁路擋板門最大波動開度為6.76 %，由此可以判斷回路中有干擾信號。進一步檢查控制回路，發(fā)現(xiàn)甲、乙旁路擋板門開指令信號線的屏蔽線斷開，證明確實有干擾信號，使擋板門產(chǎn)生波動并最終導(dǎo)致鉛封斷開。恢復(fù)斷開的屏蔽線后，甲、乙旁路擋板門恢復(fù)正常。

4.4 出口SO2值偏低

4.4.1 現(xiàn)象

2011-02-23，脫硫系統(tǒng)出口SO2值持續(xù)偏低，最低達到17.60 mg/m3；抽取的樣氣流量偏低，儀表入口處的保護過濾器無積水現(xiàn)象，O2值正常。

4.4.2 檢查處理

檢查壓縮機冷凝器、排液蠕動泵、制冷器的控制溫度(設(shè)定在0～5 ℃)、取樣泵、取樣管線加熱均工作正常。關(guān)斷探頭加熱器電源，進一步對取樣探頭進行檢查，發(fā)現(xiàn)探頭濾芯(2 μm孔隙)積灰、腐蝕嚴(yán)重。

用壓縮空氣對探頭濾芯進行吹掃后，樣氣流量、SO2值依然沒有恢復(fù)正常，決定對探頭濾芯進行更換。更換探頭濾芯后各參數(shù)恢復(fù)正常。

4.5 自動維護吹掃后出口SO2值偏高

4.5.1 現(xiàn)象

2011-03-05T05:22和17:22，脫硫出口在自動維護吹掃后的一瞬間SO2值突增，采取各種調(diào)整措施均無效果，持續(xù)1～2 h后恢復(fù)正常，導(dǎo)致脫硫效率下降甚至不合格，而O2含量在整個過程中正常，為7 %～8 %。這種現(xiàn)象連續(xù)幾天出現(xiàn)。參照出口SO2變化曲線如圖4所示。

圖4 出口SO2變化曲線

4.5.2 檢查處理

首先檢查CEMS顯示屏主菜單中的各項參數(shù)的測量值，發(fā)現(xiàn)SO2的V(T)值為264 508，數(shù)值偏低，說明氣室輕度污染(出廠設(shè)置500 000)，靈敏度降低，測量值滯后。檢查保護過濾器，發(fā)現(xiàn)保護過濾器中有積水、油污現(xiàn)象，說明進入分析儀的樣氣含有水分。檢查取樣管線，發(fā)現(xiàn)伴熱管線在距分析儀入口10～15 m處斷開，這導(dǎo)致取樣管線中的水汽不能被充分蒸發(fā)，煙氣中的部分SO2被吸附在管壁上，又在自動維護吹掃的過程中被帶入分析儀的氣室參與分析，使SO2測量值增加。

由于氣室輕度污染，靈敏度降低，致使分析儀輸出的SO2值變化滯后，恢復(fù)正常緩慢。分析儀設(shè)置為4 h自動校零點1次，12 h自動吹掃1次，這導(dǎo)致每隔12 h SO2值突增1次的現(xiàn)象出現(xiàn)。

檢查中還發(fā)現(xiàn)，顯示屏上有一項對O2傳感器狀態(tài)的維修報警信息：sensor capacity low。根據(jù)顯示的信息，可以判斷O2傳感器已老化。在檢查過程中，測量元件的電壓已下降至5.36 mV，低于要求維修的最小值6.0 mV，因此發(fā)出了M(維護請求)。如果電壓下降至5.0 mV時，測量元件將會發(fā)出F(故障)信息。因此，將UL23氣室返廠維護，并更換取樣管線，提高加熱溫度，更換電池。另外，對UL23多組分紅外氣體分析儀每天手動通空氣校對零點1次，以消除零點漂移大的問題。