煙氣在線監測系統應用及異常分析

張 玲

(國電宿州熱電有限公司，安徽 宿州 234000)

隨著工業的發展，環境受到的污染越來越嚴重，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保有限公司引進美國環境技術公司(EEC)的循環流化床干法脫硫工藝流程，煙氣經吸收塔反應后有效降低了SO2含量，再經布袋除塵后排入大氣。

煙氣在線監測(CEMS)系統由在線分析儀、預處理、在線數據采集系統、熱控設備及DCS組成。監測數據用于脫硫工藝控制以及上傳至環保監測。

1 煙氣分析系統

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，防止因水蒸氣凝結而吸附硫化物，堵塞管道。

1.2 樣氣預處理單元

煙氣經過采樣探頭、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，所以需對樣氣預處理。在預處理過程中，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定在0～6 ℃，調節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，用電化學法來測量O2含量。紅外法的原理是光譜吸收法，當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的輻射能。

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

2 煙塵及流量監測系統

2.1 煙塵監測系統

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

煙塵監測系統由收發單元、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機處于運行狀態，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 流量監測系統

皮托管通過動壓和靜壓與煙氣的流速成比例的關系來測量定點流速。

式中：Vs為煙氣平均流速；Kp為皮托管的修正系數，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為標準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個公式可求得標準狀況下煙氣的平均流量，即煙氣排放量。

3 數據采集處理系統及其他接口

3.1 數據采集處理系統

數據采集處理系統由PLC、軟件包、計算機和打印機組成。數據采集處理系統所有控制點和輸入輸出信號都要經過PLC處理再通過軟件包傳送到DCS、環保部門和電監會。

煙氣連續監測系統軟件，是數據采集處理系統的軟件包，是根據國家環保標準開發的，用于煙氣連續監測的數據采集和數據處理的軟件，可實時顯示整套煙氣監測系統的各項污染物參數的數值和整套系統的運行狀況，直觀顯示煙氣的排放污染物濃度，并且根據有關標準和方法篩選、計算和統計數據，按照環保報表的格式自動生成日報表、月報表及年報表。

3.2 與脫硫設施實時監測系統的接口設計

圖1為煙氣在線監測系統與脫硫設施實時監測系統的連接框圖。

圖1 煙氣在線監測系統與脫硫設施實時監測系統連接框架

該燃煤發電機組脫硫設施實時監測系統是安徽省節能調度的一個子系統。電廠端可將采集的數據通過2種方式上傳至省調脫硫監測中心數據庫進行處理和存檔：

(1)電廠端CEMS數據由新增工控機使用TCP/IP協議上傳至省調生產網絡2區脫硫監測系統。

(2)電廠端現場脫硫設施的監測信號(如電流變送器、壓力變送器、擋板開度等信號量)直接通過RTU設備，上傳至省調生產網絡1區中心數據庫，由省調轉發至生產網絡2區脫硫監測系統。

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 現象

2010-12-18T09：18，由于機組脫硫設備維修，脫硫系統停運，甲、乙旁路擋板門開啟，理論上此時出口SO2值應與未脫硫時的值，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時間有一定關系。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左右關閉，11:40左右開啟。而凈煙氣擋板在10:57左右才關閉，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閉而凈煙氣擋板沒有關閉時，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面的中部，與脫硫出口煙氣在同一側，旁路煙道位于混合煙道的另一側)，造成SO2濃度降低。10:57，凈煙氣擋板門關閉，而密封風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，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。隨著旁路擋板的關閉，凈煙氣探頭處的SO2濃度漸漸恢復到正常水平。

4.2 進口SO2值偏低

4.2.1 現象

2011-02-19，脫硫系統進口SO2值持續偏低，最低達到160 mg/m3，且儀表入口處的保護過濾器積水嚴重，抽取樣氣流量較小，低于1.0 L/min,調節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(設定在0～6 ℃)、取樣泵、取樣管線加熱均工作正常。關斷探頭加熱器電源，對取樣探頭進一步進行檢查，發現探頭濾芯(2 μm孔隙)積灰嚴重。用壓縮空氣對探頭濾芯進行吹掃后，樣氣流量、SO2值恢復正常。

4.3 鉛封異常斷開

4.3.1 現象

2011-02-19，脫硫系統甲、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，發現甲、乙旁路擋板門開度存在波動，且頻繁波動持續時間在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，發現甲、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，使擋板門產生波動并最終導致鉛封斷開。恢復斷開的屏蔽線后，甲、乙旁路擋板門恢復正常。

4.4 出口SO2值偏低

4.4.1 現象

2011-02-23，脫硫系統出口SO2值持續偏低，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(設定在0～5 ℃)、取樣泵、取樣管線加熱均工作正常。關斷探頭加熱器電源，進一步對取樣探頭進行檢查，發現探頭濾芯(2 μm孔隙)積灰、腐蝕嚴重。

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

4.5 自動維護吹掃后出口SO2值偏高

4.5.1 現象

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，采取各種調整措施均無效果，持續1～2 h后恢復正常，導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 %。這種現象連續幾天出現。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的測量值，發現SO2的V(T)值為264 508，數值偏低，說明氣室輕度污染(出廠設置500 000)，靈敏度降低，測量值滯后。檢查保護過濾器，發現保護過濾器中有積水、油污現象，說明進入分析儀的樣氣含有水分。檢查取樣管線，發現伴熱管線在距分析儀入口10～15 m處斷開，這導致取樣管線中的水汽不能被充分蒸發，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，恢復正常緩慢。分析儀設置為4 h自動校零點1次，12 h自動吹掃1次，這導致每隔12 h SO2值突增1次的現象出現。

檢查中還發現，顯示屏上有一項對O2傳感器狀態的維修報警信息：sensor capacity low。根據顯示的信息，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。