煙氣排放連續監測系統數據異常的分析及處理

盧毓東， 謝宏海， 陸建偉

（1.浙江省電力公司電力科學研究院， 杭州 310014；2.河北省邯鄲峰峰礦區供電公司， 河北 邯鄲 056200）

煙氣排放連續監測系統數據異常的分析及處理

盧毓東1， 謝宏海2， 陸建偉1

（1.浙江省電力公司電力科學研究院， 杭州 310014；2.河北省邯鄲峰峰礦區供電公司， 河北 邯鄲 056200）

以北侖發電廠 6 號機組的煙氣連續監測系統數據異常為例， 分析了 SO2數據異常的特征， 提出了故障分析與診斷方法， 得出了 SO2數據異常的最終原因是紅外氣體分析儀內部軟件 CO 過補償所致的結論，成功解決了困擾一年多的測量難題。

CEMS； SO2； 突變至零； 交叉干擾

0 引言

火力發電廠煙氣排放連續監測系統（CEMS，Continuous Emission Monitoring Systems）已 和各 地環保部門在線監控平臺聯網，監測數據已成為排污申報核定、總量控制、排污費征收等環境管理的依據， CEMS數據的真實、 可靠不僅是發電廠脫硫、脫硝系統穩定運行的保障，也成為電力企業取得脫硫、脫硝電價等經濟效益的重要依據。

由于受測量原理、制造水平、安裝質量、設備運行環境、 維護成本等多方面因素影響，CEMS不同于常規儀器儀表，故障復雜多變，同類異常現像往往有多種可能的因素造成，故障診斷難度較大。以國電浙江北侖第三發電有限公司6號機組 CEMS 數據異常的處理過程為例， 對影響CEMS數據可靠性的多種因素進行了分析， 提出了相關異常的分析與試驗方法， 并找出了 SO2數據異常的最終原因。

1 CEMS數據異常現象

北侖發電廠 6號機組 CEMS采用德國西門子公 司 Ultra23 紅 外 氣 體 分 析 儀 ，配 有 SO2，CO，O2， NOX氣體分析模塊， 煙氣經采樣探頭、 伴熱管線從煙囪 40m 平臺引入 CEMS 分析儀進行測量。

2010 年，該機組 CEMS 多次出現 SO2值突變為零的現象，典型異常過程如圖1所示，異常特征表現為：

（1）SO2值有衰減至零和突變至零 2 種異常情況， SO2值瞬間至零出現前往往先出現濃度衰減至零的情況。

（2）CO 值與 SO2值呈負相關， 如圖1 所示， 即CO 濃度飚升時， SO2值隨之降低， 反之亦然。

（3）CO 值的波峰（谷）總是對應 SO2值的波谷（峰）， 即使突升突降時， 兩者也總是反向對應， 步調高度一致。

2 CEMS測量原理及干擾分析

2.1 紅外氣體分析儀基本原理和干擾分析

西門子 Ultra23 型紅外氣體分析儀（以下簡稱Ultra23） 采 用 非 分 散 紅 外 發 射 吸 收 原 理 ， 依 據 所測氣體對不同波長紅外線衰減程度不同的原理進行氣體濃度測量。

檢測器為單光源、單氣室的單光路結構，將多檢測器串聯構成多組份分析器，實現多組份測量。但工程應用中背景氣體往往十分復雜，雖然每種氣體都有各自對應的吸收波長，但吸收峰也存在交叉重疊，多組份分析儀中各個組份之間可能存在干擾影響。表1為常見氣體的特征吸收波長，圖2為煙氣中部分氣體的紅外吸收光譜圖。

表1 常見氣體的特征吸收波長μm

由圖2 可知， NO 選擇吸收的波段為 5.1～5.3 μm， CO 為 4.5 ～4.7 μm，SO2為 7.25 ～7.62 μm，CO 與 SO2的吸收峰相距較遠， 為正向干擾，干擾幅度較小。 而 H2O（汽）在 1～9 μm 波長范圍內幾乎有連續的吸收帶，是影響氣體濃度測量的主要干擾組份， 如果不作任何處理， H2O（汽）對煙氣中CO， SO2， NOX的測量結果都會帶來很大影響。

圖2 煙氣中部分氣體物質的紅外吸收光譜

工程應用中必須考慮各氣體組份相互干擾對測量的影響，并通過各種方法消除或減小這些影響，通常采用以下方法處理：

（1）對煙氣進行預處理， 通過物理或化學方法除去干擾組份， 如煙氣通過冷凝器以減小 H2O（汽）濃度。

（2）如果干擾組份是變化的，在光路中加裝濾波氣室。

（3）加裝干擾組份和 H2O（汽）濃度檢測部件，軟件實時扣除其變化量的影響，但若配置不合理反而會引入人為的干擾。

2.2 CEMS 運行環境及其對 CEMS 測量的影響分析

圖1 SO2檢測典型異常過程

機組脫硫系統采用石灰石-石膏濕法脫硫技術， 為避免氣氣換熱器（GGH）堵塞，脫硫系統取消了GGH。 由于沒有 GGH 的加熱，高濕、低溫的煙氣對 SO2的測量帶來諸多不利影響：

（1）當凈煙氣進入煙囪后，沿途冷凝形成液霧， 液霧吸收 SO2， 使得脫硫后的 SO2濃度繼續降低。當煙囪內負壓變化時，高處稀薄的 SO2難以穩定抽出， SO2值時有時無、 忽上忽下。

（2）高濕度的煙氣造成冷凝器負載過大、 脫水效果變差，若脫水后的煙氣濕度依然偏大，則進入分析池的 H2O（汽）對測量帶來干擾， 經常造成 SO2值大幅波動甚至至零的現象。

（3）煙囪內腐蝕性物質多， 由于采樣探管腐蝕、伴熱管線保溫不良，低溫的濕煙氣經常在局部彎頭出現冷凝， 凝結水吸收 SO2后， 儀器測量值偏低。

2.3 綜合分析

結合典型異常特征、測量原理和運行環境的分析可知， 與 SO2值突變至零有關的干擾因素主要有 3種：CO 干擾、水汽干擾與儀器內部原因，對3種干擾因素進行綜合分析。

（1）由測量原理分析可知， CO 對 SO2測量為正向干擾且干擾幅度不大，此結論也經過了實驗室驗證，那么歷史曲線中 CO 對 SO2的大幅負向干擾就并非 CO 干擾所致，而是另有原因。

（2）由運行環境分析可知，煙氣在低溫、 高濕環境下容易對測量引入水汽干擾，歷史曲線中SO2濃度衰減、 數據波動正是紅外分析儀在此類環境中受水汽干擾的常見現象，在同型機組中經常出現。

（3）盡管水汽干擾在同類環境中經常出現，但由于水汽干擾具有隨機性， 歷史曲線中 CO 與SO2峰谷反向、步調高度一致的特征就無法通過水汽干擾來解釋，更可能是儀器內部原因造成。

綜上所述， 最終是水汽原因（外因）， 還是儀器本身原因（內因）， 可以通過排查管路中水汽干擾部位和現場比對測試后進行確認。

3 現場試驗

3.1 現場比對測試

首先檢查 CEMS機柜內各段管路， 排除凝結水的干擾； 使用便攜式溫/濕度儀測量冷凝器脫水后的煙氣濕度，確認煙氣濕度滿足分析儀的要求，機柜外部管路和分析儀內部問題通過比對測試確認。

現場比對測試一般是用 CEMS 與參比儀器同時對同一氣源進行測量以獲得比對數據的過程。通過分析比對數據的差異，可以為專業人員提供更準確的故障定位信息。測試前，先用相同標氣對 CEMS與參比儀器進行標定。 標定完成后， 將相同煙氣同時送入 CEMS與參比儀器， 觀察數據差異，進一步分析故障原因。

采用 PG-250 型 Horiba 便攜式氣體分析儀作為參比儀器測試的數據與 Ultra 23 進行比對， 兩者差異顯著：

（1）參比儀器與 Ultra 23 測量數據分別為 140 mg/m3和 50 mg/m3， 偏差超出 HJ/T 75-2007 規范要求。

（2）當工況波動， CO 濃度大幅飆升時， Ultra 23 的 SO2測量值大幅降低并隨 CO 波動， 而參比儀器的 SO2數據保持穩定。

對比相同工況下的數據差異，可以排除外部管路及 CO 等外部因素干擾， 表 明 Ultra 23 的 數據異常由儀器內部因素造成。

3.2 儀器內部參數分析

分析 Ultra 23 內部原因涉及其參數設置，由于制造商認為 CO 對 SO2的正向干擾不容忽略，在儀器出廠前對 Ultra 23 設置了軟件補償，以實時扣除 CO 對 SO2的正向干擾， 因此 CO 與 SO2的反向關聯可能是由于 Ultra 23 內設置了軟件補償所致。

為了驗證軟件補償帶來負向干擾，暫時關閉了 CO 補 償 項， Ultra 23 的 SO2濃 度 值 立即 由 50 mg/m3升至 125mg/m3， 與參比儀器的數據偏差符合 HJ/T 75-2007 的 規 范要 求 ， 說明正是軟件補償導致了 CO 與 SO2的反向關聯。 再次恢復 CO 補償項， 在 SO2低濃度工況下， 當 CO 濃度大幅飆升時， SO2值瞬間至零， 這與歷史曲線中 SO2值突變至零的現象相吻合，說明正是軟件補償引入負向干擾導致了 SO2值至零。

3.3 現場試驗結論

一般在儀器出 廠前， Ultra 23 量 程范 圍 內 的補償系數都經過專業人員精心設置， 不會對 SO2引入人為干擾；但量程范圍以外的補償系數就未經過合理設置，當 CO 超出量程后， 過量補償反而帶來負向干擾。因此，正是由于不合理的軟件補償導致當CO濃度隨工況大幅波動甚至超量程時， SO2值就會反向大幅波動，且步調高度一致，并在 SO2低濃度時出現瞬間至零的現象。

在關閉了 Ultra 23 的 CO 補償項后，觀察 CO值大幅波動既沒有對 SO2值造成正向干擾， 也不再出現 SO2值大幅波動、 突變至零的異常情況，比對數據已滿足 HJ/T 75-2007 的規范要求。

4 結語

（1）國產 CEMS 因起步較晚， 其核心元件通常依賴國外產品，北侖發電廠6號機組因儀器內部參數設置不合理導致數據異常的現象對同型CEMS用戶有借鑒意義。

（2）由于測量原理等多方面差異，CEMS 不同于常規儀器儀表，其故障原因往往復雜多變，給故障分析與診斷工作帶來很大難度。通過采用歷史曲線特征、測量原理和運行環境的綜合分析方法尋找 CEMS數據異常的原因， 最后通過現場比對測試準確定位故障原因，大量減少了排查與測試的工作強度，降低了故障分析難度。

（3）隨著發電廠脫硫、 脫硝系統的大規模安裝， CEMS作為重要的煙氣參數監測設備在數量上大幅增加，運行管理維護工作量也大大增加。重視故障分析方法的研究，提高故障診斷的水平，是提高維護工作效率的有效途徑。

[1]國 家 環 境 保 護 總 局.HJ/T 76-2007 固 定 污 染 源 煙 氣 排 放連 續 監 測 系 統 技 術 要 求 及 檢 測 方 法[S].北 京 ： 中 國 環境科學出版社，2007.

[2]國 家 環 境 保 護 總 局.HJ/T 75-2007 固 定 污 染 源 煙 氣 排 放連 續 監 測 技 術 規 范[S].北 京 ： 中 國 環 境 科 學 出 版 社 ，2007.

[3]環 境 保 護 部.HJ 629-2011 固 定 污 染 源 廢 氣 二 氧 化 硫的 測 定 非 分 散 紅 外 吸 收 法[S].北 京 ： 中 國 環 境 科 學 出版社，2011.

[4]王 森.在 線 分 析 儀 器 手 冊[M].北 京 ： 化 學 工 業 出 版 社 ，2008.

[5]滕 恩 江.煙 塵 煙 氣 連 續 自 動 監 測 系 統 運 行 管 理[M].北京：化學工業出版社，2008.

（本文編輯：陸 瑩）

Analysis and Treatment on Abnormal Data of Continuous Em ission M onitoring System

LU Yu-dong1， XIE Hong-hai2， LU Jian-wei1
（1.Z（P）EPC Electric Power Research Institute， Hangzhou 310014， China；2.Fengfeng Mining Administration Power Supply Company， Handan Hebei056200， China）

Taking abnormal data of continuous emission monitoring system （CEMS） of unit 6 in Beilun Power Plantas an example，the paper analyzes the characteristics of the abnormal data of SO2and proposes the fault analysis and diagnosismethod.It concludes that the abnormal data of SO2is fundamentally caused by overcompensation of CO in infrared gas analyzer， successfully solving the difficult problem in measurement that lasts one year ormore.

CEMS； SO2； return to zero； cross interference

TM314

： B

： 1007-1881（2012）11-0034-04

2012-02-27

盧毓東（1977－）， 男， 江蘇揚州人， 工程師， 碩士，從事電力系統環保技術工作。