河南省火電機組煙氣排放連續監測系統運行分析

丁朋果，張育嬋

(1.河南電力試驗研究院，鄭州市，450052;2.河南佳昱環境科技有限公司，鄭州市，450000)

0 引言

近幾年，燃煤電廠的脫硫裝置均已普遍安裝煙氣排放連續監測系統。煙氣排放連續監測系統(continuous emission monitoring systems for flue gas，CEMS)包含測定污染源顆粒物和/或氣態污染物濃度或排放速率所需的全部設備。它是由顆粒物CEMS和/或氣態污染物 CEMS(含 O2或 CO2)、煙氣參數測量子系統、數據采集處理子系統組成。由該監測系統所反應的污染物濃度數據已作為考核電廠環保設施達標運行以及排污收費的主要手段。

目前，雖然國家已經發布了關于煙氣CEMS相應的技術規范(HJ/TY 75—2007)和檢測方法(HJ/TY 76—2007)，但是CEMS的數據作為執法依據，其裝置應該具有法定計量儀器身份，才能保證提供的數據科學、客觀、公正、可信。然而我國目前并沒有專門針對此類在線煙氣監測裝置的計量標準，也沒有對裝置在現場使用過程中的效果進行數據溯源和監控。現有文章雖然也有針對CEMS系統的某些項目進行檢測分析，但不能完全反映該設備真實的準確度計量特性。本文根據1年來的計量校準工作所得到的校準結果對全省范圍內的CEMS系統進行全面統計分析，總結各校準項目的準確度合格率以及CEMS系統運行中普遍存在的問題，提出建議。

1 CEMS計量校準工作概況

截止2010年底，河南全省統調電廠115臺機組均已安裝煙氣CEMS。為全面了解各火電機組煙氣CEMS系統的運行情況，河南電力試驗研究院于2010年對選取的54臺機組(共計18 995 MW)的107套CEMS系統進行了計量校準工作，分析了目前存在的設計、設備和運行方面的問題，并提出初步建議。校準工作依據JJF(豫)146-2008《煙氣排放連續監測裝置校準規范》［1］進行，校準項目主要包括顆粒物、SO2、NOx、O2及煙氣流速。

2 CEMS運行情況分析

對河南省火電機組CEMS系統的調查發現氣態污染物的測量采用的取樣方式以完全抽取式為主，而采用在線式采樣方式的電廠不多［2］。出現這種情況的原因是儀器在線標定存在一定困難，而國內鍋爐燃燒工況復雜，高粉塵、高濕度環境對儀器的腐蝕磨損大，需要定期校準和清理維護。另外，由于稀釋采樣法在國內的設備生產廠家少，且價格昂貴，基本沒有電廠使用［3］。

根據被校準項目的各計量特性，通過對省內107套CEMS系統進行校準分析，得出各校準項目的準確度合格率，并對誤差情況作了簡單分析。

2.1 顆粒物示值誤差

顆粒物連續測量裝置盡管種類很多，但目前在燃煤電廠中普遍使用的主要還是光學法［4］。

經過試驗分析，顆粒物準確度的總體合格率為70.09%。顆粒物示值誤差的產生主要是由以下幾個方面引起得:(1)測試原理問題。基于目前國內技術限制以及現場條件所限，在現場試驗時仍多采用的是S型皮托管煙塵采樣器，原理是濾筒采集重量法。這與光學法測量原理有著較大的差異，對于由于測量原理不同引起的誤差，通過多次采樣，調整采樣量或者采氣量(JJF(豫)146—2008《煙氣排放連續監測裝置校準規范》［1］要求采氣量不少于500 L或采樣量不少于10 mg)可以將誤差降到最低［3］。(2)探頭安裝位置問題。對于新建電廠或者脫硫改造電廠，由于場地所限或者其他原因導致現場煙道布置復雜多變，電廠或設計廠家幾乎沒有給校準留下任何專門測點，特別是符合HJ/T 76—2007規定的測點(距彎頭、閥門、變徑管下游方向不小于4倍煙道直徑，距上游方向不小于2倍煙道直徑［7］)，往往是在彎頭、變徑、風機、煙氣換熱器(gas gas heater，GGH)附近，或者處于垂直工作面，由于煙道的機械振動或煙氣溫度不均而造成折射率不均，從而造成測量光束的擺動，引起測量誤差。(3)煙道內氣流均布問題。此問題多是由現場測點安裝位置引起。應優先選擇垂直管段和煙道負壓區域，穿過顆粒物分層梯度，避免重力和粘性力引起的顆粒物分層(1～10 μm)影響。另外，還要避開煙氣在煙道內的切向力和煙道內支架引起的湍流區［2］。在現場測試時，就經常出現在某一測點處流速數值為0的狀況，應注意避開此區域。(4)煙氣濕度過大問題。濕度的影響尤其體現在未安裝GGH脫硫后凈煙氣監測點處，由于受除霧器運行的影響，當除霧器的捕集效率下降時，煙氣濕度會增大，粗顆粒的漿液霧滴和水汽會隨煙氣帶出，而基于光學技術的顆粒物CEMS是無法區分水滴和煙塵的。濾筒采集重量法在計算時會扣除濕度的影響，由此也就造成誤差的產生。

2.2 氣態污染物

(1)響應時間。按照校準規范的要求，氣態污染物的響應時間應≤200 s［1］。在所有被校準的CEMS系統中，SO2、NOx、O2的響應時間合格率為100%。這是由于所有的取樣方式均為完全抽取式紅外光學分析法，煙氣由抽氣泵從煙道抽取出來，送進分析儀進行分析。該方法具有測量波段寬，可實現多組分同時測量;光通量大、靈敏度高;掃描速度快、1 s內就可以完成全波段掃描等優點。因此，200 s的響應時間對于光學法的CEMS系統來說已經足夠。

(2)零點、量程漂移。按照校準規范的要求，氣態污染物的零點漂移應≤2.5%F.S.，量程漂移應≤5.0%F.S.［1］。零點、量程漂移合格率見表1。

表1 氣態污染物零點、量程漂移合格率Tab.1 Qualified rate of zero drift and span drift for gaseous pollutants %

大部分煙氣CEMS系統都可以由用戶根據實際運行情況自行設置自校準周期，自校用的校準氣體通常為空氣。在自校準時，儀器由校準氣進口抽入清潔空氣，對SO2、NOx的零點，O2的量程進行校準。在正常情況下可以實現SO2、NOx最終零點為0，O2的量程為20.9。但是，由于大部分的CEMS系統校準用的空氣多取自現場大氣，現場又距離煙道、煙氣擋板門、增壓風機、GGH或者脫硫塔位置較近，這些位置都存在潛在漏點。整個脫硫島在運行過程中，會有部分煙道及閥門存在煙氣泄漏，造成整個脫硫島區域的空氣組分發生變化。另外，部分電廠設置的自校周期時間過長(有的長達30 d)，不能對產生的漂移進行及時的調整。

某電廠CEMS系統在運行過程中曾出現這種情況:凈煙氣在測量過程中，SO2數據經常出現負值現象，有時數據能達到-20 mg/m3。經過現場分析，發現在CEMS儀器間內，空氣中伴有刺鼻的氣味，儀器分析后，得出SO2測量數據竟達到35 mg/m3，查找原因后，發現在CEMS機柜內部，采樣泵后的氣路存在多處正壓漏點，儀器在自校準過程中，未抽取室外的環境空氣校準，而是取自室內的被污染的空氣。經用高純氮氣對儀器做零點分析，發現零點漂移達40 mg/m3。此種情況下，所謂的清潔空氣已經受到污染，用這樣的空氣來進行零點和量程校準，必然產生漂移。由于凈煙氣濃度比較低，在實際濃度低于40 mg/m3的時候，測量值就必然會產生負值現象。通過采取用氮氣進行零點校準、消除機柜內的氣路漏點、并將儀器自校準的氣路接到室外這3種措施以后，測量出現負值的現象逐漸消除。

(3)示值誤差。SO2準確度的總體合格率為88.79%，NOx準確度的總體合格率為71.03%，O2準確度的總體合格率為90.65%。

氣態污染物示值誤差的產生主要是由以下幾個方面引起的:①系統的氣密性問題。由于整個氣態污染物的取樣管以耐腐蝕高性能的樹脂管和伴熱帶組成的恒溫伴熱管作為進樣系統，外加保溫層、鋁帶，最后覆以阻燃聚烯烴保護外套復組合而成，通常情況下長度都在10 m以上，在取樣泵的作用下，泵前沿途均為負壓，探頭結合處略微的松動或者管道老化都會造成外界空氣的滲入，引起測量誤差。另外，分析儀內部眾多的閥門、接頭也存在潛在漏點。在采用標準氣體法校準過程中，如果發現校準后的檢測誤差依然很大，很可能就是存在漏氣，特別是在采用完全抽氣法時，密閉不嚴會有空氣抽入，從而影響測試結果。②系統預處理裝置問題。預處理裝置是整個系統的重要組成部分，包括汽水分離器和電子冷卻器。由于電廠煙氣多為高溫、高濕、高塵，且具有腐蝕性，因此，必須將進入分析儀的樣氣干燥并冷卻到5℃以下，脫水系統有效的將SO2和NOx的損失量減少到最低程度。③定期校準。按照校準規范要求，需用50%F.S.以上的量程氣定期對分析儀進行校準，滿量程值應設置為高于最大測量濃度的1～2倍，但是，部分電廠CEMS的滿量程值設置不能根據實際情況做出選擇，如脫硫后SO2濃度的滿量程值一般設置為3 000 mg/m3，而實際測量結果一般在500 mg/m3以內，在日常校準過程中，電廠往往選擇用與實際測量濃度值接近的標準氣體進行校準，標準氣體值在50%F.S.以下范圍，與滿量程值相差過大，也會影響了測量精度。另外，在運行過程中，如發現數據異常，可縮短校準周期。④采樣管路堵塞問題。由于部分電廠在運行過程中，除塵器或脫硫系統運行異常，會導致煙氣含塵量和濕度發生變化，造成采樣探頭濾芯、粉塵過濾芯堵塞，還有取樣管路有時也會由于探頭濾芯不及時更換造成探頭內粉塵過多進入取樣管而堵塞取樣管。因此，應定期對采樣管進行壓縮空氣吹掃和水沖洗。

2.3 流速示值誤差

一般情況下，火電機組來煙氣流速(風速)的測量范圍為0～100 m/s，大致可以分為3個區段:低速0～5 m/s;中速5～40 m/s;高速40～100 m/s。CEMS中流速的測量范圍主要涵蓋在中速即5～40 m/s的范圍內，目前測定風速的方法，主要有皮托管法、熱導法、超聲波法和時間差法［6］。由于煙道的設計滿負荷的煙氣流速是10～15 m/s，因此使用最多的是皮托管法(見圖1)。皮托管法是利用皮托管測量煙氣流通截面上的全壓和靜壓之差(即動壓)來計算流速。煙氣流速的準確性直接影響到煙氣流量的計算，進而影響到電廠污染物排放總量以及排污費征收額度，因此，流速是直接與電廠經濟利益掛鉤的指標之一。煙氣流量的測量采用“流速-面積”法，通過測量煙氣流速，由流速和測量煙道的截面積計算得到。

圖1 皮托管Fig.1 Pitot tube

經過試驗分析，流速準確度的總體合格率為52.34%，結果顯示合格率偏低。流速示值誤差的產生主要是由以下幾個方面引起的:①煙氣成分影響。燃用煤種燃燒后的灰分遇水粘結性強，除塵效果不理想，導致原煙氣含塵量偏高，進入脫硫塔煙塵濃度過大。由于煙塵具有水硬性，隨著時間的推移累積硬化成類似水泥的硅酸鹽，板結而形成垢塊。通常情況下，按照脫硫塔設計要求，脫硫塔入口原煙氣的煙塵含量要≤100 mg/m3，但絕大多數電廠都不能滿足這一要求。現場實測發現，某電廠的脫硫塔入口煙塵含量高達500 mg/m3，在檢修皮托管時發現，深入煙道內的頭部管路，已有部分磨損，而且完全被堵塞;另外，某些電廠經常發生“煙囪雨”現象，究其原因在于除霧器積灰堵塞導致除霧效率下降，凈煙氣濕度增大，濕煙氣攜帶大量漿液排出，在煙囪入口處的凈煙氣流速測點，也容易發生堵塞皮托管的現象。因此，選用壓差法流量測量裝置如果不及時進行反吹，就很容易發生堵塞現象，影響設備正常工作。②皮托管安裝位置。煙氣流量測量一般要求符合HJ/TY 76—2007規定的測點(距彎頭、閥門、變徑管下游方向不小于4倍煙道直徑，距上游方向不小于2倍煙道直徑)。對于FGD裝置，由于受現場條件的限制，煙道直管段長度通常不夠，也會造成流速誤差的產生(如圖2)。因此，當安裝流速測量探頭時，需對整個煙道內流場進行分析，并采取網格多點測量等措施，以保證測量數據的真實可靠。③參比方法測點位置影響:按照HJ/TY 75—2007規范要求，參比方法測點應盡可能的靠近CEMS監測點。但是，某些電廠由于設計原因，無法提供合適的位置，導致參比測點距離CEMS監測點位置較遠，這也會影響測量的準確性。在對某電廠的現場試驗過程中發現，在煙囪入口處，CEMS裝置的流速測點位于參比測點上方3 m處，且煙道呈不規則形狀，在參比測點處，受煙氣流場影響，流速無法正確測出，因此無法對該處流速進行校準評價。

3 結論與建議

通過對全省部分電廠107套煙氣CEMS裝置的計量校準，針對過程中的發現的一些問題，提出一些建議。

(1)建立煙氣CEMS裝置的運行、維護和管理制度，做好一線運行維護人員的培訓和管理工作。

(2)日常運行中，系統需按每日、每周、每季及每年內容進行維護。日檢主要是查閱CEMS系統的實時數據、歷史數據曲線以及生成報表。具有自動校準功能的儀器，應每24 h自動校準1次儀器零點和量程;周檢主要是用零氣和標準氣體對監測儀進行檢查和校準，檢查氣路系統是否泄漏或堵塞，部件是否損壞，分析儀表是否正常工作，相關電源線和信號線是否連接良好，伴熱管加熱溫度、冷凝器溫度是否正常等;季檢主要是檢查煙氣取樣裝置和采樣探頭吹掃管路，并取出煙氣探頭、流量儀清除積灰，檢查煙氣靜壓是否正常，如有異常則用空氣吹掃等;年檢主要是對系統進行人工比對測試，輸入修正系數，并對當前系數做記錄。采樣泵檢查和更換隔膜片，清理或更換風扇和空氣入口的濾網，根據標定記錄情況，酌情更換電化學儀器［6］。

(3)做好除塵器及脫硫系統的運行工作，為CEMS裝置的正常運轉創造良好環境。

(4)加強校準用標準氣體的管理。在進行氣態污染物的自動校準時，盡量使用高純氮氣或清潔干空氣。

(5)分析儀表應結合實際應用情況選定最大量程測量值，通常設置為高于最大排放濃度的1至2倍。

(6)探頭應安裝在能夠獲取煙氣中具有代表性試樣的位置。現有的FGD系統在加裝煙氣CEMS之前，應當對整個煙氣流場進行測試，準確找出煙道內的流速分布。對于新建電廠，可以采用煙道內的初始煙氣流的模擬試驗來代替流場測試，可以根據初始結果推導出監測儀器的修正系數。

(7)針對在運行的煙氣CEMS系統，由于現場探頭位置安裝不符合規范要求而導致測量數據異常的問題，應選擇具有代表性的采樣點，定期通過現場實測的方法進行比對試驗。

(8)對于參比測點的選擇，在不影響煙氣CEMS探頭正常工作的情況下，應遵循就近原則，盡量選擇與探頭處于同一截面，同一高度的位置，減少由于安裝距離引起的誤差。

［1］JJF(豫)146—2008煙氣排放連續監測裝置校準規范［S］.

［2］楊凱，滕恩江.顆粒物CEMS的取樣問題和基本分析技術［J］.電力環境保護，2005，21(3):59-62.

［3］陳崧，田曉峰.煙氣排放連續監測系統現場檢測問題與分析［J］.河南電力，2009(1):48-50.

［4］張濱渭.固定式煙塵連續測量裝置在燃煤電廠中的應用［J］.熱力發電，2004(9):43-45，48.

［5］鄒正偉，董文嫻.直接抽取采樣式CEMS的測量誤差分析［J］.電力環境保護，2009，25(2):47-49.

［6］張國鑫.濕法脫硫系統經濟運行對策研究［J］.電力科技與環保，2010，26(4):50-53.