火電廠CEMS與數(shù)據(jù)采集傳輸儀數(shù)據(jù)傳輸偏差原因分析

張 巖，秦逸軒，陳 聰，譚城軍，史 斌

（浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

隨著國家對環(huán)保事業(yè)的日益重視，不僅需要環(huán)保設施能正常投用，環(huán)境監(jiān)測工作也需要做得更為系統(tǒng)、全面和規(guī)范，污染源的在線環(huán)境監(jiān)測成為監(jiān)測工作的重中之重。火電廠作為環(huán)境監(jiān)測的重點對象，污染源在線自動監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸儀是污染源自動監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，在環(huán)保部門監(jiān)控中心和污染源現(xiàn)場監(jiān)控端之間發(fā)揮著承上啟下的作用，對于監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集及傳輸具有十分重要的意義。環(huán)保部門已經(jīng)對數(shù)據(jù)采集傳輸儀的技術性能及污染源CEMS（Continuous E-mission Monitoring System，連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)）的技術要求發(fā)布了相應的標準[1，2]，火電廠在線儀表的測量準確度也日益完善，但在實際應用中普遍存在因信號傳遞的問題或未按環(huán)境監(jiān)測要求折算、換算導致監(jiān)測數(shù)據(jù)存在偏差[3]，不能正確反映污染源的實際排放情況。

1 數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g要求

1.1 傳輸流程及數(shù)據(jù)類型

CEMS至數(shù)據(jù)采集傳輸儀的信號傳輸流程如圖1所示，就地的污染物、顆粒物及煙氣參數(shù)監(jiān)測儀表測定的數(shù)據(jù)經(jīng)CEMS自身的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理后傳送至數(shù)據(jù)采集傳輸儀，再傳送至環(huán)境監(jiān)測傳輸網(wǎng)絡。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型包括模擬量和開關量2種[1]，數(shù)據(jù)采集傳輸儀要求至少具備8個模擬量輸入通道，支持4～20 mA電流輸入或4～5 V電壓輸入。還要求至少具備4個開關量輸入通道，用于接入污染治理設備的工作狀態(tài)信號。而作為重要傳輸內容的模擬量數(shù)據(jù)在實際應用中最容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠睢?/p>

1.2 模擬量數(shù)據(jù)采集及傳輸項目

根據(jù)火力發(fā)電廠的排污特性及相應的排污標準[4]，由火電廠CEMS傳送環(huán)境監(jiān)測用的數(shù)據(jù)必須包含以下7項內容：排放煙氣中的煙氣溫度、煙氣壓力、煙塵濃度、SO2濃度、NOX濃度、O2濃度和煙氣流速（或流量）。其余非必需的數(shù)據(jù)還煙氣濕度等。

圖1 CEMS至數(shù)據(jù)采集傳輸儀數(shù)據(jù)傳輸流程

2 數(shù)據(jù)傳輸偏差的原因分析及解決方法

CEMS與數(shù)據(jù)采集儀的數(shù)據(jù)偏差包括硬件導致的偏差和軟件導致的偏差。由于電流、電壓模擬量傳輸導致的偏差非常容易診斷和解決，本文僅就采樣系統(tǒng)和數(shù)據(jù)換算及折算中產(chǎn)生的偏差進行分析。在7項必須的模擬量數(shù)據(jù)中，煙氣溫度基本采用熱電偶測量，經(jīng)就地儀表傳輸至數(shù)據(jù)采集傳輸儀；煙氣壓力基本采用壓力變送器測量，經(jīng)就地儀表傳輸至數(shù)據(jù)采集傳輸儀，屬于匹配度相對較高的模擬量數(shù)據(jù)，只要電流或電壓傳輸正常，基本不會產(chǎn)生偏差。較易產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸偏差的模擬量數(shù)值是煙氣流速（或流量）、煙塵濃度、SO2濃度、NOX濃度和O2濃度。

2.1 煙氣流速（或流量）的數(shù)據(jù)傳輸偏差

2.1.1 數(shù)據(jù)傳輸要求

目前，常用于電廠煙風速度測量的儀表主要有差壓式流量計、熱導式流量計和超聲波流量計等[5，6]。就地測量儀表輸出的模擬量信號為流速或流量。

根據(jù)相關標準要求[2]，需按式（1）計算煙道斷面平均流速：

式中：Kv為速度場系數(shù)； 為測定斷-面某一固定點或測定線上的濕排氣平均流速；Vs為測定斷面的濕排氣平均流速。

其中速度場系數(shù)定義[7]為：通過煙道或管道斷面煙氣的參比方法平均流速，與相同時間區(qū)間通過同一斷面或非同一斷面中某一固定點或測定線的煙氣平均流速的比值。

實際工況下的濕煙氣流量QS按式（2）計算：

式中：QS為實際工況下濕煙氣流量；F為測定斷面的面積。

標準狀態(tài)下的干煙氣流量按式（3）計算：

式中：Qsn為標準狀態(tài)下干煙氣流量；pa為大氣壓力；ps為煙氣靜壓；ts為煙氣溫度；Xsw為煙氣的含濕量。

2.1.2 數(shù)據(jù)傳輸偏差原因分析

在實際工作中，容易導致CEMS與數(shù)據(jù)采集儀產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸偏差的常見原因有：

（1）速度場系數(shù)確定及應用產(chǎn)生的偏差。

首先，在速度場系數(shù)Kv測定時，參比測定時間與自動連續(xù)監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)采集時間必須嚴格一致，否則容易導致Kv偏差。比如某機組煙氣排放速度場系數(shù)測定試驗中，參比方法測定的濕煙氣平均流速為12.8 m/s，相應時段數(shù)據(jù)采集的濕煙氣平均流速為13.5 m/s，而時間向后推移15 min的濕煙氣平均流速為14.2 m/s，相應的速度場系數(shù)分別為0.9481和0.9014，速度場系數(shù)偏差達到了4.64%，因此總的煙氣流量會產(chǎn)生較大偏差。另外，在煙道結構或煙氣參數(shù)發(fā)生重大變化時，需重新測定并計算速度場系數(shù)Kv[8]。

其次是未能正確理解速度場系數(shù)Kv的準確定義，從而導致流速（或流量）的數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差。用速度場系數(shù)Kv修正前后的流速值是實際工況下濕煙氣的流速。實際工作中經(jīng)常用實際參比方法測量的干煙氣流量與測量時段儀表測量的干煙氣流量統(tǒng)計均值的比值作為速度場系數(shù)Kv，再得出斷面的濕排氣平均流速。因為參比方法測定時段內使用的溫度、壓力和濕度等都是測量前輸入到儀器中的定值，而測量時段內儀表測量的干煙氣流量折算時，溫度、壓力和濕度都是由瞬時值計算得出，因此容易產(chǎn)生偏差，導致速度場系數(shù)不準確。實際工作中還發(fā)現(xiàn)，有的發(fā)電廠為了方便修改邏輯，直接將速度場系數(shù)與流速（或流量）測量表計的量程相乘，有些還未按數(shù)值修約的標準規(guī)范處理[9]，給發(fā)電廠CEMS數(shù)據(jù)正確規(guī)范性管理、環(huán)境監(jiān)測及環(huán)保核查工作帶來了諸多不利影響，應避免此類現(xiàn)象的發(fā)生。

（2）當就地測量儀表輸出的模擬量信號為速度場系數(shù)修正后的濕煙氣流速（或流量）時，在將濕煙氣流速（或流量）換算成干煙氣數(shù)值的過程中容易產(chǎn)生偏差。正確的換算步驟應按公式（2）和（3）計算。若數(shù)據(jù)采集儀的模擬量輸入信號中包括CEMS儀表測定的煙氣濕度，則在數(shù)據(jù)采集儀一端輸入相應的公式引用濕度數(shù)據(jù)即可。若無該數(shù)值，則在實際工作中容易因疏忽而導致最終得出的煙氣流量為標準狀態(tài)下的濕煙氣流量，這一數(shù)值要大大高于標準狀態(tài)下的干煙氣流量。比如，某機組傳送至數(shù)據(jù)采集傳輸儀的數(shù)據(jù)中不包含濕度，CEMS傳送給數(shù)據(jù)采集傳輸儀的流速為12.8 m/s，根據(jù)公式（2）和（3）計算后，標準狀態(tài)下的濕態(tài)煙氣量為3239281 m3/h，但因為數(shù)據(jù)采集傳輸儀沒有濕度數(shù)據(jù)，最后環(huán)境監(jiān)測部門得到的數(shù)值就是3239281 m3/h，容易誤解為該數(shù)值就是標準狀態(tài)下的干煙氣流量。解決辦法是：環(huán)境監(jiān)測部門與電廠通過切實可靠的實際測量等技術手段，掌握實際情況后協(xié)商1個濕度數(shù)據(jù)作為定值輸入數(shù)據(jù)采集儀端的計算公式中，得出標準狀態(tài)下的干煙氣流量。對上述機組，可在數(shù)據(jù)采集傳輸儀一端設定濕度為9%，折算后得到標準狀態(tài)下的干煙氣流量為2947746 m3/h。

（3）未能正確或認真理解并規(guī)范使用公式（3），在實際工作中也會導致?lián)Q算偏差。無論就地表計輸出到數(shù)據(jù)采集儀的是濕煙氣流速還是流量，都應嚴格按照公式（2）和（3）進行折算，最終在數(shù)據(jù)采集儀端得出標準狀態(tài)下的干煙氣流量。

2.2 煙塵及氣態(tài)污染物排放濃度的數(shù)據(jù)傳輸偏差

2.1.1 數(shù)據(jù)傳輸要求

排放標準中對煙氣污染物的體積濃度與質量濃度的換算作如下規(guī)定：將體積濃度換算成質量濃度，1 μmol/mol二氧化硫相當于 2.86 mg/m3，氮氧化物質量濃度以二氧化氮計，1 μmol/mol氮氧化物相當于2.05 mg/m3。

煙塵及氣態(tài)污染物折算排放質量濃度按公式（4）計算[4]：

式中：C為折算成過量空氣系數(shù)為α時的煙塵、二氧化硫和氮氧化物排放質量濃度；C′為實測的煙塵、二氧化硫和氮氧化物排放質量濃度；α′為實測的過量空氣系數(shù)；α為火電廠大氣污染物的過量空氣系數(shù)，燃煤鍋爐取α=1.4，燃油鍋爐取α=1.2，燃氣輪機組取α=3.5。

實測過量空氣系數(shù)α′按公式（5）計算：

目前，CEMS中煙氣自動分析儀的采樣方式主要有直接抽取采樣法和稀釋抽氣采樣法。直接抽取采樣法又可分為冷-干式直接抽取和熱-濕式直接抽取。我國基本采用冷-干式直接抽取法，煙氣樣品從煙道抽取后，經(jīng)過加熱軟管加熱至酸露點以上，在分析儀器前端除水及冷卻后進入煙氣分析儀表。稀釋抽氣采樣法是抽取少量煙氣樣品，一般不進行干燥，過濾后再用清潔干燥的空氣按一定比例稀釋（通常在 1∶50～1∶200，我國多為1∶100）[10]，以降低樣氣中水分含量，避免結露，再送至煙氣分析儀表[11]。冷-干式直接抽取法測得的煙氣污染物濃度為干態(tài)濃度值，目前國內應采用稀釋抽氣采樣法技術測得的煙氣污染物濃度為濕態(tài)濃度值[10]。

若采用稀釋法采樣系統(tǒng)且稀釋樣氣未除濕，煙氣中污染物濃度應按公式（6）折算：

式中：ρd為干煙氣中被測污染物質量濃度；ρw為CEMS測得的濕煙氣中被測污染物質量濃度；Xsw為煙氣含濕量。

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸偏差原因分析

實際工作中常見的錯誤有：

（1）部分采用稀釋法采樣的CEMS在折算時將煙氣中的污染物濃度進行了濕基到干基的轉換，但直接用濕基的氧量來計算過量空氣系數(shù)α，從而導致了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠睢Ｕ_的做法是：無論在CEMS端還是在數(shù)據(jù)采集傳輸儀端，都應嚴格按照公式（6）進行折算，確保各個參數(shù)的干基或濕基狀態(tài)符合要求。

（2）氮氧化物的濃度未折算成二氧化氮的質量濃度，而是折算成一氧化氮或氧化二氮的質量濃度[12]。將體積濃度換算成質量濃度，若以二氧化氮計，1 μmol/mol氮氧化物相當于2.05 mg/m3；若以一氧化氮計，1 μmol/mol氮氧化物相當于1.34 mg/m3； 若以氧化二氮計，1 μmol/mol氮氧化物相當于1.96 mg/m3。

（3）雖然已將實測的體積濃度轉化成質量濃度，但并未按照排放標準在CEMS端或數(shù)據(jù)采集傳輸儀端進行過量空氣系數(shù)的折算，或者選用了錯誤的過量空氣系數(shù)，導致顯示濃度值無法以規(guī)定的折算基準來衡量排放水平。

3 結論

火電廠CEMS與數(shù)據(jù)采集傳輸儀間的數(shù)據(jù)傳輸是將現(xiàn)場檢測儀表數(shù)據(jù)提供給環(huán)境監(jiān)測部門的主要手段，除了現(xiàn)場表計要測量準確之外，數(shù)據(jù)的傳輸過程也要加以重視，避免因各種不必要的疏忽或錯誤導致CEMS測量數(shù)值不能準確傳輸，從而影響環(huán)境監(jiān)測的正確性或準確性。為避免火電廠CEMS與數(shù)據(jù)采集傳輸儀間的數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生偏差，在實際工作中應注意以下幾點：

（1）熟悉相關標準、規(guī)范及設備說明書，正確理解術語、概念及計算公式，嚴格按照給定的計算公式或折算方法進行數(shù)據(jù)計算，尤其要注意干態(tài)與濕態(tài)、實際工況與標準工況間的折算。

（2）不同采樣方法的CEMS，計算方法要區(qū)別對待，對所有相關數(shù)據(jù)進行折算，避免遺漏。

（3）無論是在CEMS的測量表計端，還是在數(shù)據(jù)采集傳輸儀端設置，都必須使表計測得的數(shù)據(jù)正確折算至環(huán)境監(jiān)測需要的數(shù)據(jù)，并符合環(huán)境監(jiān)測的相關標準及規(guī)范，確認過程需要從信號源頭至最終的環(huán)境監(jiān)測顯示值進行梳理，避免漏算或重復計算。

[1]HJ/T 477-2009污染源在線自動監(jiān)控（監(jiān)測）數(shù)據(jù)采集儀傳輸儀技術要求[S].北京：中國環(huán)境科學出版社，2009.

[2]HJ/T 75-2007固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術規(guī)范[S].北京：中國環(huán)境科學出版社，2007.

[3]孫海林，賀鵬，朱媛媛.污染源自動監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸儀在污染源在線監(jiān)測中的應用[J].環(huán)境研究與監(jiān)測，2010，23（3）∶12-14，22.

[4]GB 13223-2003火電廠大氣污染物排放標準[S].北京：中國標準出版社，2004.

[5]胡達清，劉長東，趙金龍，等.SCR脫硝工藝中煙氣流速測量儀表的選型分析[J].自動化儀表，2011，31（8）∶77-78.

[6]馮真禎，朱林，段玖祥.國內外煙氣流速測量標準比較分析[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術，2010，22（5）∶57-62.

[7]HJ/T 76-2007固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術要求及檢測方法（試行）[S].北京：中國環(huán)境科學出版社，2007.

[8]高小晉，易江，韓保光，等.速度場系數(shù)在煙氣流速測定中的應用與研究[J].環(huán)境科學研究，2000，13（6）∶16-18，48.

[9]GB/T 8170-2008數(shù)值修約規(guī)則與極限數(shù)值的表示和判定[S].北京：中國標準出版社，2008.

[10]楊凱，周剛，王強，等.煙塵煙氣連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2010，26（5）∶18-26.

[11]劉天海.CEMS技術在電廠脫硫專業(yè)的應用與維護[J].電力技術，2010，19（5）∶27-29.

[12]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(huán)境保護，2010，19（5）∶47-49.