矩陣式煙氣取樣技術在不均勻流場煙氣測量上的應用

孫成永 張鵬 王娜

摘要：火電廠煙道屬于大截面煙道，由于鍋爐結構的限制，煙道流場分布不均勻。尤其是脫硝出口煙道，普遍存在著催化還原反應不均勻、煙道直管段短的問題，煙氣濃度場分布不均勻。在流場不均的煙道，單點取樣測量的煙氣數據不能代表煙氣的實際參數，不能作為生產運行調節的參考依據。本文通過對比幾種應用于煙氣取樣的典型取樣技術，提出了適用于不均勻流場煙道的矩陣取樣技術，為火電廠煙氣取樣分析提供指導。

關鍵詞：大截面煙道；流場不均；矩陣取樣

中圖分類號：X701.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2018）03-0244-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.03.147

Abstract： Flue section of thermal power plant is large cross section . Due to the limitation of boiler structure.Non-uniform of the flow field distribution is ubiquity .Especially the export smoke cross of denitrification. The problem of catalytic reaction is not uniform and straight pipe section of flue is short is ubiquity.Consistency gas is maldistribution .Uneven distribution of flue in the flow field ，the gas data of single point sampling measurement doesnt represent the actual data.It can not be used as a reference for production operation adjustment. In this paper ， by comparing several kinds of typical probe technologies which are applied to gas probe. Optimized configuration solution of gas probe technologies ，is put forward to suit for gas probe technologies， and a reference is provided in the selection of gas probe system for the gas probe of thermal power plants.

Key words： Large section flue； Uneven flow field； Atrix sampling

燃煤機組煙氣脫硝改造，由于場地空間限制，脫硝出口煙道較短，而且存在多處變徑和拐角；火電廠煙道屬于大截面煙道，煙道尺寸在幾米到十幾米，流場不均普遍存在。由于煙道流場分布不均，脫硝出口NOX和NH3的濃度分布也不均勻。在運行過程中，脫硝出口NOX和NH3濃度的測量數據存在基本不變化或者波動較大的情況，不響應系統工況變化，還存在脫硝出口與脫硫出口所測NOX濃度偏差較大的情況。這些測量數據不但不能為生產運行提供指導，反倒給運行人員帶來困擾，給脫硝系統投自動也帶來較大障礙[1]。

這些問題都是在流場分布不均的煙道上，采用傳統的單點取樣方式所帶來的。在不均勻流場，一個點的測量數據不能代表整個煙道的煙氣濃度參數，該點的測量數據也失去了使用價值和意義。當前，NOX和NH3的濃度檢測已經有較為先進的化學發光技術，測量精度可達到PPB級，導致NOX和NH3測量不準的主要原因集中在取樣方式上。因此，研究一種能適用于不均勻流場、能充分反映煙道實際濃度的煙氣取樣技術就具有比較現實的意義[2]。

1 煙氣不均勻性和取樣技術現狀分析

1.1 煙氣不均勻性分析

為分析煙氣流場的分布情況，對某電廠300MW機組脫硝出口煙氣NOX和NH3的濃度分布進行了測試。煙道為10m×4m矩形煙道，在煙道AB側分別取2個取樣點，一共取A、B、C、D四個點的NOX和NH3濃度測量數據進行分析，取樣示意圖如圖1所示。

在負荷工況基本保持不變的情況下，分別對四個點的NOX和NH3濃度進行連續測量，測量持續時間為2小時，測量數據整理成曲線分別如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3的測量曲線可看出，無論是NOX還是NH3，其濃度分布都是不均勻的。其中A取樣點的數據較為穩定，但NOX的測量值比實際煙氣濃度值偏高，基本都超過了排放限值50mg/m3；而NH3基本接近于0，無較大波動。其他三個取樣點所測量的數據波動較大，也無規律可循。由此可見，不同取樣點的測量濃度相差達到幾倍甚至幾十倍，如若采用單點取樣方式，無論是在哪一個點取樣進行煙氣監測，其測量值都不能代表煙氣濃度的實際值[3]。

1.2 煙氣取樣技術現狀分析

傳統的煙氣取樣方式為單點取樣，探桿長度一般為1.5m，樣氣經煙氣預處理系統濾塵、除水后進入分析儀進行檢測。取樣示意圖如圖4所示。

脫硝改造實施后，因單點取樣不能滿足運行對測量數據的要求，從而產生了三點取樣。探桿長度1.5m，在同側煙道的不同位置安裝3個取樣探桿，使用取樣泵將樣氣抽出進入混合箱混合，再經過預處理濾塵、除水后進入分析儀檢測。取樣示意圖如圖5所示。

從圖4和圖5可以看出，無論是單點取樣點還是三點取樣，在大截面不均勻的流場里，其測量數據都不具備代表性，不能真實反映煙氣實際污染物濃度。

2 矩陣式煙氣取樣的技術原理

矩陣式煙氣取樣裝置是將煙道斷面劃分為若干個等面積的矩形小塊，各塊中心即為取樣點。通過多個取樣點的合理布置，用以實現大截面煙道的全截面煙氣混合取樣。煙氣經各支管取樣后，在煙道外匯流到一混合母管，混合母管連接至空氣預熱器后端。矩陣取樣裝置取樣示意圖如圖6所示。

由圖6可以看出，煙氣測量單元安裝在矩陣取樣裝置混合后的母管上，所測量的煙氣為若干取樣點取樣后混合的煙氣，其測量值可代表煙道內煙氣污染物的實際濃度。

3 矩陣式煙氣取樣技術的應用效果

某電廠300MW機組在A側脫硝反應器出口安裝了矩陣式煙氣取樣裝置，裝置投入運行2個月后，收集脫硝出口NOX和NH3的歷史數據進行分析，數據曲線如圖7所示。

由圖7中NOX和NH3的歷史數據曲線可看出，采用矩陣式煙氣取樣裝置所測量的數據曲線平滑穩定，能真實反映整個煙道內的污染物濃度。而且數據無急劇的階躍變化，有利于脫硝自動的投入。

4 結論

采用單點或三點煙氣取樣方式所測量的煙氣濃度數據不能代表大截面不均勻流場煙道的實際污染物濃度。

矩陣式煙氣取樣裝置采用多點取樣、混合測量的方式，可有效解決單點測量不具代表性的問題，其測量數據可代表煙氣污染物的實際濃度。安裝矩陣式煙氣取樣裝置后脫硝系統可投入自動，有利于脫硝系統優化運行[4]。矩陣式煙氣取樣裝置有耐腐蝕、耐磨、反吹和自清灰設計，母管有加熱和保溫設計，有效防止了裝置堵塞和磨損，大大降低了維護量。

參考文獻

[1]張振義，鄒磊.火電廠凈煙氣煙道流場特性分析及流量測點選擇[J].江蘇電機工程，2014，33（04）：75-77.

[2]王秋紅.煙氣排放連續監測系統（CEMS）在燃煤鍋爐上的應用[J].中國儀器儀表，2010（S1）：58-60.

[3]毛奕升，吳智鵬，張孝天.火電廠SCR脫硝系統噴氨優化調整及煙氣取樣方法改進[J].中國電力，2017，50（04）：167-171.

[4]張迎飛，陳亮.煙氣排放連續監測系統（CEMS）的設計應用[J].儀器儀表用戶，2016，23（06）：45-47.

收稿時間：2017-12-29

作者簡介：孫成永（1983-），男，碩士研究生，工程師，研究方向為能源電力節能與環保。