提高燃機CEMS系統的測量精度

鄭 捷，阮雷鈞，胡方明

（1.浙江浙能長興發電有限公司，浙江 長興 313100；2.杭州中興達科技有限公司，杭州 310052）

0 引言

浙能長興天然氣熱電有限公司（以下簡稱長然公司）目前配備兩臺435MW燃氣機組，由上海電氣股份有限公司引進西門子技術生產。該燃氣機組為單軸聯合循環機組，包括兩臺SGT5-4000F（X）燃氣輪機及與之相配的汽輪發電機組和兩臺上海鍋爐廠生產的無補燃三壓、再熱蒸汽循環余熱鍋爐和相關的輔助設備，每套機組配置一套煙氣連續監測系統（簡稱CEMS）。在性能保證工況下，單臺機組凈輸出功率：聯合循環434.8MW，燃機292.7MW。聯合循環效率58.16%，其中燃機簡單循環效率39.15%。各階段工況污染物排放：NOX≤50mg/m3；SO2≤35mg/m3；煙塵≤5mg/m3；揮發性有機物VOC＜4mg/m3[6]。由于當前國家對環保排放的日益重視，節能環保的燃機機組在國內得到大力建設。與此同時，燃機的低排放特性也對CEMS的測量提出了更高的要求。

1 燃機CEMS的組成

長然公司CEMS系統用于在線連續監測機組排放的各類氣態污染物，氣態污染物采樣方式為加熱采樣，該裝置安裝于余熱鍋爐出口煙囪處。系統監測參數包括NO、CO、煙氣溫度、煙氣流速、O2含量、SO2含量、濕度、壓力和煙氣煙塵含量。其中，NO、CO、O2、SO2的測量采用ABB公司的AO2020表計進行分析；煙氣溫度、煙氣流速則采用熱式流量計進行測量；濕度、壓力、煙塵分別采用濕度傳感器、壓力變送器和光學煙塵儀進行測量。整個系統的構成與燃煤機組CEMS系統的構成基本一致。

機組投運后地方環保部門對長然公司的CEMS系統進行了環保比對，在機組功率大于75%設計負荷的工況條件下，機組的NOX、CO、煙氣溫度、煙氣流速、O2含量、濕度、壓力、煙氣煙塵含量等參數均在國家合格的排放范圍內。

然而在燃機啟動低負荷階段，技術人員發現CEMS系統顯示燃機排放的煙氣中SO2含量的測量值最大可達到2200mg/m3，遠遠超過燃機排放標準，而同時NOX測量值則偏低。由于燃機燃燒介質為天然氣，根據天然氣成分報告，其硫成分含量幾乎近零，機組啟動階段存在高濃度的SO2應無可能，技術人員懷疑數據的測量可能存在問題。對此，技術人員采用環保部門使用的攜帶式測量儀表進行數據測量，電廠和環保部門兩套設備的具體數據比對見表1。由此可見，長然公司CEMS的測量確實出現了較大偏差。

表1 機組啟動過程參數值比對表Table 1 Unit startup process parameter value comparison table

2 原因分析

長然公司用于檢測NO、CO、O2、SO2的氣體分析儀采用ABB公司的AO2020。該表計的分析原理為非分散紅外吸收法，即不分光，選取一個寬波長范圍的光源，用兩個窄帶濾光片分別在檢測器之前濾光，兩個檢測器一個作為傳感器，另一個作為參比。對比兩個檢測信號，得出被測氣體吸收紅外光量，從而換算出被測氣體濃度。紅外氣體分析儀作為一種快速、準確的氣體分析技術，目前在CEMS領域中應用較為廣泛[1]。

2.1 SO2測量誤差原因分析

由于氣體分析儀直接抽取燃機排放煙氣進行測量，為分析燃機低負荷段SO2測量誤差，首先進行測量介質調研，天然氣的成分主要由甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）等飽和烴氣體以及少量的高碳分子氣體混合組成。在機組正常負荷段天然氣燃燒產物除NO、NO2、CO2外，只有微量的CO和SO2。在燃機啟動過程中發現低負荷段排放煙氣中CO含量最高達到130mg/m3，證明燃燒條件比較差，導致燃燒不完全，排放的尾氣中含有部分的CH4[3]。

對SO2的紅外光譜和其他氣體紅外光譜進行調研，結果如圖1。可見在1000μm～1500μm波長范圍內，SO2和CH4的紅外光譜極為接近，根據ABB2020儀表所采用的測量原理可知，表計吸收寬波段紅外光譜后，通過對比分析得出SO2濃度，CH4在寬波段內紅外光譜接近SO2將被誤吸收，造成SO2測量失準。

圖1 CH4 SO2紅外光譜圖Fig.1 CH4 and SO2 infrared spectrum chart

2.2 NOX測量誤差原因分析

長然公司CEMS使用的AO2020紅外氣體分析儀只能測量煙氣中的NO，而NO2和NOX則是通過計算獲得，在現場應用中一般參考煤機經驗，即煙氣中NO2為NO排放的5%左右的經驗數據，根據經驗公式NO2=NO×0.05計算。環保部門所使用的對比表計為德圖公司350產品，由于該表計采用定電位電解法，配備了分別測量NO和NO2的測量池，可分別測量煙氣中的NO和NO2再合成NOX。但是通過環保比對表計分析，技術人員發現燃機排放和煤機排放存在著很大的不同。燃機在低負荷工況下，由于過剩空氣，排放煙氣中含有大量的NO2，濃度最高的時候NO2甚至可占總排放的30%，因此造成了NOX比對結果偏差較大的情況，見表2。

表2 環保測量實際排放參數值Table 2 Environmental protection measurement actual emission parameter values

3 解決方案

3.1 SO2測量解決方案

根據紅外氣體分析儀的測量原理，由于SO2同CH4的紅外光譜在儀表吸收波段內非常接近，因而無法在儀表中有效排除CH4對SO2造成的測量干擾。針對此情況只能考慮選取使用脈沖紫外熒光法測量原理的分析儀消除該種測量誤差[2]。

SO2分析儀采用脈沖紫外熒光法原理如圖2。

圖2 SO2分析儀原理圖Fig.2 SO2 Analyzer principle diagram

用波長190nm～230nm紫外光照射樣品，則SO2吸收紫外光被激發至激發態，即：

激發態SO2*不穩定，瞬間返回基態，發射出波峰為330nm的熒光，即：

發射熒光強度和SO2濃度成正比，用光電倍增管及電子測量系統測量熒光強度，即可得知SO2的濃度。

通過對脈沖紫外熒光法測量原理的分析可知，該測量原理下儀器不需要使用氣體紅外光譜，故可有效排除CH4對SO2造成的測量干擾。

抽查長然公司裝配紫外分析儀表后的測量數據見表3。可見，紫外測量儀表測得SO2顯示值明顯下降，接近環保比對數據，改造效果十分理想。

表3 啟機過程SO2測量值Table 3 Enlightenment process SO2 measurement value

3.2 NOX測量解決方案

根據上文分析，造成NOX測量偏差大的主要原因是原表計只能直接測得NO數據，NO2數據通過經驗公式計算，且經驗公式不符合實際工況。由此，提出如下兩種方案：

3.2.1 方案討論

方案一：測量回路增設NO2/NO轉換爐

根據HJ692-2014《固定污染源廢氣 氮氧化物的測量非分散紅外吸收法》的規定，在取樣回路中加裝NO2/NO轉換爐，讓NO2在催化劑和高溫的作用下被還原成表計可測量的NO，再通過原表計測量NO含量從而測得NOX含量。此方案簡單易行，且能有效解決NO2無法測量，經驗公式不準的問題。但存在由于NO2/NO轉換器內的催化劑有使用期限，需要定期更換的問題[4]。

圖3 使用紅外表時燃機SO2排放曲線Fig.3 Use the infrared appearance to burn the SO2 emissions curve

圖4 使用紫外表時燃機SO2排放曲線Fig.4 Use UV-out-appearance SO2 emissions curve

方案二：采用可直接測量煙氣中NO2的表計[5]

直接測量NO2的分析儀采用化學熒光原理，具體如下：NOx分析儀采用化學熒光法原理（見圖5）。

圖5 化學熒光法原理Fig.5 Principles of chemical fluorescence method

（1）NO＋O3→NO2*＋O2

NO2*→NO2＋hv

該反應的發射光譜在600nm～3200nm范圍內，最大發射波長為1200nm。

（2）NO2＋O→NO＋O2

O＋NO＋M→NO2*＋M

NO2*→NO2＋hv

反應發射光譜在400nm～1400nm范圍內，峰值波長為600nm。

樣品氣經過濾，通過毛細管及模式閥門分別進入NO2轉換室和反應室，在此室NO與O3反應產生特征熒光，熒光強度與NO濃度成正比，從光電倍增管得到熒光強度信號，從而得出NOX濃度。

3.2.2 應用情況

兩種方案均能有效解決NOX測量不準的問題，基于費用原因，長然公司選用的是第一種方案，然而從長遠角度考量，尤其新建機組筆者建議選用第二種解決方案，即實時獲得NO和NO2的含量，不僅可以降低后期維護成本，且對CEMS測量準確度持久性的改善效果更佳。

長然公司CEMS測量系統加裝NO2/NO轉換爐后，各參數測量值見表4。可見，測量值明顯接近環保比對數值，使用效果十分理想，目前已順利通過環保驗收[6]。

表4 改后各參數測量值Table 4 After changing each parameter measurement value

4 結論

通過此次改進，長然公司的CEMS測量準確度得到極大提高，各負荷工況下的SO2和NOX測量值均真實有效，順利通過歷次的環保比對測試，本次改進取得明顯效果。

燃氣輪機作為綠色火力發電機組，其排放遠低于燃煤機組，且由于其響應快速等優點正迎來越來越多的發電機會，其排放問題也應受到重視，準確的監視手段是確保排放達標的基礎。本次改造詳細分析了燃機排放物SO2和NOX測量不準的原因，并找到適宜的測量方法和設備，為通過類型機組CEMS系統改造及新建機組CEMS配置提供參考。