CEMS煙氣連續監測系統在電廠的應用技術

韓玉珍

(晉控電力同達熱電山西有限公司，大同 037001)

0 引 言

在工業飛速發展下，人類的生存環境質量逐漸變差，污染程度日益加劇，涉及到大氣、土壤、水源等多個方面，使人類賴以生存的空間受到嚴重威脅，環境污染現已受到世界關注。在電廠運營中，多采用煙氣連續監測系統(CEMS)進行污染物排放濃度監測，將其設置在污染源上，便可實時采集污染物排放濃度與數量，并將數據信息傳遞給環保部門，為制定節能減排政策提供有力依據。

1 CEMS系統構成

該系統根據安裝位置不同可分成兩個部分，一部分安裝在現場煙道或者煙囪設備，如粉塵儀、壓力測量儀、溫濕度測量儀等，另一部分設置在CEMS分析室內，包括氣體分析儀主機、預處理系統、采集控制單元等。

1.1 氣體污染物分析單元

該單元包括取樣探頭，前端安裝過濾器，設置在煙道或者煙囪上；預處理單元包括制冷器、過濾器、取樣泵、反吹單元等內容，適用于樣氣凈化、除濕、除塵等方面，安裝在相同的機柜中；氣體分析主機單元的作用在于污染物濃度分析，屬于CEMS內的關鍵部件。該儀器可采用自動診斷與標定功能，通常要對SO2、O2和NOx等進行檢測，可根據用戶實際需求合理選用[1]。

1.2 顆粒物濃度分析單元

該單元包括粉塵分析儀，作用在于檢測煙氣內粉塵濃度，將其設置在煙道上，可對光的不透過率進行測定，通常采用稱重法進行儀器標定，并轉換為濃度值；粉塵儀保護風機，采用光學鏡頭進行儀器保護，避免鏡頭受到污染。

1.3 煙氣指標測量單元

該單元包含煙氣流量、壓力、溫濕度測量等方面。在流量測量中，多采用皮托管微差壓法，該法環保性能更強，且操作簡便，應用范圍較廣，但缺陷在于測量精度較弱，尤其是在低流速狀態下測量數據受限。超聲波法的安裝要求較為嚴格，經濟成本較高；熱式法多在粉塵含量較高的場所使用，后續維護量較大，測量準確度不高。在溫濕度測量中，多利用熱電阻Pt100進行工業測量，濕度則采用電容法或者人工測量后，將結果輸入到CEMS系統內。上述參數是將數據轉變為標準狀態下的干煙氣流量，便于排放量計算。

1.4 數據采集與處理單元

該單元包括數據采集和處理，在采集方面，多用工業常用的PLC控制系統，在穩定性方面具有優勢，還具備可編程功能，可使系統運行更加可靠，滿足智能化控制要求；PLC的聯網與通信功能使系統更加靈活。在數據處理方面，計算機對PLC采集信息進行處理計算，繪制符合環保要求的報表，還可將相關信息傳遞到環保監測中心，便于數據傳遞和存儲[2]。

2 CEMS系統在電廠中的應用要點

2.1 氣體污染物監測技術

(1)稀釋取樣法。將除塵處理后的樣品經過大量干燥純凈空氣按照特定比例進行稀釋，一般是100～250倍，使樣氣露點溫度低于室溫，通常在-30 ℃以下，再利用微量分析儀進行分析，將結果與稀釋比相乘后獲得檢測值。稀釋法利用臨界孔技術確保稀釋比，當臨界孔兩側壓力比超過0.53時，流體經過臨界孔的流速受到限制，因此流體經過該孔時流量恒定，可確保稀釋氣壓力固定不變，所得的稀釋比同樣為恒定值；

(2)直接測量取樣法。將分析軟件直接設置在煙道上，結構相對簡單，不需要管線，只需將一束光照射到煙道氣體內，采用分子收光譜對若干波長進行吸收，根據波長上的分子吸收系數差來確定分子含量。因利用多個波長確定分子濃度，抗干擾性較強；缺陷在于設備工作環境惡劣，維護成本較高，光源壽命較短，且不支持在線校準，測量結果準確度較低，不適宜長期使用；

(3)加熱管線法。采用加熱管對除塵后的煙氣保溫處理，使其不結露，采用除塵干燥裝置冷凝處理后，再運送到分析儀上。該法因帶有脫水過程，煙氣內濃度相對較低，且一些成分與水融合后不易測量，如NH3、HCl等，無法用于電廠的煙氣檢測。因此，該法多用于煙氣除塵效果良好的場合。

2.2 氣體流速測量技術

以超聲波法為例，采用超聲波順著煙氣流向已知的兩個點位，因傳輸時間不同，連續測定傳輸時間差可實現持續監測目標，該法可取得理想的測量效果。在實際測量中，采用FLOWSIC-100UHA SSTi超聲波型流量計，以非接觸式測量，精度較高，還可獲得溫度值。將兩套超聲波發射器設置在煙道內，煙氣流向夾角用a表示，當氣體流向發生改變時，聲波傳輸時間也隨之而便。順著氣流的方向，傳播時間縮短，逆著氣流方向，傳播時間延長。氣體流速可采取以下公式進行計算，即：

Q=3 600×Vm×A

式中，A為煙道橫截面積；Q為煙氣體積流量；Vm為煙氣流速均值；L為超聲波在煙道內的傳播路徑；a為煙氣流向夾角；Tv為順氣流方向的傳播時間；Tr為逆氣流方向的傳播時間。采用FLOWSIC100UHA SSTi超聲波型流量計進行氣體流速測量時，主要根據超聲波在煙氣內順流、逆流時間差進行計算，與壓力、環境溫度與其他成分間的關系甚微，測量結果準確度較高。超聲波發送器的探頭為SS316制造，具有較強的耐腐蝕性，系統無需反吹，操作簡單便利[3]。

2.3 數據采集技術

采用SMC-900型數據采集系統，該系統是在控制儀基礎上創建，主體為工控機，軟硬件功能較為強大。軟件功能包括利用濕度計算干氣濃度、利用壓力計算總排放量，編制實時報表，自動生成月、日、年報表，發出聲光故障報警、通過數據通訊中斷向上位機傳送數據，要求數據處理與表格類型與規定相符。此外，還可對氣體分析系統進行反吹，校準控制；對氣體濕度進行聯鎖控制，展現CEMS流程圖，幫助運維人員分析系統運行態勢，繪制趨勢圖，支持無線傳輸等。

圖 CEMS系統框圖

3 CEMS系統在電廠中的應用問題與解決措施

以某燃煤電廠為例，該電廠采用CEMS系統進行煙氣排放情況檢測，但在實際應用中，出現采樣系統反吹時間過長、SO2測量值偏小等問題，對系統的應用效能產生不良影響。要求維修人員到場檢驗，并采取有效措施進行解決。

3.1 采樣系統反吹時間過長

一般情況下，CEMS-2000每間隔4 h對采樣系統進行一次吹掃，每次吹掃約5 min。但該電廠2號原煙在運行期間經常出現吹掃時間過長問題，有時吹掃時間長達1 h，導致系統長期無法正常測量煙氣指數。在故障系統檢驗后可知，因取樣管路不通暢導致氣壓較低。因取樣點與CEMS設備間的距離較遠，施工人員為使外表美觀，將取樣管放入電纜槽內，2號原煙取樣管因順著電纜槽盒的走向進行敷設，取樣管長度為120 m，中間由16處轉彎。受上述因素影響，3號原煙在使用3個月后便出現反復吹掃樣氣壓力不足等情況。對此，維修人員對取樣管進行更換，并重新設計敷設路徑，再次開啟發現系統恢復正常。針對上述問題可知，該系統取樣管在敷設期間，應盡可能減少轉彎，通常整條管路的轉彎不要超過4處，總長度控制在80 m以內，最好用大功率射流泵來提高氧氣抽取能力，以免因壓力不足影響使用效果。

3.2 SO2測量值偏小

在CEMS系統運行期間出現SO2測量值偏小情況，技術人員目測檢查光纖無異常，對光纖兩側鏡頭進行擦拭后重組，發現SO2的測量值仍然過小。利用CEMS-2000維護軟件進行光纖檢驗，檢驗結果顯示兩根光纖中的一根在100像素點光譜中的強度低于1 000，需要更換這一光纖。在換新后，發現相同條件下光譜強度能夠超過15 000，此時SO2測量值恢復正常。針對上述問題可知，因該系統利用紫外差分法進行SO2濃度檢驗，技術人員若單純采用目測只能對可見光透過情況進行判斷，無法發現深層問題。對此，應采用專用軟件檢驗紫外光透過情況，依靠光譜圖判斷被測光纖是否符合標準，才可使CEMS系統真正恢復正常。

3.3 旁路CEMS取樣點選擇問題

本電廠內3號與4號機組因受到施工環境的制約，旁路煙道在擋板后與FGD出口煙道沒有混合管段，按照HJ/T75-2007的相關規定，應加設旁路CEMS。但施工部門將該套系統的取樣點設置在旁路擋板之前，在旁路擋板沒啟動的情況下，旁路CEMS中的各參數與原煙幾乎沒有區別，導致環保與相關部門進行核查時，均對旁路數據產生質疑。針對這一問題進行分析，發現因兩個機組中旁路擋板安裝后，又安裝了一套事故噴淋系統，施工方認為如若取樣點設在此處，在開啟噴淋設備時會使探頭受損。對此，電廠人員要求先停止使用噴淋系統，再將旁路取樣點轉移到擋板的后方。經過上述改造后，旁路數據在旁路擋板閉合后與凈煙指數相近。在擋板開啟后，與原煙數據基本一致，通過旁路CEMS可將擋板開啟前后煙氣參數的變化準確展現出來[4]。

3.4 凈煙安裝粉塵測量儀問題

在1號與2號機組的凈煙粉塵投運后，發現測量值經常偏高。對此，技術人員將粉塵儀器拆卸下來，發現測量鏡頭被水污染，對透過率產生不良影響，使測量值偏大。在鏡頭清理完畢后，該項指標恢復正常，但投入使用一周后，粉塵值又開始偏大。究其原因，因煙氣在FGD處理后濕度提升，相對濕度達到12%，粉塵測量設備長期在高濕度煙氣內使用，很容易導致鏡片污染，測量值偏高等情況產生。根據HJ/T75-2007中的相關規定可知，電廠采用濕法脫硫后沒有設置煙氣GGH的煙道受水分影響，顆粒物難以準確測定濃度，將CEMS設置在脫硫裝置之前，可通過折算獲得凈煙粉塵濃度。因該廠沒有設置GGH，且上述規定可將兩個機組的凈煙粉塵儀器拆除，經過對比換算，采用原煙粉塵含量對凈煙后粉塵濃度進行計算。經過上述優化改造后，使粉塵測量值偏高的問題得到良好解決。

4 結束語

綜上所述，在工業飛速發展下，經濟建設與生態環境間的矛盾日益突出，節能減排工作開展成為主流趨勢。在環保型社會背景下，電廠運營應積極引入連續煙氣監測系統，對各類有害氣體的排放情況進行實時跟蹤。為保障CEMS系統效能發揮，應派遣專人以天、月、季為單位進行維護檢修，避免和減少系統故障發生，確保監測檢測準確可靠，為企業脫硫和節能減排工作提供有力支持。