火電廠煙氣連續監測系統設計探討
摘 要：本文通過介紹南京協鑫熱電有限公司2×48MW機組煙氣排放連續監測系統（Continuous Emission Monitoring System)即CEMS的設計選型，比較了CEMS的幾種主要技術及其特點。
關鍵詞：火電廠 煙氣排放連續監測系統（CEMS）
1 前言
我國火力發電量占總發電量80%左右，而煤炭占火電機組燃料的95%，隨著國民經濟的快速增長促使電力事業的迅猛發展，由燃煤所帶來的大氣污染問題日益嚴重。按目前的排放控制水平，到2020年，我國火電廠排放的二氧化硫、煙塵和氮氧化物將分別達到2100萬噸、500萬噸和1000萬噸以上。如果火電廠排放的大氣污染物得不到有效控制，將直接影響到我國大氣環境質量的改善。為控制污染加劇，促進火電行業的技術進步和電力行業的可持續發展，國家環保部門采取了一系列嚴格的環保政策，如大氣污染物總量控制、提高排污收費標準等（如二氧化硫收費標準將由0.2元/kg調至0.63元/kg）。新修訂的《火電廠大氣污染物排放標準》(GBl3223—2003)規定：“火力發電鍋爐須裝設符合HJ/T75 要求的煙氣排放連續監測儀器；火電廠大氣污染物的連續監測按HJ/T75 中的規定執行；煙氣排放連續監測裝置經省級以上人民政府環境保護行政主管部門驗收合格后，在有效期內其監測數據為有效數據。”因此，CEMS已成為環境管理、環境監測、排污收費、污染物治理及實施污染物排放總量控制的科學可靠的依據及必要的技術手段。
2 工程情況簡介
南京協鑫熱電有限公司建設規模為2×240t/h循環流化床鍋爐配2×48MW機組 ，采用爐內投加石灰石脫硫方式，安有二臺布袋除塵器，煙氣由兩側煙道進入煙囪排出，煙囪高150m，由于兩側煙道工況類似，煙氣的流動性好，CEMS采用“一拖二”系統配置，即在煙囪兩側煙道上分別安裝一套采樣裝置，共用一套分析儀器。監測項目為SO2、煙塵、NOx，附帶測量參數為煙氣溫度、煙氣量、流速、壓力、水分、煙氣含O2量等。
3 CEMS組成
CEMS由煙塵監測子系統、氣態污染物監測子系統、煙氣排放參數監測子系統、系統控制及數據采集處理子系統組成。組成CEMS的設備按照安裝布置可分為煙道現場部分和儀器間部分。
煙道現場儀器包括：直抽取樣探頭、煙塵監測儀、煙氣溫度、壓力、濕度、流速儀。
儀器間儀器包括：煙氣預處理裝置、分析儀器、工控機、氣瓶等。
現場儀器和儀器間通過煙氣采樣伴熱管、電纜連接，負責氣體、電源和信號的傳輸。
3.1 取樣方法
目前國內外煙氣取樣方法主要有兩大類：直接測量法和抽取法，其中抽取法又分為直接抽取法和稀釋法。
直接測量取樣法是把分析部件直接安裝在煙道上，結構簡單，無須管線，采用差分吸收法測量，即將一束光直接照射在煙道氣體中，利用分子的吸收光譜測量若干波長上的吸收，根據這些波長上分子吸收系數的差來確定吸收分子的含量。由于采用多個波長來確定一種分子的濃度，所以具有較強的抗干擾性。其主要缺點是儀器工作環境惡劣，維修不便，同時差分吸收無法實現在線校準，測量精度低，難以長期連續工作，國內已很少使用，國際市場份額僅占不足1%。
稀釋取樣法是將除塵后的取樣煙氣用大量的干燥純凈空氣按一定比例稀釋（100～250倍）后，使樣氣的露點溫度遠低于室溫（一般達到-30。C以下），再送至微量分析儀進行分析，分析結果乘以稀釋比，得到檢測值。稀釋法通過采用臨界孔技術保證稀釋比。所謂臨界孔指：當臨界孔兩端的壓力比達到0.53以上時，流體經過臨界孔的流速被限制在聲速，因此流體流過臨界孔的流量是恒定值。很容易保證稀釋氣的壓力恒定，即稀釋氣的流速亦是一個恒定值，所以樣氣的稀釋比是一個恒定值。稀釋法的主要優點是：1）樣氣經大比例稀釋后降低了煙氣露點，傳輸管道不會出現結露和堵管現象，防止了煙氣中的水汽凝結造成溶解性污染物的成分損失；2）杜絕了由于酸性凝結水腐蝕管道引起的故障，提高了系統的運行可靠性；3）煙氣抽取量小（典型值50mL/min）,延長了過濾器使用壽命，儀器維護量小；4）不需要煙氣預處理裝置，簡化了操作環節；5）適用于各種場合，國際市場份額約占80%。稀釋法的主要缺點是：1）樣氣中未除去水分，為濕法測量，結果需修正；2）需用微量分析儀，精度要求高，降低靈敏度，誤差增大；3）需要空氣凈化裝置，提高了成本，增大了維護量；4）系統價格較高。
直接抽取法（加熱管線法）是通過加熱管對抽取的已除塵的煙氣進行保溫，保持煙氣不結露，經細除塵干燥裝置冷凝除濕預處理裝置后再送至分析儀。直接抽取法由于存在脫水過程，對煙氣中濃度較低且易溶于水的HCl、NH3、 H3S等成分無法測量，因此不能用于垃圾焚燒發電廠的煙氣監測中。若將高溫高濕的煙氣送入儀器中進行分析，則對分析儀的要求很高，整套系統價格昂貴，多應用于多成分、低濃度、易溶于水的氣態污染物測量。直接抽取法適用于煙氣除塵效果好的場合，主要優點是：1）樣氣中去除了水分，為干氣測量；2）用常量分析儀監測，精度可靠；3）無需稀釋氣，維修費用低；4）一臺氣體分析儀可進行多種污染物監測，成本低；5）系統價格適中。直接抽取法的主要缺點是：1）需要電（或汽）伴熱；2）需要采樣泵和預處理裝置。
經全面分析，由于本工程采用除塵效率高達99.95%布袋除塵器，煙塵排放濃度僅為14.2mg/Nm3 ，故本工程選擇直接抽取取樣法。
3.2.煙塵監測子系統
CEMS中煙塵的測量是一個相對獨立的部分，根據HJ/T75-2001規定，適合于煙塵連續監測的方法主要有：光散射法和濁度法。
光散射法是指用經過調制的激光或紅外平行光束射向煙氣時，煙氣中的煙塵對光向所有方向散射，經煙塵散射的光的強弱與煙塵散射截面成正比，當煙塵濃度升高時煙塵的散射截面增大，散射光增強，即光強在一定范圍內與煙塵濃度成比例，通過測量散射光強來定量煙塵濃度。根據接受器與光源所呈角度的大小可分為前散射、邊散射及后散射。前散射測塵儀接受器與光源呈±60°；邊散射測塵儀接受器與光源呈±（60°～120°）；后散射測塵儀接受器與光源呈±（120°～180°）。
散射法的主要優點是：安裝容易，靈敏度高，維護量小，測量范圍廣，可用于大中小各種尺寸的排放源。散射法的主要缺點是：燃料種類變化較大時需進行標定，屬于新型儀器，目前在國內已安裝量還比較少，該法可適用于燃煤、燃油排放源的測量，也可用于粉體加工傳送過程的濃度測量。
濁度法（也稱透射法，對穿法）是指光通過含有煙塵的煙氣時，光強因煙塵的吸收和散射作用而減弱，通過測定光束通過煙氣前后的光強比值來定量煙塵濃度。濁度法有激光光源和紅外光源兩種，激光光源采用半導體激光器，壽命較長，且不受水氣的影響，紅外光源主要受到水氣含量變化的干擾，測量精度較低。濁度法的主要優點是：技術成熟，結果可靠，價格適中，目前國內使用數量較多。濁度法的主要缺點是：需雙端安裝，進行光路對中，安裝及維護稍有不便，發射端及接收端都需要潔凈空氣保護。該法可用于國內的各種燃煤煙塵排放源的煙塵濃度測量。
設置煙塵監測孔時，應優先選擇在垂直管段，若煙道直管段長度大于6倍煙道當量直徑，則監測孔前的直管段不小于4倍當量直徑、且監測孔后的直管段長度不小于2倍當量直徑；若煙道直管段長度小于6倍煙道當量直徑，則監測孔前的直管段長度必須大于監測孔后的直管段長度。
本工程選用濁度法煙塵測塵儀，因兩臺布袋除塵器來自不同廠家，一臥式，一立式，缺乏垂直管道，且每臺除塵器后配兩臺引風機，即一爐配兩段鋼煙道，為減少探頭安裝數量，煙塵監測孔開在煙囪兩側的磚煙道上。
3.3.煙氣污染物監測子系統
由于要對兩臺鍋爐的煙氣污染物進行監測，為降低成本，采用一套分析儀對兩臺鍋爐輪流監測的方法。
煙氣中SO2的分析方法主要有紫外熒光法和非分散紅外吸收法（NDIR法）,NOx的分析方法主要有化學發光法（CLD法）和非分散紅外吸收法（NDIR法）。
紫外熒光法測量SO2濃度原理：煙氣在190nm～230nm的紫外光照射下，其中的SO2分子受激發生成激發態SO2，其返回基態時發出熒光，而且熒光強度與煙氣中SO2的濃度成正比，通過測量熒光光強就可得到SO2的濃度值。該法靈敏度高，可探測到ppb級的低濃度SO2，而且動態范圍和線性度好。
化學發光法測量NOx濃度原理：煙氣中的NO與臭氧發生反應生成激發態的NO2，其返回基態時放出光子，當臭氧過量時，發光強度與煙氣中NO濃度成正比，測量發光光強即可得到NO濃度值；同時利用鉬催化技術將煙氣中的NO2全部轉化為NO與臭氧發生反應，測量發光光強即可得到NOx總濃度值。
紫外熒光法和化學發光法均適用于稀釋取樣法。
非分散紅外吸收法是利用各種氣體對于紅外線這一光譜波段能量的吸收在波長上具有選擇性這一原理構成的，可以通過一臺儀器測定多組分氣體，有較好的性價比、適用于直抽取樣法。
3.4.煙氣參數監測子系統
煙氣參數監測子系統的監測項目包括溫度、壓力、濕度、氧量和流速，其中溫度、壓力、濕度、氧量的測量均為常規方法，流速監測方法的選擇需注意煙道的長度是否滿足安裝要求。
煙氣流速的監測有三種方法：壓差傳感法、超聲波法和熱傳感法。
壓差傳感法利用壓差傳感器、皮托管等測出煙氣的動壓和靜壓，動壓和靜壓與被測煙氣流速成一定的比例關系，從而可定量煙氣流速。
超聲波法通過超聲波順著煙氣流向和逆著煙氣流向通過已知距離的兩個點時，其傳輸時間不同，連續測定傳輸時間差可實現煙氣流速的連續監測。
熱傳感法是指煙氣通過熱傳感器時，帶走的熱量與煙氣流速和熱傳感器的電阻阻值變化成比例，通過測量熱傳感器的電阻阻值變化可求得煙氣流速。
當煙道長度小于6倍當量直徑時，超聲波法可取得較準確的測量結果，該法價格也較高。
3.5.數據采集處理子系統
數據采集處理系統目的是采集實時可靠的污染物排放數據，為運行人員提供實時的污染物排放參數，并指導機組優化運行和控制煙氣污染物排放。系統可進行計算處理、記錄，形成日、月、年報表，生成歷史趨勢圖表，完成丟失數據的彌補，并可將監測數據、系統運行狀態和各種報表傳輸到電廠DCS系統和環保管理部門.
DCS至少應存儲5年以上監測小時平均值,監測參數數據，并能檢索、顯示各種直觀的圖表和打印。系統可根據環保法規在CEMS軟件中設定煙氣污染物排放報警限值，當污染物超標及儀器發生故障時，CEMS軟件進行報警。
4 南京協鑫熱電有限公司CEMS技術方案
4.1 CEMS方案說明
根據煙氣所需測試SO2、NOX、O2各項指標的要求，本方案選用完全抽取法的取樣方式進行取樣。CEM系統由加熱的取樣探頭（對樣氣粗過濾）和自限熱（140℃）的伴熱取樣管線保證氣體在采樣和傳輸過程中保持煙氣的原來品質，通過預處理迅速冷凝除濕并將冷凝液通過蠕動泵排至儲液罐內，除濕后的氣體經再次細過濾除塵通過取樣泵送至德國MAIHAK公司的S700系列微機化模塊式分析系統進行分析。其中SO2、NOX、選用UONR（高精度、高選擇、高穩定性的多組分紅外分析儀）進行分析，NO2通過轉換爐變成NO，由NO分析器測出NOx。O2氣選用OXOR-P（高精度的磁力機械式氧氣分析器，具有比電化學等原理不可比擬的長壽命、高精度等特點）進行分析。最后通過數據處理（工控機）進行取樣、反吹、校驗等動作執行和強大的總量計算形成報表滿足環保的測試要求。提供RS485、隔離的（4—20mA）測量信號輸出和量程轉換、標定 、故障等狀態信號等多組繼電器開關量輸出。滿足向DCS和環境監測站提供信號。完成整個測量和信號傳輸設置參與脫硫設備控制的要求。
CEMS采用“一拖二”系統配置，在煙囪兩側煙道上分別安裝一套采樣裝置，共用一套分析儀器。即用兩個取樣和輸氣管路，一套預處理設備和分析測量儀器。與此相應，數據處理和通訊裝置也共用一套。為了縮短取樣時間采用兩個取樣泵，在取樣的煙道切換前提前取樣。切換時間為15分鐘，每個周期的采集時間不低于10分鐘。反吹程序不影響測量。
4.2 CEMS主要設備選型及參數
4.2.1 煙塵分析系統
Ø 儀器：煙塵分析儀
Ø 型號：FW-56-I
Ø 原理：濁度法
Ø 測量范圍：0～1000 mg/Nm3（其它量程可設置）
Ø 零點漂移：≦±2%最小量程/周
Ø 全幅漂移：≦±5%滿量程/周
Ø 響應時間：<10s
Ø 線性度：≦±1%
Ø 輸出：兩路4～20mA
Ø 產地：德國SICK
4.2.2 SO2、NO分析儀
Ø 儀器：多組份氣體分析器
Ø 型號：S710
Ø 原理：非分散紅外吸收法
Ø 測量范圍：0～500～2500mg/m3（量程自動切換）
Ø 檢出下限：濃度校準后10mg/m3
Ø 零點漂移：≦±1%最小量程/周
Ø 全幅漂移：≦±1%滿量程/周
Ø 響應時間：< 5s
Ø 線性度：≦±2%
Ø 校準：具有自動校準功能（校準周期可設定）
Ø 輸出：兩路4～20mA
Ø 產地：德國MAIHAK
Ø NO2®NO轉換爐
4.2.3 O2分析儀：
Ø 儀器：氧分析器
Ø 型號：S710（同SO2共用一臺S710）
Ø 原理：磁力機械式
Ø 測量范圍：0～25%
Ø 零點漂移：≦±1%最小量程/周
Ø 全幅漂移：≦±1%滿量程/周
Ø 響應時間：<5s
Ø 線性度：≦±1%
Ø 輸出：兩路4～20mA
Ø 產地：德國MAIHAK
4.2.4 煙氣壓力、溫度測定
Ø 儀器：煙氣壓力、溫度測定儀
Ø 型號：SMC-202（壓力傳感器型號：3051C;溫度傳感器:144）
Ø 原理： 壓差; 溫度（熱電偶）
Ø 測量范圍：溫度：0～300℃
Ø 壓力：-5～5kPa
Ø 精密度：溫度：±3℃
Ø 壓力：≦±3%
Ø 輸出：兩路4～20mA
Ø 產地：德國
4.2.5 超聲波流速儀
Ø 型號：FLOWSIC100
Ø 原理：超聲波法
Ø 量程（高/低）：0～40 m/S
Ø 采樣方法：現場直插式
Ø 分辨率：±0.1m/s
Ø 環境空氣溫度限制（最低/最高）：-20～＋55℃
Ø 用電量（KVA）：0.1
Ø 警報輸出：無源接點（任意設置報警值）
Ø 產地：德國SICK
4.2.6 濕度測量
Ø 選用芬蘭VAISALA公司生產的HMP235A型高溫電容法濕度計，因為有溫度校準，精度高。但考慮到電廠的工況穩定，煙氣含水量變化不大，采用短時測量取平均值輸入做濕度校準計算。防止濕度計的意外損壞。HMP235A的主要技術指標如下：
Ø 測量變量：相對濕度
Ø 測量范圍：0～100%RH
Ø 最大變差：在授權的高質量校準以后，±1%RH（0～90%RH）
±2%RH（90～100%RH）
Ø 用鹽溶液校準（ASTME104-85）: ±2%RH（0～90%RH）
±3%RH（90～100%RH）
Ø 響應時間（T90%）：在20°C時，15S
Ø 傳感器： HUMICAP°K
Ø 溫度：測量范圍：－40～+180°C
Ø 精度： ±2°C
Ø 傳感器： PT100，RTDIEC7511/3 B級
Ø 電子線路典型溫度影響：±0.005°C
Ø 計算變量：
Ø 露點：－40°C～+100°C
Ø 混合比：0～500g/kg d.a.
Ø 絕對濕度：0～600g/m3
Ø 濕球溫度：0～+100°C
Ø 輸出：兩個模擬量輸出可選，量程可選。0～20mA；0～1V
Ø 4～20mA：0～5V 0～10V
Ø 串聯數字輸出：RS232C；RS485；RS422或數字電流環
Ø 報警繼電器兩個：8A/230VA；24VDC SPCO
4.2.6 數據處理單元
YQ-02型,為工控機系統,具有編程\采集\存儲\傳輸功能；軟件系統主要包括動態連接、企業日報、企業月報、企業日志、參數設置、串口設置、技術支持幾個部分。
4.3 系統主要特點
4.3.1 氣體污染物采用直接抽取法測量。
4.3.2 易損件少，可在地面進行維護工作。
4.3.3 所有儀器均可上網傳輸數據，可遠程診斷，早期發現征兆及時處理故障。
4.3.4 用工控機對測量系統進行集中控制管理，按照環保部門要求傳送數據和報表。同時可以用作控制脫硫除塵設備。
4.3.5 取樣探頭
為加熱型取樣探頭，溫度可調節，最大溫度為180℃，在探頭過墻處也加熱，保證在探頭處樣氣不降溫、不冷凝。探頭內部具有雙級除塵過濾裝置將樣氣大的顆粒初步濾掉，濾芯更換方便易行，建議每三個月換一次，同時探頭處還有反吹氣接口，反吹氣的目的是吹掃氣路及濾芯（加溫的濾芯效果更佳），提高濾芯的壽命和取樣路徑的暢通。同時探頭具有溫度傳感器，監控探頭的溫控效果。接觸煙氣內表層噴氟，防腐性強。
4.3.6 取樣管線
取樣管線為自限熱加熱管線和聚四氟乙烯取樣管及反吹管集成的復合管線。自限熱加熱管線的特點為140℃（國標），功率為40～60W/m ，通過熱導的形式將取樣管加熱，從而保證在樣氣傳輸過程中不結露，自限熱加熱管線為：片點狀并聯加熱材料構成，如：本材質達到140℃恒溫不再加熱，當低于140℃時開始加熱。即溫度為整根管線的溫度，可靠性強，并設有溫度傳感器監控溫度變化。
4.3.7 預處理單元
干燥除濕：為壓縮機雙級除濕，溫控精度高，雙級除濕效率高。兩極間為取樣泵（流量5L/min，耐腐蝕耐負壓泵），雙級除濕對應雙級蠕動泵排水，保證冷凝水的排放。
精過濾器（第三級）更換期為半年。
4.3.8 傳感器
在整個氣路中設有濕度、溫度、壓力傳感器，起到檢查除濕、加熱、取樣效果，保證樣氣在傳輸過程不冷凝或濕氣不進入分析儀器。
4.3.9 分析單元
采樣德國SICK.MAIHAK公司的專利技術-S710紅外線多組份分析儀：SO2 、NO、CO采用紅外法；O2采用磁力機械式（壽命長、精度高）。該儀器具有濕度交叉干擾的修正，溫度、壓力、流速的自動補償技術使儀器具有很高的精度和長期穩定性。對儀器的校準采用“校準氣室”內置的方法，比其它等效方法（濾光片等）更符合實際的氣體標定。實現不用標準氣的前提下任意設定校準周期實現自動校準,同時系統具有手動校準功能。
4.3.10 反吹單元
定時和不定時吹掃取樣管路，保證取樣暢通。
4.4 設備清單
序號 設備名稱 型號規格 單位 數量 生產廠產地
1 氣體污染物分析系統 GXH-9021 套 1 SICK/MAIHAK（德國）
分析主機 S710SO2/NOX/O2 臺 1 SICK/MAIHAK（德國）
NO2®NO轉換爐 SMB-204 臺 1 SMC
加熱型取樣探頭及雙側法蘭 SP2000 套 2 M&C（德國）
伴熱取樣管線 30m 根 2 加熱帶為美國THERMON
機柜 2000×600×800 個 1 SICK/MAIHAK
氣體采樣泵 KNF 個 2 德國KNF
壓縮機制冷器（兩級冷凝） JCT 個 1 奧地利JCT
蠕動泵 SR25 個 2 M&C（德國）
PLC可編程控制器 PLC 個 1 日本松下
儲水罐 SMC7001 個 1 SICK/MAIHAK
氣動球閥 SCY220-04 個 4 德國原裝
連接件及電磁閥 Swagelok 個 4 美國Swagelok
儲氣罐 SMC8001 個 1 SMC
2 塵測定儀（每套包含：雙側法蘭/發射單元/接收單元/計算單元/反吹泵/清洗空氣單元/防護罩） FW-56-I 套 2 SICK/MAIHAK（德國原裝）
3 超聲波流速儀 FLOWSIC100 套 2 SICK/MAIHAK（德國）
4 壓力變送器（包括壓力傳感器/變送單元/取樣探頭及雙側法蘭） 3051C 套 2 ROSEMENT(美國)
5 溫度變送器（包括溫度傳感器/變送單元） 144 套 2 ROSEMENT(美國)
6 濕度測量儀及雙側法蘭 HMP235A 套 2 VISALA芬蘭
7 工控機、數據采集處理（包括：采集卡、處理器、15”液晶顯示器、打印機、UPS、中文軟件） YQ-02(P41.8G/256M/30G/52X） 套 1 SICK/MAIHAK（北京）
5 結語
南京協鑫熱電有限公司2×48MW機組煙氣排放連續監測系統已投入運行，對控制煙氣污染物排放和提高電廠經濟效益起到了重要作用。
參考文獻:
［1］ 《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2003)
［2］ 《火電廠煙氣排放連續監測技術規范》(HJ／T75-2001)
［3］ 《固定污染源排放煙氣連續監測系統技術要求及檢驗方法》（HJ/T76-2001）
［4］ 《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態污染物采樣方法》（GB/T16157-1996）
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