田 野

(大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司，北京 100097)

燃煤電廠煙氣超低排放CEMS選型與設(shè)計探討

田 野

(大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司，北京 100097)

CEMS是環(huán)保排放監(jiān)測的重要設(shè)備，面對燃煤電廠污染物排放標準日益嚴格，燃煤電廠CEMS的準確性和可靠性也越來越重要。煙氣中含有煙塵、水滴、酸性氣體，對儀表提出了更高的要求。通過比較CEMS各監(jiān)測子系統(tǒng)的不同測量技術(shù)，分析了不同測量技術(shù)在測量精度、適用范圍等方面的特點，同時結(jié)合規(guī)范要求和工程設(shè)計經(jīng)驗，提出了CEMS設(shè)備選型、系統(tǒng)設(shè)計予以重點考慮的問題,以期對燃煤電廠超低排放CEMS選型與設(shè)計有所裨益。

燃煤電廠；超低排放；CEMS；選型；設(shè)計

0 引言

燃煤火力發(fā)電廠是國家節(jié)能減排的重點行業(yè)。2014年9月12日，國家發(fā)展改革委、環(huán)境保護部、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014-2020年)》，要求東部地區(qū)新建燃煤發(fā)電機組大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值(即在基準氧含量6%條件下，煙塵、SO2、NOx排放濃度分別不高于10、35、50mg/m3)，中部地區(qū)新建機組原則上接近或達到燃氣輪機組排放限值，鼓勵西部地區(qū)新建機組接近或達到燃氣輪機組排放限值。到2020年，東部地區(qū)現(xiàn)役300MW及以上公用燃煤發(fā)電機組、100MW及以上自備燃煤發(fā)電機組以及其他有條件的燃煤發(fā)電機組，改造后大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值[1]。自此，國內(nèi)煤電減排升級與改造拉開了新的帷幕。

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(Continuous Emission Monitoring System, CEMS)用于對燃煤電廠煙氣中氣態(tài)污染物和顆粒物濃度、排放量進行連續(xù)實時監(jiān)測，同時將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到環(huán)保部門，以便環(huán)保部門能夠?qū)﹄姀S環(huán)保設(shè)備投運情況進行有效監(jiān)督[2]。目前，中東部地區(qū)燃煤電廠超低排放提效改造及按照超低排放標準建設(shè)高效清潔機組已陸續(xù)展開，嚴格的排放標準對CEMS系統(tǒng)提出了更高的要求。合理選擇和設(shè)計CEMS對于準確、可靠監(jiān)測超低排放煙氣污染物已顯得尤為必要。

1 CEMS的組成和分類

一套完整的CEMS包括顆粒物監(jiān)測子系統(tǒng)、氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)、煙氣參數(shù)測量子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理子系統(tǒng)及氣源、電源等輔助子系統(tǒng)幾部分[3]。

顆粒物監(jiān)測子系統(tǒng)對煙氣中的粉塵濃度進行監(jiān)測；氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)監(jiān)測煙氣中的SO2、NOx等污染物的濃度；煙氣參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)監(jiān)測煙氣流量、溫度、壓力、濕度、氧含量等，根據(jù)煙氣溫度、濕度、壓力得到標準狀態(tài)下的干煙氣量，通過實測氧含量將實測濃度換算到基準氧含量6%下的濃度；數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理子系統(tǒng)控制CEMS系統(tǒng)的自動操作(如反吹、采樣等)，采集并處理數(shù)據(jù)，計算污染物排放量，顯示和打印各種參數(shù)、圖表，并通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳送至管理部門；氣源、電源子系統(tǒng)為CEMS系統(tǒng)提供吹掃用壓縮空氣及相應(yīng)電壓等級的可靠電源。

CEMS通常按照對煙氣的采樣方式，可以分為抽取采樣式CEMS和原位測量式CEMS。抽取采樣式CEMS是目前應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的一類CEMS，通過取樣探頭從煙囪或煙道中抽取有代表性的氣體試樣，再對樣氣進行預(yù)處理，然后將處理后的樣氣送給分析儀進行分析。抽取采樣式CEMS又分為直接抽取法(又稱完全抽取法)和稀釋抽取法。原位測量式CEMS不改變煙氣組分，在煙道環(huán)境下工作，省去了復(fù)雜的采樣管路，也不需要設(shè)置分析機柜，但原位式CEMS需要把復(fù)雜的測量器件直接放在煙氣中，會使精密元件處于高溫和腐蝕環(huán)境中，與抽取式CEMS相比穩(wěn)定性較差、運行費用高、不方便維護等。原位測量式CEMS有兩種類型：點測量式和線測量式。

2 CEMS的測量方法與選型

2.1 顆粒物監(jiān)測子系統(tǒng)

煙塵濃度是通過測定煙氣的濁度來間接確定的。濁度的測定以光學方法為基礎(chǔ)，通過對光源發(fā)出的輻射光衰減量或散射光強度的檢測達到檢測濁度的目的。主要的煙塵測量方法是光透射法和光散射法[4]。

原位式透射式煙塵儀分為單光程和雙光程兩種，單光程煙塵儀的光源發(fā)射端與接受端分別裝在煙道或煙囪的兩側(cè)，雙光程煙塵儀的光源發(fā)射端與接受端均裝在煙道或煙囪的一側(cè)，光反射裝置裝在另一側(cè)。雙光程系統(tǒng)必須對光束長度進行預(yù)標定，單測量范圍和精度較高。原位式散射式煙塵儀分為前散射式、后散射式等，采用單側(cè)安裝，靈敏度較高，測量范圍較窄。

上述原位式煙塵儀結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬，但是易受振動、水霧等干擾，穩(wěn)定性差，無法自動標定，光學窗口污染后測量誤差很大，需設(shè)自動吹掃裝置。當測量濕煙氣中超低濃度煙塵含量時，原位式煙塵儀不能滿足煙塵測量的準確性要求，通常主要采用抽取式測量方法，采用光學方法測量取樣后的干煙氣中的煙塵濃度。為了準確測量煙氣中煙塵含量，采樣時需從煙道中連續(xù)等速抽取煙氣。目前，有兩類抽取式煙塵儀，一種是伴熱抽取式，從煙道中伴熱抽取煙氣進入高溫汽化腔室，將煙氣中的水滴蒸干，如英國PCME 181WS產(chǎn)品、德國SICK FWE200產(chǎn)品。另一種是稀釋抽取式，抽取的煙氣與加熱了的空氣混合后進入加熱取樣頭，濕度立即降低，通過取樣頭再加熱成干煙氣進行測量，如德國DURAG D-R 820F產(chǎn)品。

從測量范圍、濕度影響、維護工作量等幾個方面比較，從技術(shù)的角度優(yōu)先選擇的順序為抽取式測量法、原位式光散射法、原位式光透射法。

2.2 氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)

2.2.1 煙氣預(yù)處理

直接抽取CEMS有兩種樣氣預(yù)處理方法：冷干法和熱濕法。冷干法直接抽取CEMS對被測煙氣過濾、除濕，成為潔凈、干燥的煙氣，并在干煙氣狀態(tài)下進行分析，屬于干基測量。冷干法在國內(nèi)應(yīng)用廣泛，80%以上采用抽取式冷干法。煙氣未經(jīng)過冷凝除濕處理，在濕煙氣狀態(tài)下進行分析，稱為熱濕法CEMS，屬于濕基測量，測量結(jié)果需用煙氣中的水分含量(濕度測量)將濕基下的煙氣成分修正到干基狀態(tài)下。熱濕法CEMS的整個氣體通道都必須保證被測煙氣在煙氣露點以上，防止酸和水蒸氣的冷凝，不改變樣氣流的成分，主要用于煙氣中含有易溶于水的成分濃度測量，如在脫硝系統(tǒng)下游氨逃逸量的測量[5]。

稀釋抽取CEMS在不需要對整個分析系統(tǒng)伴熱的情況下，用稀釋樣氣的方法保證稀釋后的樣氣露點在最低環(huán)境溫度以下，避免抽出的樣氣產(chǎn)生冷凝，屬于濕基測量。恒定的稀釋比通過選擇不同規(guī)格的臨界小孔或者調(diào)節(jié)稀釋空氣壓力來獲得。[6]相比于直接抽取CEMS，抽取的煙氣流量大為減少，發(fā)生探頭過濾器堵塞的可能性降低，維護周期長。稀釋抽取法需要采用CO2分析儀對煙氣污染物濃度進行修正。零氣發(fā)生器提供清潔、干燥，不含任何被測組分的稀釋空氣。采用稀釋抽取法的CEMS設(shè)備要比直接抽取CEMS更復(fù)雜。

GB13223-2011規(guī)定煙氣污染物排放濃度是在基于標準狀態(tài)下干煙氣的數(shù)值(即干基測量)，采用直接抽取法比較方便，在國內(nèi)應(yīng)用廣泛。

2.2.2 煙氣組分分析

氣體分析儀由輻射光源、測量氣室和測量電路構(gòu)成。紅外線/紫外線通過測量氣室內(nèi)的被測氣體，然后測定通過氣體后的紅外線/紫外線輻射強度。在測量低組分濃度時，測量氣室較長。紅外分析儀要求氣體干燥、清潔，對組分變化要求不嚴，是一個突出的優(yōu)點。水分對紫外分析儀的干擾較小，可以忽略不計，常作為濕基測量的分析儀[5]。無論紫外分析儀還是紅外分析儀，均需對樣品過濾除塵。非分散紅外法由于其吸收的光譜最大，可以測量高濃度，而且能同時測量多種組份，適用范圍廣，目前應(yīng)用比較多。

目前，直接抽取法通常采用非分散紅外氣體分析儀，如ABB公司的Uras14、SIEMENS公司的ULTRAMAT23、SICKMAIHAK公司的S700 MULTOR、HORIBA公司的ENDA-600ZG，為多組分紅外分析儀。稀釋抽取法則采用紫外熒光SO2分析儀和化學發(fā)光NOx分析儀等低測量范圍、高靈敏度的單一組分氣體分析儀，如Thermo Fisher公司的43i型、42i型。此類CEMS一般采用模塊化多組分分析儀。紫外熒光法吸收的光譜最小，適合測量低濃度，符合“超低排放”的設(shè)計要求，但由于是單組份測量，必須再配置化學發(fā)光法測量NOx的分析儀。

綜合不同煙氣預(yù)處理方式和煙氣組分分析方式的特點，目前大多數(shù)燃煤電廠CEMS氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)均采用冷干直接抽取式+非分散紅外分析儀的測量方式。

2.3 煙氣參數(shù)測量子系統(tǒng)

CEMS監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性與可靠性，不僅取決于污染物濃度在線分析系統(tǒng)的優(yōu)良性能，也取決于煙氣參數(shù)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性與可靠性。煙氣溫度、壓力、流量、濕度的在線監(jiān)測，通過煙氣各參數(shù)測量計算出標況下的干煙氣流量，用來準確計算煙氣污染物排放的實時質(zhì)量濃度及排放總量。煙氣含氧量或CO2含量的在線監(jiān)測 ，用于將測得的污染物濃度折算成國家規(guī)定的過量空氣系數(shù)下的排放濃度。

煙氣溫度通常采用鎧裝熱電阻或鎧裝熱電偶測得，煙氣壓力采用智能壓力變送器測量，都是常用工業(yè)測量方法。熱電阻(偶)及壓力變送器相關(guān)部件均采用防腐材料。煙氣含氧量的測量比較成熟，燃煤電廠煙氣測量常選用氧化鋯及電化學式氧分析儀。在抽取式CEMS中，對煙氣含氧量的檢測通常采用直插式氧化鋯分析儀測量濕氧，或在多組分分析儀中增加電化學或順磁測量模塊測量干氧。對于煙氣濕度在線測量，大多采用干濕氧法，但需采用同一個氧傳感器，測量同一取樣點煙氣的干濕氧。隨著濕度傳感器在耐腐蝕性方面的提高，目前也有采用電容式濕度儀進行煙氣含濕量測量。

相比于煙氣溫度、壓力、含氧量，煙氣參數(shù)監(jiān)測中較難的是煙氣含濕量的在線測量和大截面、低流速煙氣流量的測量。

煙氣流量常用的測量方法主要有壓差式流量計、熱式質(zhì)量流量計和超聲波流量計[7]。煙氣流量測量實質(zhì)是測量煙氣流速，再將實測煙氣流速換算為煙道截面的濕煙氣流量，然后通過煙氣壓力、煙氣溫度、煙氣濕度等折算到標況下干煙氣流量。

壓差式流量計主要有皮托管流量計、全截面多點插入式流量計。皮托管流量計屬于點測量方式，測量點要選擇在具有代表性、煙氣流暢穩(wěn)定的位置，測壓孔開口與煙氣流向垂直，要保證有足夠的直管段長度。易于集成，實現(xiàn)溫度壓力補償或?qū)崿F(xiàn)溫、壓、流一體化測量。皮托管流量計結(jié)構(gòu)簡單，壓損小，價格較便宜，可以用于干/濕煙氣的測量，但測量精度不高，測量孔易被煙塵堵塞，濕煙氣中更易被堵塞，需采取反吹和防腐蝕措施。全截面多點風量測量裝置適用于風道截面大，流速在截面上分布不均勻，直管段短，含塵的風量測量,設(shè)有自清灰裝置，不需要外加吹掃裝置，解決了含塵氣流風量測量裝置的取壓管堵塞問題；直管段要求較短，一般情況，直管段長度不小于管道的當量直徑即可；但安裝、拆卸、維護不方便。

熱式質(zhì)量流量計利用煙氣流過外熱源加熱的檢測件時產(chǎn)生的溫度場變化來測量煙氣流量?？紤]到煙道或煙囪截面較大，煙氣流速分布不均勻，通常采用多點插入式(徑向型)熱式流量計。為了提高測量精度，可以在一個煙道斷面上安裝多根測桿，按照速度面積法測量煙氣流量。此類流量計測量范圍大，安裝維護方便，響應(yīng)快，但在濕煙氣中水霧及煙塵黏附會消耗傳感器的熱量，造成流速測量結(jié)果出現(xiàn)偏差。

超聲波流量計由換能器、轉(zhuǎn)換器等組成。測量煙氣流量時采用直射式換能器。此類流量計不受煙塵、水滴污染，可以用于濕煙氣和干煙氣測量，測得的是煙道斷面的線平均流速。換能器需安裝在煙道兩側(cè)，兩側(cè)換能器需一致的安裝角度，易受現(xiàn)場振動、熱膨脹影響，且此類流量計價格較高。

國內(nèi)CEMS成套商大多采用皮托管流量計。對于要求較高的場合，應(yīng)配套全截面風量測量裝置、熱式流量計或超聲波流量計。

3 設(shè)計中應(yīng)考慮的問題

在煙氣通過脫硫吸收塔等煙氣凈化設(shè)施后，煙囪入口的凈煙氣普遍存在溫度低，濕度高，SO2等污染物含量低、腐蝕性強的特點。對此，CEMS系統(tǒng)在設(shè)計時需從以下幾方面考慮，確保CEMS數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

3.1 工藝方面

CEMS作為計量設(shè)備，要有國家質(zhì)監(jiān)部門的計量許可證和國家環(huán)保部門的環(huán)保認證。另外，CEMS的安裝、驗收和運行維護都要經(jīng)過環(huán)保部門的認證和許可，并定期進行比對實驗，保證儀器在測量誤差內(nèi)。CEMS的設(shè)計應(yīng)符合行業(yè)標準HJ/T75-2007、HJ/T76-2007規(guī)定的技術(shù)要求與檢驗方法。

充分考慮凈煙氣的介質(zhì)特點選擇合適的取樣處理及測量方式、設(shè)備材質(zhì)。比如，煙氣含有水滴對選擇煙氣流量測量方法的影響和對原位式測量儀表適應(yīng)性的影響。在煙道中的探頭和關(guān)鍵預(yù)處理部件需要采用防腐蝕材料或采用相應(yīng)保護措施。

系統(tǒng)中分析儀、PLC等關(guān)鍵設(shè)備需要合適的不間斷電源，以防止數(shù)據(jù)的丟失和中斷，在嚴格考核污染排放的情況下避免可能造成的違規(guī)處罰。

3.2 安裝方面

CEMS的安裝設(shè)計應(yīng)結(jié)合煙道布置、CEMS小間位置、電纜橋架走向、平臺設(shè)計、性能測試孔位置等情況作綜合考慮。從取樣點到CEMS機柜的距離不宜太長。振動可能對插入煙道中的探頭造成損壞，盡量避開振動較大的安裝位置。采樣探頭與分析機柜之間的采樣管路應(yīng)當連續(xù)向下傾斜，避免冷凝液的聚集[8]。

測點開孔位置不宜安裝在煙氣流速低于5m/s的位置，優(yōu)先選擇在垂直管段和煙道負壓區(qū)域，避開煙道彎頭和斷面急劇變化的部位，直管段要求應(yīng)滿足規(guī)范要求。在煙氣CEMS監(jiān)測斷面下游應(yīng)預(yù)留相應(yīng)的參比采樣孔位置[9-12]。

CEMS分析機柜通常安裝在有空調(diào)的室內(nèi)，以滿足分析儀表對環(huán)境溫度的要求，提供適宜的工作條件。室內(nèi)外電子設(shè)備及箱柜等應(yīng)具有合適的IP標準的防護等級。安裝在高處的煙氣CEMS要采取防雷、接地措施，保護人身和設(shè)備安全。

4 結(jié)語

CEMS的準確、可靠測量關(guān)系到環(huán)保設(shè)備穩(wěn)定運行、環(huán)保電價的獲取。一套CEMS由多個測量子系統(tǒng)構(gòu)成，各子系統(tǒng)均有各自不同的測量方式。在滿足規(guī)范的前提下，結(jié)合工程的具體要求與實際工況，才能保證CEMS設(shè)備選型合規(guī)、合理。在此基礎(chǔ)上，充分重視系統(tǒng)設(shè)計與日常運行維護，方可保證CEMS數(shù)據(jù)的準確性、可靠性。儀表選型與實際工況是否匹配、儀表探頭安裝位置是否合理、采樣系統(tǒng)是否符合要求、儀表日常維護是否合理等都會影響CEMS的監(jiān)測運行質(zhì)量?？傊?，合理設(shè)備選型和系統(tǒng)設(shè)計是保證設(shè)備運行穩(wěn)定性和測量準確度的基礎(chǔ)。

[1]國家發(fā)展和改革委員會.煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014-2020年)[發(fā)改能源〔2014〕2093號][EB/OL]. http://bgt.ndrc.gov.cn/zcfb/201409/t20140919_626242.html,2014-09-12.

[2]郜 武.煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)技術(shù)及應(yīng)用[J].中國儀器儀表,2009(1):43-48.

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[4]周至祥,段建中,薛建明.火電廠濕法煙氣脫硫技術(shù)手冊[M].北京：中國電力出版社,2006.

[5]王 森.煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)[M].北京：化學工業(yè)出版社,2014.

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[8]王衛(wèi)群. CEMS測點位置選取不當引發(fā)問題的分析和探討[J].電力科技與環(huán)保,2013,29(4):54-57.

[9]HJ/T75-2007,固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(試行)[S].

[10]HJ/T76-2007,固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法(試行)[S].

[11]陳書健,黃 鎮(zhèn),王新培.煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)存在問題建議[J].電力科技與環(huán)保,2012,28(2):59-60.

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Study on lectotype and design of CEMS for coal-fired power plant ultra in low emissions of flue gas

Continuous Emission Monitoring System (CEMS) is a key device for environment monitoring. In the face of increasingly strict pollutant emission standards, accuracy and reliability of CEMS is becoming more and more important. Dust, water drop and acid gas containing in the flue gas proposes high demand for the CEMS measuring instruments. By comparing the measuring techniques of all CEMS subsystems, the characteristics on measuring accuracy, application scope of different measurement techniques are analyzed. According to the technical specification, and based on projects design experience, CEMS measuring equipment selection and system design are probed in this paper, which may provide a profitable reference in these aspects.

coal-fired power plant; ultra in low emissions of flue gas; CEMS; lectotype; design

X701

B

1674-8069(2017)03-006-04

2016-11-16；

2017-01-04

田 野(1987-)，男，山西河曲人，工程師，主要從事火電廠環(huán)保工程儀表與控制系統(tǒng)設(shè)計工作。E-mail：tiany@dteg.com.cn