白佩榮，鐘建清，石天琪，劉進海

（陜西榆林能源集團楊伙盤煤電有限公司，陜西榆林 719316）

1 背景及概念

為了加快推動能源生產和消費革命，進一步提升煤電高效清潔發(fā)展水平，2014 年國家發(fā)布《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020 年）》，明確要求新建燃煤發(fā)電機組應同步建設先進高效脫硫、脫硝和除塵設施，不得設置煙氣旁路通道。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、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）排放濃度分別不高于10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3）。要樹立綠水青山就是金山銀山的理念，火力發(fā)電作為重污染行業(yè)，務必要貫徹落實國家政策和方針，提高環(huán)保意識和生態(tài)意識，著力打造新型現代化環(huán)保型發(fā)電企業(yè)。

CEMS 是英文Continuous Emission Monitoring System 的縮寫,是指對大氣污染源排放的氣態(tài)污染物和顆粒物進行濃度和排放總量連續(xù)監(jiān)測并將信息實時傳輸到環(huán)保部門的裝置,稱為煙氣在線監(jiān)測系統。CEMS 系統由氣態(tài)污染物監(jiān)測系統、顆粒物監(jiān)測系統、煙氣參數監(jiān)測系統和數據采集處理與通信系統組成。

2 CEMS 儀表采樣方式

CEMS 采樣方式通常分為抽取式和原位式（又稱直接測量法），抽取式又分為直接抽取式（又稱完全抽取式）和稀釋抽取式（又稱稀釋抽取法），而直接抽取式又可分為冷干法直接抽取式和熱濕法直接抽取式。

2.1 直接抽取式

直接抽取式是指直接從煙道中抽取煙氣、過濾掉顆粒物，將煙氣送入分析儀器的系統。其又分為冷干法與熱濕法兩大類。

2.1.1 冷干法

樣氣采集后經過除塵、除濕冷凝處理，進入分析儀器進行分析。該方式主要存在問題在于取樣管路需要加熱，管路越長，系統冷凝水問題越突出，同時樣氣濃度也會受到一定影響，此外還存在探頭堵塞、取樣管路泄漏、管路吸附等問題。

2.1.2 熱濕法

采用加熱采樣探頭將煙氣從煙道中抽取出來，過濾后經伴熱傳輸，使煙氣在傳輸中不發(fā)生冷凝，然后進入分析儀進行分析檢測。該方式優(yōu)點在于測量過程中氣體不降溫，氣體成分不變，腐蝕減少，但必須保持探頭到分析儀全程氣體溫度高于露點，一旦加熱系統出現故障，會對取樣系統甚至分析儀造成不可逆的損傷，導致整個測量系統故障。

2.2 稀釋抽取式

稀釋抽取式系統是在采樣探頭頂部通過一個音速小孔進行采樣，并用干燥的壓縮空氣在探頭內部進行稀釋，然后將稀釋后的樣品氣體送入測量腔室進行分析測量。該方式具有很強的環(huán)境適應性，可以分析各類氣體；經過對樣氣處理后，樣氣比較潔凈，對分析儀的污染比較小，系統的穩(wěn)定性和準確性都比較好，便于長期運行。抽氣量較少，過濾時間短。稀釋減少了濕氣含量，使煙氣的露點大幅下降，不需要加熱采樣管。但初次投資較大，后續(xù)維護成本較低、維護量較小。紫外熒光法和化學發(fā)光法一般采用稀釋抽取式。

2.3 直接測量式

直接測量按照測量范圍分為點測量和線測量。點測量為傳感器安裝在探頭端部，探頭直接插入煙道，使用電化學或者光電傳感器，測量較小范圍內污染物程度。線測量為傳感器與探頭直接安裝在煙道上，傳感器發(fā)射一束光穿過煙道，利用煙氣的特征吸收光譜進行分析測量，可以采用紫外、紅外、差分光學吸收光譜、激光燈測量技術。

根據探頭的結構不同，直接測量式可分為內置式和外置式；根據光線是否兩次穿過被測煙氣可分為雙光程和單光程；有采用探頭的光譜儀緊湊相連的一體式結構，也有將探頭和光譜儀分開的分體式結構，探頭和光譜儀之間采用光線進行光信號傳輸。無需預處理系統，安裝方便，維護量較小，但消耗品較貴。非分散紅外、紫外吸收法一般采用直抽法。

3 CEMS 測量儀表選型分析

3.1 SO2、NOx 監(jiān)測儀表

目前國內使用頻率較高的分析儀表主要有：美國Thermo Fisher、美國API、德國SIEMENS、德國ABB 以及德國SICK 等，測量模塊中美國系產品一般采用單組分測量，德國系產品一般采用多組分測量。根據測量原理來分，單組分分析儀采用紫外熒光法測量SO2，化學發(fā)光法測量NOx；多組分測量則一般采用紅外測量原理。

從表1 可以看出，企業(yè)選用Thermo Fisher、SIEMENS、ABB三種產品的比例較高。此外根據目前榆林地區(qū)大型火力發(fā)電企業(yè)CEMS 儀表統計數據來看，幾乎所有企業(yè)脫硫進出口SO2、NOx分析儀表均采用Thermo Fisher 公司產品。

表1 某集團公司CEMS 儀表使用情況統計

目前分析儀表主要故障集中在取樣系統故障、零點漂移、分析儀故障、電氣回路故障、制樣系統故障，其中取樣系統故障及零點漂移又是氣體分析儀故障的主要原因。

根據各廠家儀表取樣方式、測量原理及運行穩(wěn)定性、可靠性、準確性來看，紫外熒光法測量SO2靈敏度較高，維護成本較低，更適合低濃度SO2的測量。化學發(fā)光法測量NOx測量精度較高，選擇性強，受背景氣的干擾相對小，更適合低濃度NOx的測量。

3.2 粉塵儀

超低排放工況下的粉塵測量，目前大型火力發(fā)電廠主要選用德國SICK、德國DURAG、德國Foedisch、美國Thermo Fisher、英國PCME、安榮信科技、雪迪龍、深圳彩虹谷等公司產品。

從表2 可以看出，大型火力發(fā)電企業(yè)選用DURAG、SICK、國產品牌的比例較高。粉塵儀目前故障點主要集中在取樣系統故障、測量系統故障及煙塵儀裝置故障。

表2 某集團公司粉塵儀使用情況統計

Thermo 3880i 粉塵儀帶有振蕩天平，能定期自動校準，其他品牌均要進行手工比對，但價格較高，體積龐大，維護不方便。SICK FWE200 儀表取樣短管安裝要求與煙道管壁有傾斜角度，如達不到對儀表測量準確度影響較大。取樣系統易堵塞和光學鏡片易污染，定期維護工作量大，幾乎是所有品牌都存在的問題。在預算費用允許的情況下，建議選用進口公司產品。

3.3 氧量測量

目前煙氣中含氧量的測量方法主要有氧化鋯法、電化學法、順磁法，其中：氧化鋯法一般用于測量燃燒過程中煙氣的氧濃度含量，不太適合于高濕低溫煙氣中氧量的測量；電化學法測量氧量精度不高，設備使用壽命較短，目前電廠中使用最為廣泛；順磁氧測量法選擇性好，精度高，使用壽命較長，也適合在排放口煙氣在線監(jiān)測系統中使用，但是其價格大幅度增加。

3.4 流速測量

目前流速測量方法主要有：皮托管法、矩陣測量法、超聲波法。皮托管法已實現溫、壓、流測量一體化，設備及裝置應用比較成熟，設備簡單、維護方便，適合直管段足夠長，符合“前四后二”要求的機組。矩陣測量法因對直管段要求較低，近幾年在電廠的應用比例逐步提升，但一定要設置防堵塞措施。超聲波法因設備價格高，現場應用較少，存在信號跳變頻繁，儀表故障率高等問題。目前榆林地區(qū)大型火力發(fā)電廠主要以矩陣測量法為主。

3.5 濕度測量

濕度測量目前幾乎都采用阻容式，設備一般都采用國產產品，在選型時選取自帶溫度、壓力補償修正功能，傳感器采用進口產品且?guī)в羞^濾和加熱功能的都能滿足測量要求，維護成本也較低。

4 量程的選取

SO2、NOx分析儀表的測試量程應設置雙量程，低量程范圍一般在相應污染物排放限值的2.5～3 倍，高量程范圍一般為相應污染物排放限值的5～8 倍，確保污染源正常排放時使用低量程，污染物排放濃度超過低量程上限值時儀器自動切換成高量程。煙塵儀量程應按正常運行值的2.5～3 倍確定，因此顆粒物組分量程一般應選擇不大于15 mg/m3或30 mg/m3，個別電廠煙塵濃度控制在3 mg/m3及以下，建議量程選取不大于10 mg/m3。同時要滿足當地環(huán)保部門的要求。

5 選型建議

為了保證超低排放標準下CEME 儀表測量精度，SO2測量建議采用紫外熒光法，NOx測量建議采用化學發(fā)光法。濕煙氣顆粒物測量建議采用加熱抽取式激光前散射原理的測量儀表。氧量測量建議優(yōu)先選用電化學法或順磁氧法。流速測量建議直管段滿足“前四后二”要求的機組采用皮托管法，不符合要求的選用矩陣測量法。濕度建議采用原位安裝的阻容式儀表。