火电厂烟气连续监测系统设计探讨
摘 要：本文通过介绍南京协鑫热电有限公司2×48MW机组烟气排放连续监测系统（Continuous Emission Monitoring System)即CEMS的设计选型，比较了CEMS的几种主要技术及其特点。
关键词：火电厂 烟气排放连续监测系统（CEMS）
1 前言
我国火力发电量占总发电量80%左右，而煤炭占火电机组燃料的95%，随着国民经济的快速增长促使电力事业的迅猛发展，由燃煤所带来的大气污染问题日益严重。按目前的排放控制水平，到2020年，我国火电厂排放的二氧化硫、烟尘和氮氧化物将分别达到2100万吨、500万吨和1000万吨以上。如果火电厂排放的大气污染物得不到有效控制，将直接影响到我国大气环境质量的改善。为控制污染加剧，促进火电行业的技术进步和电力行业的可持续发展，国家环保部门采取了一系列严格的环保政策，如大气污染物总量控制、提高排污收费标准等（如二氧化硫收费标准将由0.2元/kg调至0.63元/kg）。新修订的《火电厂大气污染物排放标准》(GBl3223—2003)规定：“火力发电锅炉须装设符合HJ/T75 要求的烟气排放连续监测仪器；火电厂大气污染物的连续监测按HJ/T75 中的规定执行；烟气排放连续监测装置经省级以上人民政府环境保护行政主管部门验收合格后，在有效期内其监测数据为有效数据。”因此，CEMS已成为环境管理、环境监测、排污收费、污染物治理及实施污染物排放总量控制的科学可靠的依据及必要的技术手段。
2 工程情况简介
南京协鑫热电有限公司建设规模为2×240t/h循环流化床锅炉配2×48MW机组 ，采用炉内投加石灰石脱硫方式，安有二台布袋除尘器，烟气由两侧烟道进入烟囱排出，烟囱高150m，由于两侧烟道工况类似，烟气的流动性好，CEMS采用“一拖二”系统配置，即在烟囱两侧烟道上分别安装一套采样装置，共用一套分析仪器。监测项目为SO2、烟尘、NOx，附带测量参数为烟气温度、烟气量、流速、压力、水分、烟气含O2量等。
3 CEMS组成
CEMS由烟尘监测子系统、气态污染物监测子系统、烟气排放参数监测子系统、系统控制及数据采集处理子系统组成。组成CEMS的设备按照安装布置可分为烟道现场部分和仪器间部分。
烟道现场仪器包括：直抽取样探头、烟尘监测仪、烟气温度、压力、湿度、流速仪。
仪器间仪器包括：烟气预处理装置、分析仪器、工控机、气瓶等。
现场仪器和仪器间通过烟气采样伴热管、电缆连接，负责气体、电源和信号的传输。
3.1 取样方法
目前国内外烟气取样方法主要有两大类：直接测量法和抽取法，其中抽取法又分为直接抽取法和稀释法。
直接测量取样法是把分析部件直接安装在烟道上，结构简单，无须管线，采用差分吸收法测量，即将一束光直接照射在烟道气体中，利用分子的吸收光谱测量若干波长上的吸收，根据这些波长上分子吸收系数的差来确定吸收分子的含量。由于采用多个波长来确定一种分子的浓度，所以具有较强的抗干扰性。其主要缺点是仪器工作环境恶劣，维修不便，同时差分吸收无法实现在线校准，测量精度低，难以长期连续工作，国内已很少使用，国际市场份额仅占不足1%。
稀释取样法是将除尘后的取样烟气用大量的干燥纯净空气按一定比例稀释（100～250倍）后，使样气的露点温度远低于室温（一般达到-30。C以下），再送至微量分析仪进行分析，分析结果乘以稀释比，得到检测值。稀释法通过采用临界孔技术保证稀释比。所谓临界孔指：当临界孔两端的压力比达到0.53以上时，流体经过临界孔的流速被限制在声速，因此流体流过临界孔的流量是恒定值。很容易保证稀释气的压力恒定，即稀释气的流速亦是一个恒定值，所以样气的稀释比是一个恒定值。稀释法的主要优点是：1）样气经大比例稀释后降低了烟气露点，传输管道不会出现结露和堵管现象，防止了烟气中的水汽凝结造成溶解性污染物的成分损失；2）杜绝了由于酸性凝结水腐蚀管道引起的故障，提高了系统的运行可靠性；3）烟气抽取量小（典型值50mL/min）,延长了过滤器使用寿命，仪器维护量小；4）不需要烟气预处理装置，简化了操作环节；5）适用于各种场合，国际市场份额约占80%。稀释法的主要缺点是：1）样气中未除去水分，为湿法测量，结果需修正；2）需用微量分析仪，精度要求高，降低灵敏度，误差增大；3）需要空气净化装置，提高了成本，增大了维护量；4）系统价格较高。
直接抽取法（加热管线法）是通过加热管对抽取的已除尘的烟气进行保温，保持烟气不结露，经细除尘干燥装置冷凝除湿预处理装置后再送至分析仪。直接抽取法由于存在脱水过程，对烟气中浓度较低且易溶于水的HCl、NH3、 H3S等成分无法测量，因此不能用于垃圾焚烧发电厂的烟气监测中。若将高温高湿的烟气送入仪器中进行分析，则对分析仪的要求很高，整套系统价格昂贵，多应用于多成分、低浓度、易溶于水的气态污染物测量。直接抽取法适用于烟气除尘效果好的场合，主要优点是：1）样气中去除了水分，为干气测量；2）用常量分析仪监测，精度可靠；3）无需稀释气，维修费用低；4）一台气体分析仪可进行多种污染物监测，成本低；5）系统价格适中。直接抽取法的主要缺点是：1）需要电（或汽）伴热；2）需要采样泵和预处理装置。
经全面分析，由于本工程采用除尘效率高达99.95%布袋除尘器，烟尘排放浓度仅为14.2mg/Nm3 ，故本工程选择直接抽取取样法。
3.2.烟尘监测子系统
CEMS中烟尘的测量是一个相对独立的部分，根据HJ/T75-2001规定，适合于烟尘连续监测的方法主要有：光散射法和浊度法。
光散射法是指用经过调制的激光或红外平行光束射向烟气时，烟气中的烟尘对光向所有方向散射，经烟尘散射的光的强弱与烟尘散射截面成正比，当烟尘浓度升高时烟尘的散射截面增大，散射光增强，即光强在一定范围内与烟尘浓度成比例，通过测量散射光强来定量烟尘浓度。根据接受器与光源所呈角度的大小可分为前散射、边散射及后散射。前散射测尘仪接受器与光源呈±60°；边散射测尘仪接受器与光源呈±（60°～120°）；后散射测尘仪接受器与光源呈±（120°～180°）。
散射法的主要优点是：安装容易，灵敏度高，维护量小，测量范围广，可用于大中小各种尺寸的排放源。散射法的主要缺点是：燃料种类变化较大时需进行标定，属于新型仪器，目前在国内已安装量还比较少，该法可适用于燃煤、燃油排放源的测量，也可用于粉体加工传送过程的浓度测量。
浊度法（也称透射法，对穿法）是指光通过含有烟尘的烟气时，光强因烟尘的吸收和散射作用而减弱，通过测定光束通过烟气前后的光强比值来定量烟尘浓度。浊度法有激光光源和红外光源两种，激光光源采用半导体激光器，寿命较长，且不受水气的影响，红外光源主要受到水气含量变化的干扰，测量精度较低。浊度法的主要优点是：技术成熟，结果可靠，价格适中，目前国内使用数量较多。浊度法的主要缺点是：需双端安装，进行光路对中，安装及维护稍有不便，发射端及接收端都需要洁净空气保护。该法可用于国内的各种燃煤烟尘排放源的烟尘浓度测量。
设置烟尘监测孔时，应优先选择在垂直管段，若烟道直管段长度大于6倍烟道当量直径，则监测孔前的直管段不小于4倍当量直径、且监测孔后的直管段长度不小于2倍当量直径；若烟道直管段长度小于6倍烟道当量直径，则监测孔前的直管段长度必须大于监测孔后的直管段长度。
本工程选用浊度法烟尘测尘仪，因两台布袋除尘器来自不同厂家，一卧式，一立式，缺乏垂直管道，且每台除尘器后配两台引风机，即一炉配两段钢烟道，为减少探头安装数量，烟尘监测孔开在烟囱两侧的砖烟道上。
3.3.烟气污染物监测子系统
由于要对两台锅炉的烟气污染物进行监测，为降低成本，采用一套分析仪对两台锅炉轮流监测的方法。
烟气中SO2的分析方法主要有紫外荧光法和非分散红外吸收法（NDIR法）,NOx的分析方法主要有化学发光法（CLD法）和非分散红外吸收法（NDIR法）。
紫外荧光法测量SO2浓度原理：烟气在190nm～230nm的紫外光照射下，其中的SO2分子受激发生成激发态SO2，其返回基态时发出荧光，而且荧光强度与烟气中SO2的浓度成正比，通过测量荧光光强就可得到SO2的浓度值。该法灵敏度高，可探测到ppb级的低浓度SO2，而且动态范围和线性度好。
化学发光法测量NOx浓度原理：烟气中的NO与臭氧发生反应生成激发态的NO2，其返回基态时放出光子，当臭氧过量时，发光强度与烟气中NO浓度成正比，测量发光光强即可得到NO浓度值；同时利用钼催化技术将烟气中的NO2全部转化为NO与臭氧发生反应，测量发光光强即可得到NOx总浓度值。
紫外荧光法和化学发光法均适用于稀释取样法。
非分散红外吸收法是利用各种气体对于红外线这一光谱波段能量的吸收在波长上具有选择性这一原理构成的，可以通过一台仪器测定多组分气体，有较好的性价比、适用于直抽取样法。
3.4.烟气参数监测子系统
烟气参数监测子系统的监测项目包括温度、压力、湿度、氧量和流速，其中温度、压力、湿度、氧量的测量均为常规方法，流速监测方法的选择需注意烟道的长度是否满足安装要求。
烟气流速的监测有三种方法：压差传感法、超声波法和热传感法。
压差传感法利用压差传感器、皮托管等测出烟气的动压和静压，动压和静压与被测烟气流速成一定的比例关系，从而可定量烟气流速。
超声波法通过超声波顺着烟气流向和逆着烟气流向通过已知距离的两个点时，其传输时间不同，连续测定传输时间差可实现烟气流速的连续监测。
热传感法是指烟气通过热传感器时，带走的热量与烟气流速和热传感器的电阻阻值变化成比例，通过测量热传感器的电阻阻值变化可求得烟气流速。
当烟道长度小于6倍当量直径时，超声波法可取得较准确的测量结果，该法价格也较高。
3.5.数据采集处理子系统
数据采集处理系统目的是采集实时可靠的污染物排放数据，为运行人员提供实时的污染物排放参数，并指导机组优化运行和控制烟气污染物排放。系统可进行计算处理、记录，形成日、月、年报表，生成历史趋势图表，完成丢失数据的弥补，并可将监测数据、系统运行状态和各种报表传输到电厂DCS系统和环保管理部门.
DCS至少应存储5年以上监测小时平均值,监测参数数据，并能检索、显示各种直观的图表和打印。系统可根据环保法规在CEMS软件中设定烟气污染物排放报警限值，当污染物超标及仪器发生故障时，CEMS软件进行报警。
4 南京协鑫热电有限公司CEMS技术方案
4.1 CEMS方案说明
根据烟气所需测试SO2、NOX、O2各项指标的要求，本方案选用完全抽取法的取样方式进行取样。CEM系统由加热的取样探头（对样气粗过滤）和自限热（140℃）的伴热取样管线保证气体在采样和传输过程中保持烟气的原来品质，通过预处理迅速冷凝除湿并将冷凝液通过蠕动泵排至储液罐内，除湿后的气体经再次细过滤除尘通过取样泵送至德国MAIHAK公司的S700系列微机化模块式分析系统进行分析。其中SO2、NOX、选用UONR（高精度、高选择、高稳定性的多组分红外分析仪）进行分析，NO2通过转换炉变成NO，由NO分析器测出NOx。O2气选用OXOR-P（高精度的磁力机械式氧气分析器，具有比电化学等原理不可比拟的长寿命、高精度等特点）进行分析。最后通过数据处理（工控机）进行取样、反吹、校验等动作执行和强大的总量计算形成报表满足环保的测试要求。提供RS485、隔离的（4—20mA）测量信号输出和量程转换、标定 、故障等状态信号等多组继电器开关量输出。满足向DCS和环境监测站提供信号。完成整个测量和信号传输设置参与脱硫设备控制的要求。
CEMS采用“一拖二”系统配置，在烟囱两侧烟道上分别安装一套采样装置，共用一套分析仪器。即用两个取样和输气管路，一套预处理设备和分析测量仪器。与此相应，数据处理和通讯装置也共用一套。为了缩短取样时间采用两个取样泵，在取样的烟道切换前提前取样。切换时间为15分钟，每个周期的采集时间不低于10分钟。反吹程序不影响测量。
4.2 CEMS主要设备选型及参数
4.2.1 烟尘分析系统
Ø 仪器：烟尘分析仪
Ø 型号：FW-56-I
Ø 原理：浊度法
Ø 测量范围：0～1000 mg/Nm3（其它量程可设置）
Ø 零点漂移：≦±2%最小量程/周
Ø 全幅漂移：≦±5%满量程/周
Ø 响应时间：<10s
Ø 线性度：≦±1%
Ø 输出：两路4～20mA
Ø 产地：德国SICK
4.2.2 SO2、NO分析仪
Ø 仪器：多组份气体分析器
Ø 型号：S710
Ø 原理：非分散红外吸收法
Ø 测量范围：0～500～2500mg/m3（量程自动切换）
Ø 检出下限：浓度校准后10mg/m3
Ø 零点漂移：≦±1%最小量程/周
Ø 全幅漂移：≦±1%满量程/周
Ø 响应时间：< 5s
Ø 线性度：≦±2%
Ø 校准：具有自动校准功能（校准周期可设定）
Ø 输出：两路4～20mA
Ø 产地：德国MAIHAK
Ø NO2®NO转换炉
4.2.3 O2分析仪：
Ø 仪器：氧分析器
Ø 型号：S710（同SO2共用一台S710）
Ø 原理：磁力机械式
Ø 测量范围：0～25%
Ø 零点漂移：≦±1%最小量程/周
Ø 全幅漂移：≦±1%满量程/周
Ø 响应时间：<5s
Ø 线性度：≦±1%
Ø 输出：两路4～20mA
Ø 产地：德国MAIHAK
4.2.4 烟气压力、温度测定
Ø 仪器：烟气压力、温度测定仪
Ø 型号：SMC-202（压力传感器型号：3051C;温度传感器:144）
Ø 原理： 压差; 温度（热电偶）
Ø 测量范围：温度：0～300℃
Ø 压力：-5～5kPa
Ø 精密度：温度：±3℃
Ø 压力：≦±3%
Ø 输出：两路4～20mA
Ø 产地：德国
4.2.5 超声波流速仪
Ø 型号：FLOWSIC100
Ø 原理：超声波法
Ø 量程（高/低）：0～40 m/S
Ø 采样方法：现场直插式
Ø 分辨率：±0.1m/s
Ø 环境空气温度限制（最低/最高）：-20～＋55℃
Ø 用电量（KVA）：0.1
Ø 警报输出：无源接点（任意设置报警值）
Ø 产地：德国SICK
4.2.6 湿度测量
Ø 选用芬兰VAISALA公司生产的HMP235A型高温电容法湿度计，因为有温度校准，精度高。但考虑到电厂的工况稳定，烟气含水量变化不大，采用短时测量取平均值输入做湿度校准计算。防止湿度计的意外损坏。HMP235A的主要技术指标如下：
Ø 测量变量：相对湿度
Ø 测量范围：0～100%RH
Ø 最大变差：在授权的高质量校准以后，±1%RH（0～90%RH）
±2%RH（90～100%RH）
Ø 用盐溶液校准（ASTME104-85）: ±2%RH（0～90%RH）
±3%RH（90～100%RH）
Ø 响应时间（T90%）：在20°C时，15S
Ø 传感器： HUMICAP°K
Ø 温度：测量范围：－40～+180°C
Ø 精度： ±2°C
Ø 传感器： PT100，RTDIEC7511/3 B级
Ø 电子线路典型温度影响：±0.005°C
Ø 计算变量：
Ø 露点：－40°C～+100°C
Ø 混合比：0～500g/kg d.a.
Ø 绝对湿度：0～600g/m3
Ø 湿球温度：0～+100°C
Ø 输出：两个模拟量输出可选，量程可选。0～20mA；0～1V
Ø 4～20mA：0～5V 0～10V
Ø 串联数字输出：RS232C；RS485；RS422或数字电流环
Ø 报警继电器两个：8A/230VA；24VDC SPCO
4.2.6 数据处理单元
YQ-02型,为工控机系统,具有编程\采集\存储\传输功能；软件系统主要包括动态连接、企业日报、企业月报、企业日志、参数设置、串口设置、技术支持几个部分。
4.3 系统主要特点
4.3.1 气体污染物采用直接抽取法测量。
4.3.2 易损件少，可在地面进行维护工作。
4.3.3 所有仪器均可上网传输数据，可远程诊断，早期发现征兆及时处理故障。
4.3.4 用工控机对测量系统进行集中控制管理，按照环保部门要求传送数据和报表。同时可以用作控制脱硫除尘设备。
4.3.5 取样探头
为加热型取样探头，温度可调节，最大温度为180℃，在探头过墙处也加热，保证在探头处样气不降温、不冷凝。探头内部具有双级除尘过滤装置将样气大的颗粒初步滤掉，滤芯更换方便易行，建议每三个月换一次，同时探头处还有反吹气接口，反吹气的目的是吹扫气路及滤芯（加温的滤芯效果更佳），提高滤芯的寿命和取样路径的畅通。同时探头具有温度传感器，监控探头的温控效果。接触烟气内表层喷氟，防腐性强。
4.3.6 取样管线
取样管线为自限热加热管线和聚四氟乙烯取样管及反吹管集成的复合管线。自限热加热管线的特点为140℃（国标），功率为40～60W/m ，通过热导的形式将取样管加热，从而保证在样气传输过程中不结露，自限热加热管线为：片点状并联加热材料构成，如：本材质达到140℃恒温不再加热，当低于140℃时开始加热。即温度为整根管线的温度，可靠性强，并设有温度传感器监控温度变化。
4.3.7 预处理单元
干燥除湿：为压缩机双级除湿，温控精度高，双级除湿效率高。两极间为取样泵（流量5L/min，耐腐蚀耐负压泵），双级除湿对应双级蠕动泵排水，保证冷凝水的排放。
精过滤器（第三级）更换期为半年。
4.3.8 传感器
在整个气路中设有湿度、温度、压力传感器，起到检查除湿、加热、取样效果，保证样气在传输过程不冷凝或湿气不进入分析仪器。
4.3.9 分析单元
采样德国SICK.MAIHAK公司的专利技术-S710红外线多组份分析仪：SO2 、NO、CO采用红外法；O2采用磁力机械式（寿命长、精度高）。该仪器具有湿度交叉干扰的修正，温度、压力、流速的自动补偿技术使仪器具有很高的精度和长期稳定性。对仪器的校准采用“校准气室”内置的方法，比其它等效方法（滤光片等）更符合实际的气体标定。实现不用标准气的前提下任意设定校准周期实现自动校准,同时系统具有手动校准功能。
4.3.10 反吹单元
定时和不定时吹扫取样管路，保证取样畅通。
4.4 设备清单
序号 设备名称 型号规格 单位 数量 生产厂产地
1 气体污染物分析系统 GXH-9021 套 1 SICK/MAIHAK（德国）
分析主机 S710SO2/NOX/O2 台 1 SICK/MAIHAK（德国）
NO2®NO转换炉 SMB-204 台 1 SMC
加热型取样探头及双侧法兰 SP2000 套 2 M&C（德国）
伴热取样管线 30m 根 2 加热带为美国THERMON
机柜 2000×600×800 个 1 SICK/MAIHAK
气体采样泵 KNF 个 2 德国KNF
压缩机制冷器（两级冷凝） JCT 个 1 奥地利JCT
蠕动泵 SR25 个 2 M&C（德国）
PLC可编程控制器 PLC 个 1 日本松下
储水罐 SMC7001 个 1 SICK/MAIHAK
气动球阀 SCY220-04 个 4 德国原装
连接件及电磁阀 Swagelok 个 4 美国Swagelok
储气罐 SMC8001 个 1 SMC
2 尘测定仪（每套包含：双侧法兰/发射单元/接收单元/计算单元/反吹泵/清洗空气单元/防护罩） FW-56-I 套 2 SICK/MAIHAK（德国原装）
3 超声波流速仪 FLOWSIC100 套 2 SICK/MAIHAK（德国）
4 压力变送器（包括压力传感器/变送单元/取样探头及双侧法兰） 3051C 套 2 ROSEMENT(美国)
5 温度变送器（包括温度传感器/变送单元） 144 套 2 ROSEMENT(美国)
6 湿度测量仪及双侧法兰 HMP235A 套 2 VISALA芬兰
7 工控机、数据采集处理（包括：采集卡、处理器、15”液晶显示器、打印机、UPS、中文软件） YQ-02(P41.8G/256M/30G/52X） 套 1 SICK/MAIHAK（北京）
5 结语
南京协鑫热电有限公司2×48MW机组烟气排放连续监测系统已投入运行，对控制烟气污染物排放和提高电厂经济效益起到了重要作用。
参考文献:
［1］ 《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2003)
［2］ 《火电厂烟气排放连续监测技术规范》(HJ／T75-2001)
［3］ 《固定污染源排放烟气连续监测系统技术要求及检验方法》（HJ/T76-2001）
［4］ 《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》（GB/T16157-1996）
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