張晨暉

(河北省電力勘測設(shè)計研究院，河北石家莊050031)

直接抽取式煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)在火電廠中的應(yīng)用研究

張晨暉

(河北省電力勘測設(shè)計研究院，河北石家莊050031)

介紹了煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)的基本原理和幾種不同的采樣方法，及直接抽取法在河北國華定洲發(fā)電廠二期2×660MW機(jī)組鍋爐中的應(yīng)用情況，該系統(tǒng)在線連續(xù)地自動采集和處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，響應(yīng)靈敏，并自動進(jìn)行系統(tǒng)校正，監(jiān)測結(jié)果與手工測試結(jié)果有良好的相關(guān)性，可滿足系統(tǒng)評價標(biāo)準(zhǔn)的要求，提高了電力系統(tǒng)環(huán)境管理水平。

CEMS;煙氣排放;連續(xù)監(jiān)測;采樣;直接抽取法

0 引言

隨著工業(yè)的高速發(fā)展，環(huán)境污染問題倍受關(guān)注，保護(hù)環(huán)境實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新方向。火力發(fā)電廠是SO2的主要排放源，煙氣連續(xù)排放系統(tǒng)(Continuous Emission Monitoring System，CEMS)，是一種通過采樣、分析方法或直接測量方法，測定煙氣中SO2、NOx、污染物濃度的設(shè)備，是為煙氣排放污染物連續(xù)監(jiān)測而專門設(shè)計的在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 CEMS技術(shù)簡介

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

煙氣連續(xù)排放檢測系統(tǒng)由氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)、顆粒物監(jiān)測子系統(tǒng)、煙氣參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理與通信子系統(tǒng)組成。氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)主要用于監(jiān)測SO2、NOx等污染氣體的濃度和排放量;顆粒物監(jiān)測子系統(tǒng)主要用來監(jiān)測煙塵的濃度和排放量;煙氣參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)主要用來測量煙氣流速、溫度、壓力、含氧量、濕度等參數(shù)，用于排放總量的計算和相關(guān)濃度的折算;數(shù)據(jù)采集處理與通信子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器和計算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，實(shí)時采集各項(xiàng)參數(shù)，傳輸?shù)街鞴懿块T［1］。

1.2 取樣方法分類

由于氣態(tài)污染物具有高塵、高溫、高濕度、高濃度、不穩(wěn)定、腐蝕性等特點(diǎn)，決定了采樣時要必須對其進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)處理。CEMS根據(jù)采樣方式的不同可分為現(xiàn)場抽取法，稀釋取樣法和直接抽取法。

現(xiàn)場抽取法指所有分析部件均安裝在現(xiàn)場(煙囪或煙道上)，直接對煙囪或煙道中的氣體進(jìn)行長時間連續(xù)監(jiān)測，無須采樣，不必進(jìn)行樣氣預(yù)處理，瞬時性強(qiáng)［3］，結(jié)構(gòu)比較簡單，但易受煙氣溫度的限制和腐蝕、振動影響，測量精度差并且維護(hù)工作量大，在我國應(yīng)用較少。

稀釋采樣法和直接抽取法是目前國內(nèi)煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)所常采用的方法［1］。稀釋采樣法測量原理是將采樣煙氣用潔凈干燥的空氣按一定比例稀釋，以減少樣氣中的水分，使樣氣的露點(diǎn)溫度遠(yuǎn)低于室溫，再送至分析儀進(jìn)行分析，分析結(jié)果乘以稀釋比，得到檢測值［4］。這種方法避免了復(fù)雜的樣氣處理過程，提高了分析儀表的壽命。但系統(tǒng)設(shè)備相對復(fù)雜;稀釋比不易控制，若稀釋比控制不好，會導(dǎo)致測量誤差乘數(shù)放大。

直接抽取法又稱加熱管線法，原理是煙氣通過采樣探頭取樣后，首先經(jīng)過蒸汽拌熱或者電拌熱，使采樣氣在到達(dá)冷卻器前，溫度控制在150℃～200℃，即在保持煙氣不結(jié)露的狀態(tài)下輸送到地面控制系統(tǒng)，經(jīng)過除塵、除水等樣氣預(yù)處理后，送到分析單元進(jìn)行檢測［4］。這種采樣方法設(shè)備費(fèi)用較低，系統(tǒng)設(shè)備較稀釋法系統(tǒng)簡單，維護(hù)方便、校準(zhǔn)簡單、測量準(zhǔn)確。對于電廠的脫硫系統(tǒng)過程控制和環(huán)境監(jiān)測，高溫處理的直接抽取法是最適合的方法，市場占有率較高。

2 CEMS在河北國華定洲電廠的應(yīng)用

2.1 電廠情況

河北國華定洲發(fā)電廠二期2×660MW超臨界燃煤直接空冷機(jī)組，本期工程采用石灰石－石膏濕法脫硫工藝。機(jī)組DCS、脫硫FGD的廠家為德國西門子，CEMS采用SICK MAIHAK公司的SMC－9021系列產(chǎn)品。表1為FGD入口的煙氣參數(shù)。

表1 脫硫系統(tǒng)入口煙氣參數(shù)(BMCR工況)

2.2 CEMS方案設(shè)計

本系統(tǒng)選用直接抽取式CEMS，分別在3、4號機(jī)組FGD上下游各裝一套煙氣連續(xù)監(jiān)測儀，即入口原煙氣監(jiān)測系統(tǒng)和出口凈煙氣監(jiān)測系統(tǒng)，既用于測量脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行效率，又可以用于環(huán)保監(jiān)測。CEMS控制系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 CEMS控制系統(tǒng)

每套煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)包括采樣探頭及控制器、加熱輸氣管線、煙氣預(yù)處理裝置、氣體分析儀、PLC、煙塵濃度分析儀、煙氣流量儀、煙氣壓力/溫度儀、煙氣濕度儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。參數(shù)(SO2、NOx等)以及儀器故障和狀態(tài)信號全部采用硬接線進(jìn)入脫硫DCS中進(jìn)行監(jiān)控與計算。每臺爐共用一套數(shù)據(jù)處理和通訊裝置。

2.2.1 煙氣分析系統(tǒng)

該系統(tǒng)為成套煙道氣體分析系統(tǒng)，包括采樣系統(tǒng)、煙氣處理單元和煙氣分析儀及校準(zhǔn)系統(tǒng)。可連續(xù)分析煙道中的氣態(tài)污染物含量，測量結(jié)果以4～20mA信號輸出。

煙氣分析系統(tǒng)采用了加熱型取樣探頭和輸氣管路伴熱保溫使煙氣在取樣和輸送過程中不冷凝、保持原有品質(zhì)，取樣探頭最高加熱溫度為180℃;取樣管路伴熱溫度最高150℃;為了防止探管因長時間煙塵積聚而造成探頭堵塞現(xiàn)象，取樣探頭采取了自動反吹方式，根據(jù)現(xiàn)場情況可以在1～24h范圍內(nèi)任意選擇反吹周期，延長維護(hù)周期;通過預(yù)處理迅速冷凝除濕，冷凝液通過蠕動泵排至儲液罐內(nèi)，除濕后的氣體經(jīng)再次過濾除塵通過取樣泵送至分析系統(tǒng)進(jìn)行分析。并且裝設(shè)了溫度報警儀用來監(jiān)視取樣探頭及輸氣管路溫度，保證系統(tǒng)正常工作;流量報警以監(jiān)視取樣系統(tǒng)堵塞故障;濕度報警監(jiān)視氣體冷凝脫水情況，保護(hù)分析器。

SO2、NO的分析儀采用紅外光譜吸收法。紅外分析法是基于氣體分子對紅外線的選擇性吸收。當(dāng)排放煙氣在一定濃度范圍時，紅外線吸收強(qiáng)度與氣體濃度呈線性定量關(guān)系［5］。因此，通過測量SO2對7.3μm附近的紅外線吸收量的變化，可連續(xù)測定煙氣中SO2濃度;通過測量NO對5.3μm附近的紅外線吸收量的變化，可連續(xù)測定煙氣中NO濃度，NO2是通過還原轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成N0再測量［6］。O2的連續(xù)監(jiān)測利用氧化鋯傳感器實(shí)時對煙氣中的氧進(jìn)行分析。當(dāng)氧化鋯被加熱時，由于氧離子在氧化鋯晶體結(jié)構(gòu)中的遷移作用，使氧化鋯晶體變成導(dǎo)電體;煙氣中氧濃度不同使這種遷移作用產(chǎn)生電流不同，因此感應(yīng)電勢和氧濃度有固定函數(shù)關(guān)系，通過測量感應(yīng)電勢，即可得到氧濃度。

2.2.2 煙塵測量系統(tǒng)

煙塵測量系統(tǒng)選用FW300系列測塵儀，該儀器是一種非接觸式在線測量儀器，采用激光光源，光透射測量技術(shù)，利用激光穿過含塵煙氣后強(qiáng)度衰減的原理，當(dāng)一束激光通過含塵煙氣時，光強(qiáng)因煙塵的吸收和散射作用而減弱，通過發(fā)射光強(qiáng)與反射光強(qiáng)的光強(qiáng)差，檢測出煙塵的濁度或濃度。儀器主體包括發(fā)射、接收單元，反射單元，連接及反吹控制單元，凈化吹掃空氣適配器等。

主要技術(shù)指標(biāo):透過率為0～100%，±0.4%;透過率差為0～100%，±0.4%;消光度0.1～2.5，±0.002;含塵量0～890mg/m3至0～13mg/m3。

2.2.3 煙氣輔助參數(shù)測量系統(tǒng)

(1)煙氣流量

通過監(jiān)測煙氣流速，然后乘以管道橫截面積從而得到煙氣流量。采用超聲波流量計，利用超聲波在氣體中的傳輸時間差測量流速，系統(tǒng)安裝在煙道平臺與煙氣流向成β角，超聲波順著煙氣流向與逆煙氣流向通過已知跨度兩點(diǎn)時，傳輸時間不同(順向時間為T1、逆向時間為T2)，測定其傳輸時間差即可實(shí)現(xiàn)煙氣流速監(jiān)測［7］。

煙氣平均流速:

煙氣體積流量:

式中:L為超聲波在煙道中傳播路徑;β為煙道中心線與超聲波傳播路徑的夾角;T1為聲波順氣流方向在煙道中傳播時間;T2為聲波逆氣流方向在煙道中傳播時間

(2)煙氣濕度

采用干濕氧方法測量煙氣濕度。在煙道安裝氧化鋯測量煙氣濕氧，通過煙氣參數(shù)測量子系統(tǒng)測量煙氣干氧，然后計算出煙氣濕度。

2.3 現(xiàn)場運(yùn)行狀況

自系統(tǒng)投運(yùn)以來，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，未出現(xiàn)故障停機(jī)的情況，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)基本符合設(shè)計要求。一周內(nèi)儀表零點(diǎn)漂移和跨度漂移均小于±2%，分析儀表滯后時間小于10s。分析儀可同時測量多種組分的氣體，且當(dāng)混合氣體中一種或幾種組分的濃度發(fā)生變化時，不會影響其他組分的測量。系統(tǒng)自動化程度高，由于配置了取樣探頭自動反吹系統(tǒng)、重要參數(shù)自動報警系統(tǒng)、自動標(biāo)定系統(tǒng)、數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)等，大大地降低了運(yùn)行維護(hù)工作量。

用參比監(jiān)測法和CEMS同時采樣分析，連續(xù)采樣3天，兩種方法每天各采樣10次，計算10次的平均值，表2選取了監(jiān)測到的煙塵濃度和SO2濃度進(jìn)行分析，可以計算出絕對誤差分別為－0.93、1.63;相對誤差分別為－3.9%和8.4%，CEMS的監(jiān)測結(jié)果符合《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(試行)(HJ/T 75－2007)》的規(guī)定，可滿足系統(tǒng)評價標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 煙塵顆粒物、SO2測定結(jié)果

3 結(jié)語

以河北國華定洲發(fā)電廠二期2×660MW超臨界燃煤直接空冷機(jī)組為例介紹了的煙氣在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，充分考慮了燃煤電廠煙氣的工況條件，合理設(shè)計了煙氣取樣、氣樣預(yù)處理、反吹掃等系統(tǒng)，運(yùn)行檢驗(yàn)證明了該系統(tǒng)準(zhǔn)確性高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)時間短、可維護(hù)性好、自動化程度高。一方面對脫硫系統(tǒng)高效運(yùn)行有重要指導(dǎo)作用，另一方面為隨時掌握污染源排放狀況，加強(qiáng)環(huán)境管理和污染治理打下了良好基礎(chǔ)。

［1］HJ/T 75－2007，固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(試行)［S］.

［2］HJ/T 76－2001，固定污染物排放煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法［S］.

［3］王飛，徐志清.介紹幾種煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)［J］.電力環(huán)境保護(hù)，2002，18(1):50－51.

［4］王寧.火電廠煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)配置及選型中注意的問題［J］.寧夏電力，2001(4):50－53.

［5］李曉英.基于WEB的環(huán)保局CEMS監(jiān)控系統(tǒng)研究［M］.天津:天津大學(xué)，2004.

［6］鄭海明.煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理(DAHS)的研究與開發(fā)［D］.北京:華北電力大學(xué)，2000.

［7］戴麗萍，趙云格.CEMS在火電廠中的應(yīng)用［J］.中國儀器儀表，2007(5):62－64.

Research on source level extractive of Continuous Emission Monitoring System in thermal power plants

An introduction is being presented to the continuous emission monitoring system and its specific measuring way and application in Hebei Guohua Dingzhou power plant of 2×660MW.The system is on line and conti－nuous，which can sampling and processing the monitoring data automatically and response rapidly.The monitoring results and manual test results have good correlation，which can satisfy the requirement of evaluation standard.The system improved the management level of power system environment.

CEMS;gas emission;continu ous monitoring;sampling;source level extrac tive

X701

B

1674－8069(2016)02－042－03

2015-10-29;

2015-12-13

張晨暉(1983-)，女，碩士，工程師，主要從事發(fā)電廠熱工自動控制系統(tǒng)設(shè)計。E－mail:13331396085@163.com