燃煤机组“超低排放”改造中CEMS系统选型及后期应用

发布时间：2022-07-13T05:22:43.410Z 来源：《科学与技术》2022年第3月第5期 作者： 傅晔. 刘俊 程金平[导读] 近年来火电厂环保排放标准日趋严格，火电厂广泛应用超低排放技术，燃煤机组对在低温、

傅晔12 刘俊 2 程金平 1

1上海交通大学环境科学与工程学院 上海市 200240 2上海申欣环保实业有限公司 上海市 200233摘要：

近年来火电厂环保排放标准日趋严格，火电厂广泛应用超低排放技术，燃煤机组对在低温、高湿度烟气条件下监测低量程的颗粒物、SO2和NOX的CEMS烟气污染物监测系统提出了更高的要求。文章通过介绍CEMS系统在某电厂机组超低排放改造后的应用，并结合数据比对试验结果，介绍某燃煤电厂超低排放湿法烟气脱硫的烟气连续监测仪的选型与应用。 关键词：超低排放；CEMS；污染物；

1 超低排放对CEMS系统主要存在的问题

超低排放是指机组经改造后，在基准氧含量6%条件下，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50mg／m3[1]，火电厂原有的CEMS设施难以满足超低排放改造后监测以及监督要求，因此需要对原有的CEMS设备进行相应的升级改造，以满足超低排放监测要求。

根据《关于煤电机组达到燃机排放水平环保改造示范项目的验收方案（征求意见稿）》质控的要求，分析仪SO2、NOX的量程不能超过200mg/m3，颗粒物不能超过100mg/m3，同时要求SO2、NOX、O2在24h内的零点漂移、量程漂移±2.4%F.S，7d线性误差±5％，这对分析仪的要求无疑更高[2]。

现阶段很多现有使用中的分析仪测量量程明显偏大，原先都是针对脱硫设计使用，多数使用过程中量程漂移和零点漂移严重。烟气中的SO2具有较强的水溶性，而烟气中水分较高，很容易形成水分部分冷凝，一旦溶于水，就会形成亚硫酸 H2SO3，会对分析系统形成严重的腐蚀和破坏，产生极大的测量不稳定性和测量误差。原有的颗粒物监测仪是光散射法，该法都会把水分颗粒当作烟尘颗粒来分析，由于烟气中存在水分，会造成相当大的测量误差，对颗粒物的监测也带来很大的影响，而且超低排放改造后增加了湿式除尘器，水分的影响更大[3]。

在超低排放烟气CEMS监测系统中，如何选择一款具有较高灵敏度和合适量程的监测设备，以及如何有效地避免水分对颗粒物监测和低浓度SO2的影响，将是烟气超低排放CEMS监测系统的关键。

2 机组改造情况

图1所示为某电厂2号机组超低排放改造前（a）和改造后（b）的工艺流程图。 （a）改造前系统工艺流程图

（b）改造后系统工艺流程图

图1 烟气超低排放控制改造工程工艺流程

根据原有的烟气污染控制措施，电厂采用如下技术路线开展超低排放改造： （1）脱硝系统：采用加装第三层催化剂进行SCR改造；

（2）脱硫除尘系统：通过重新设计布置新的高效除雾除尘装置+增加喷淋层进行高效脱硫协同除尘改造，保证脱硫效率不低于98.9%、确保出口烟尘达到超低排放标准要求；

（3）回转式GGH：进行低泄露密封改造。确保漏风率BMCR工况维持在0.4%以下，40%烟气量工况维持在0.6%以下，其他工况维持在0.5%以下。

（4）CEMS监测点：将某机组水平净烟道上的CEMS监测点位移至烟囱约70m位置，在烟囱上新增钢平台和CEMS小屋，并设置电梯。

3 烟气在线检测系统

某电厂2# 330MW机组于2016年10月完成超低排放改造并通过上海市环境监测中心的验收。气态污染物分析仪选用了上海华川环保科技有限公司的美国API，颗粒物分析仪选用了英国PCME STACK 181WS。 3.1 烟气取样系统

CEM系统的取样探头为不锈钢电加热探头，探头内置钛合金大表面过滤器，过滤精度为大于20u，可以有效的对烟气中的颗粒物进行过滤。样气进入探头后即被加热，样气通过伴热管传输，伴热管同时还具备温度调节作用，这样可以使得样气在整个传输过程中均保持一定高温(150–180℃，温度可根据需要设定)，从而消除了因任何SO2和NO2可能的溶解而带来的测量误差。为了防止探头阻塞，探头还具备自动反吹功能，可根据现场状况设置不同的反吹间隔，延长探头的维护间隔，从而减少系统维护工作量，进一步提高系统的可靠性[4]。 3.2 烟气预处理单元

样气首先经过探头过滤器，把烟气中大于20u的颗粒物过滤，而后进入高性能除湿器，迅速除湿，经压缩机热交换（有固定露点的冷凝器），使样气的露点温度降至4℃上下，并将温度保持在恒定，除水后，烟气进入除湿内置的颗粒物过滤器对烟气进行再次过滤，并同时把烟气中的酸性气溶胶除去[4]。 3.3 主要污染物分析仪

（1）SO2分析仪

美国API T100h气体分析仪，采用紫外荧光测量原理，利用214nm的紫外光照射烟气中的SO2分子，使之从常态跳变到激发态，激发态SO2衰减到常态的过程中，会发出与其浓度呈线性关系的330nm荧光，采用光电倍增管（PMT）检测荧光强度，并将荧光强度转换成电信号，经过处理，最后得出精确的SO2的浓度。

该分析仪测量范围0-100mg/m3，检出限<0.4ppb，零点漂移<0.5ppb/24h,跨度漂移<0.5%读数/24h，能够满足超低排放的要求。 （2）NOX分析仪

美国API T200h分析仪，采用化学发光法测量原理，被测样气中的NO与O3反应生成激发态的NO2，激发态的NO2分子会快速返回基态，并释放出中心波长为1100nm光子，通过光电倍增管测定光强度，经过信号转换和处理后，即得到NO的浓度；分析仪可自动控制样气进入另一气路，样气经过钼催化反应炉将样气中NO2转化为NO，测定样气中NO总浓度为 NOX浓度，两者之差即可得到NO2的浓度。该仪器同时监测了NO和NO2，并输出三路模拟信号，分别对应NO、NO2、NOX。

该分析仪测量范围0-100mg/m3，检出限<0.4ppb，零点漂移<0.5ppb/24h,跨度漂移<0.5%读数/24h，可以满足超低排放的要求。 （3）颗粒物分析仪

英国181WS烟尘仪，采用抽取式激光前向散射法。系统中的等速取样装置先从烟道中连续抽取具有代表性的烟气，然后加热到结露点温度以上，从而使水滴蒸发，而后测量干烟气条件下的颗粒物浓度。因经过电除尘器后的颗粒物直径通常在0.5μm-10μm之间，激光在经该直径范围内的颗粒物散射后，其前向散射光光强最高，因此收集前向散射光可提高系统的分辨率和检测精度。 该分析仪测量范围0-15mg/m3，检出限<0.1mg/m3，可以满足超低排放的要求。 3.4 直接伴热抽取法特点

（1）测量结果为不含水分状态下的干烟气浓度值，因此无需再进行转换；（2）伴热管用防腐蚀材料制造，不会被腐蚀；

（3）不需要像稀释法那样使用稀释气来稀释样气，维护工作量小，维护成本低；

（4）系统具备自动反吹功能，反吹时间间隔可自由设定，可有效防止探头堵塞，减少系统维护工作量，使运行更加可靠[4]。 （5）为了避免系统堵塞，每个探头都安装有过滤装置，用以除尘。（6）非专业技术人员也可完成简单的日常维护。

4 烟气数据比对试验

2016年8月10日对该机组净烟气CEMS数据进行了数据比对。颗粒物参比仪器选用崂应自动烟尘（气）测试仪；气态物参比仪器选用Testo350便携式烟气分析仪。数据比对结果如表１。

根据国家环保部《固定污染源烟气排放连续监测技术规范（试行）》HJ/T 75 2007中规定，当烟气气态污染物浓度低于20ppm时，其绝对误差不超过±6ppm；固态颗粒物浓度低于50mg/m3时，其绝对误差不超过±15mg/m3[1]。由表1可知，颗粒物浓度绝对误差为0.5mg/m3、SO2绝对误差为 -1 μmol/mol、NOX浓度的绝对误差为2 μmol/mol，均不超过国家环保标准范围。

5 CEMS系统故障分析

CEMS系统故障会影响主要污染物（颗粒物、二氧化硫、氮氧化物）以及其他辅助参数（氧量、温度、压力、流速）数据失真，造成数据异常，最终影响环保数据。

通过对某电厂2015年～2019年的CEMS系统故障统计，分析影响CEMS系统故障率的各个因素，找出对策、制定有效措施，从而降低CEMS系统故障次数。 5.1年度故障次数

图3 ，CEMS系统的管路和数采仪故障占用比最高，一共占到46.9%，站房辅助与气态污染物系统故障比分别占了19.31%和18.62%，烟气参数与颗粒物系统相对占比较少，一共占了15.18%。因此认为CEMS数采仪故障和CEMS管路故障为主要CEMS故障原因。

CEMS管路故障中有77%是由于管路漏气，23%是由于管路堵塞造成的。管路漏气70%发生在采样探头、伴热管接头处。系统中连接管路与部件的是各种各样的接头，现场根据用途与使用环境不同采用不锈钢防腐接头与特氟龙塑料防腐接头，一般在高温环境下使用不锈钢防腐接头，常温环境则使用特氟龙防腐接头，由于采样气体中含有二氧化硫等强腐蚀性气体，使用时间久则难免会对接头造成腐蚀，从而漏气，影响测量数据准确。

CEMS数采仪故障40%是硬件故障，60%是软件故障。数采仪设备老化，数据采集软件版本较低，软件采集过程中卡死，还有新安装的数采软件存在bug，数采仪软件标志位判定原因造成的维护数据异常超标等问题，都会造成数采仪传输到环保平台的数据异常。

CEMS站房辅助系统在2017年超净改造后故障次数增加，如新分析仪内含高温报警，是由站房内空调故障引起的，在超净改造前的系统里没有此故障报警。还有厂内大修，切换母线电源或跳闸导致的系统故障报警等。

CEMS烟气参数系统故障包括氧含量、温度、湿度、流速系统故障，其中有50%是氧含量分析模块故障，故障原因都是使用时间久导致损耗故障。

CEMS颗粒物系统故障次数占总的系统故障的5.52%，在所有系统故障中占比最少，而且故障都为超净改造前老式对穿法烟尘计的故障，超净改造后新安装的烟尘计还未出现过故障。

表3，故障次数最多的十个部件，其中采样泵、氧分析模块、温度元件和蠕动泵由于运维过程中发现异常并及时更换，所以故障次数并不是特别靠前。

6 后续提高CEMS系统稳定运行的措施

CEMS数据的准确性会影响燃煤电厂的效益，因此燃煤电厂时刻关注排放浓度，一旦产生异常数据马上联系相关人员进行处理，防止数据的严重失控。所以能够防范于未然，减少系统的故障率是后续系统维护工作的重中之重。

（1）加强对CEMS设备每日的巡检。每日巡检CEMS设备并且记录真实有效的每日数据，检查伴热管温度，检查仪表的进气流量，检查系统管路凝水情况并及时吹扫干净。每周对一周数据进行分析，如有数据异常升高或是降低，与之前数据逻辑不符合，则需要立即进行检查，防止影响数据的有效性和真实性。

（2）每周对CEMS设备例行维护应做到符合相关规定的要求，应对系统管路及探头手动进行定期吹扫，定期更换除尘过滤器。

（3）加强对上传至国控平台数据的观察。网上数据一目了然，在数据发生异常前，许多参数会发生变化，这就要细心分析，提高判断问题的能力，这样能很好的防患于未然。

（4）提高维护人员专业技术。对CEMS维护人员定期培训，提高处置故障的能力，使其应对故障能够更加迅速高效，并且储备足够的备品备件和易耗品，防止CEMS设备因无备件更换而长时间处于故障状态。 7 结语

本文通过对某电厂330MW机组“超低排放”改造及CEMS选型和后期应用的介绍，由数据比对、试验结果分析可以得出：“超低排放”改造后机组颗粒物分析仪选用的英国PCME STACK 181WS，气态污染物分析仪选用的上海华川环保科技有限公司的美国API，CEMS各组份数据均满足“超低排放”要求，误差的范围在《固定污染源烟气排放连续监测技术规范（试行）》HJ/T 75 2007 的标准规范之内。分析影响CEMS系统故障率的各个因素，找出对策、制定有效措施，从而降低CEMS系统故障次数。后续提高系统稳定运行最主要的还是需要防范于未然。良好的日常维护保证系统长期稳定可靠运行。参考文献：

[1]HJ/T 75 2007国家环境保护总局．固定污染源烟气排放连续监测技术规范（试行）[S]．2007．

[2]李志远.火电厂超净排放形式下的CEMS改造研究[J].绿色科技,2016(04):97-98.DOI:10.16663/j.cnki.lskj.2016.04.035. [3]徐誉玮,张红涛.燃煤机组“超低排放”改造中CEMS的选型与应用[J].通信电源技术,2016,33(03):55-56+58.DOI:10.19399/j.cnki.tpt.2016.03.019. [4]M6000使用及维护手册[Z]