百万火电机组烟气在线监测系统的分析仪表双量程改造及应用

摘要

神华福能发电有限责任公司的研究人员吴吉，在2019年第8期《电气技术》杂志上撰文（论文标题为“基于神福鸿电百万机组烟气在线监测系统的分析仪表双量程改造及应用”），主要基于神福鸿电两台百万机组超低排放烟气在线监测系统，分析了烟气在线监测系统结构组成、测量原理，介绍了仪表本身高低量程切换原理以及实现方式。在机组停备、起动、运行期间分别进行了模拟试验，高低量程切换信号触发正常，仪表本身模拟量高低量程切换正常，机组不同工况下环保参数监视正常。

污染源排放在线监测是政府环境保护部门控制污染物排放浓度和总量的最重要措施，是环境保护部门进行环境管理的基础和技术支持。污染源在线监测是污染源排放实时动态监控惟一可行的技术手段，其主要任务是及时、准确地提供各种污染源排放的污染物总量和各种污染物排放浓度的时空分布数据，为环境管理和环境执法提供依据，提高环境监测的效率，提升环保监控的现代化水平，其重要性是不言而喻的，直接关系到“十二五”期间总量减排和污染防治工作开展的效果。

1 烟气在线监测系统监测参数成分组成

烟气在线监测系统（continuous emission monitoring system, CEMS）是由颗粒物监测子系统、气态污染物监测子系统、烟气排放参数监测子系统、数据处理与传输子系统四部分组成。

其中颗粒物监测子系统主要是对排放烟气中的烟尘浓度进行测量。气态污染物监测子系统主要对排放烟气中NOX、SO2、CO、CO2等气态形式存在的污染物进行监测，目前我国火力发电厂主要对烟气中的NOX、SO2、CO气态形式存在的污染物进行检测、调节。烟气排放参数子系统主要对排放烟气的温度、压力、流速等参数进行监测。数据处理与传输子系统主要完成测量数据的采集、存储、统计功能，并按照环保相关标准要求的格式将数据传输到环境监管部门。

2 CEMS分析仪表测量原理

下面主要针对火电厂重点监测、调节的环保参数涉及的系统进行介绍，即颗粒物监测子系统及气态污染物监测子系统。

2.1 颗粒物监测原理

颗粒物监测子系统从工作原理上可分为物理法和光学法，光学法又分为透射法、散射法。作为福建省投产的首台百万机组神福鸿电采用的就是其中的光学散射法测量，所谓的光学散射法是利用烟气中粉尘对入射光速的散射作用，被光束照射的颗粒物导致光速折射率变化而发生散射，向仪表内设定方向散射的光被聚焦后经烟尘仪监测探头检测，检测信号与粉尘浓度有一定的函数关系，通过仪表内部计算直接输出粉尘浓度值。而后向散射法原理测量的粉尘仪由于现场安装、维护方便的特点，现已成为火电厂粉尘监测采用的主要设备。

2.2 气态污染物监测原理

气态污染物监测方式主要有两种，即直接测量法和抽取测量法，其中抽取采样法又分为直接抽取法和稀释抽取法。下面简单介绍三种方法测量原理：

1）直接测量仪表主要由发射装置和接收装置两部分组成，分别安装在所测烟道统一截面位置，其原理是由发射装置对准烟道另一侧接收装置发出一束红外或紫外线，由于气态污染物的浓度与吸收光线的强度有一定的函数关系，因此通过光的强度可以间接反映出所测气态污染物浓度。
2）直接抽取法主要由带有加热器的取样探头、具有伴热功能的烟气取样管路、烟气预处理系统装置、样气分析仪、数据采集处理系统及远程监测子系统组成。烟气通过烟道内取样管进入加热取样探头，再经过滤网过滤掉其中粉尘后进入具有伴热功能的取样管路内，送到预处理系统进行加热处理避免烟气中带水影响分析仪测量。
3）稀释抽取法采样系统是由稀释探头、稀释探头控制器、空气发生器、分析仪器、数据采集处理系统及远程监控子系统等组成。其测量原理采用一定量的经过处理的干燥空气稀释烟气，经稀释器稀释的烟气中水分含量极度降低，因此无需伴热样气管线传送，可直接送分析仪器进行气态污染物浓度分析。

2.3 三种方法的优缺点比较

直接测量法特点顾名思义就是可以直接测量，安装设备简单，成本低廉。但是烟气温度变化和取样探头的振动幅度都会对污染物浓度测量精度产生影响，故目前新建火电厂都不采纳直接测量法测量。
直接抽取法测量特点是将样气抽取出来然后经过加热预处理再送到仪表进行分析，避免了烟气温度变化和探头振动对样气分析的影响。但是其安装相对于直接测量法较复杂，成本费较高。
稀释抽取法测量特点是样气取样量小，过滤介质负担小。但是样气不适合低浓度测量，对稀释气体质量要求较高，混合比例不均匀、烟气静压、烟气温度变化都会影响其检测结果。

综合上述三种测量方法特点，目前新型火电机组气态污染物检测基本都是采用直接抽取法测量。

3 烟气低量程仪表监测问题分析

经过一次净烟气环保测点移位改造，目前神福鸿电净烟气仪表出口CEMS采样点移位于烟囱109m平台，测量方法为抽取式原理。测量SO2、NOX、颗粒物三项污染因子、流速和氧量、温度、压力配套参数。

净烟气CEMS仪表为德国西克GMS810（DEFOR，其中SO2量程为0～75mg/m3并具备0～750mg/m3测量功能；NO量程为0～75mg/m3并具备0～750mg/m3测量功能；氧量量程为0～21%，烟尘仪为德国西克FWE200，其中最小量程为0～5mg/m3，最大量程为0～200mg/m3。

双量程改造前脱硫出口CEMS分析仪SO2、NOX量程选用的是0～75mg/m3，可以满足正常运行时的测量需求。但是在脱硫脱硝系统尚未投入或者退出情况时，烟气中的SO2、NOX含量非常高，超过75mg/m3，无法正确反映环保数据排放情况，如图1所示，影响环保局环境管控。

图1 环保参数量程超限历史趋势1

为保证烟气中SO2、NOX能够实时准确监视，故对仪表进行高低量程改造，当烟气中气态污染物超标严重时（根据各公司实际情况仪表内部设置浓度临界点作为高低量程切换条件）自动切换为高量程，避免因低量程超标而影响环保数据监视实时准确性。

4 CEMS仪表高低量程切换改造

环保分析仪表更换为双量程仪表，仪表自身根据采集气态污染物实时数据进行模拟量比较判断输出一个开关量来作为双量程中的高低量程切换信号。信号通过隔离继电器分为三路分别送到脱硫DCS、环保局、中调控制系统。系统根据接收仪表输出的切换信号来控制高低量程数值转换输出。

4.1 双量程切换方案设计思路

首先将CEMS分析仪表本身双量程切换信号（SO2量程切换信号、NOX量程切换信号）引出通过中间继电器分为两路，一路送至就地PLC上位机，一路送至脱硫DCS。在脱硫DCS相应控制柜中再增加一中间继电器分为两路，一路送至脱硫DCS系统开关量输入卡件，另一路送至中调控制柜。

4.2 双量程切换方案实施

CEMS小间PLC控制柜内增加卡件DX561，将DX561第一通道定义为SO2量程切换信号，DX561第二通道定义为NOX量程切换信号。CEMS仪表柜内部控制回路增加2个继电器：1个为SO2高低切换，1个为NOX高低切换。前后两个切换信号分别从仪表本身控制系统开关量卡件D05、D06通道输出送至中间继电器，西克仪表高低量程切换及模拟量信号具体输出流程如图2所示。

图2 高低量程切换及模拟量信号流程图

3号机组是在脱硫电子间33A控制柜增加1个SM610卡件、1个SM3610卡件，卡件模块地址定义为27。在33号站27号模块第一通道新增点，点名为SO2 LCQH。在33号站27号模块第二通道新增点，点名为NOX LCQH。4号机组送至脱硫DCS控制柜后未经过中间继电器而是直接接入SM3610卡件，再通过DCS控制站SM3710卡件输出送至中调控制系统进行逻辑组态。如图3所示。

图3 高低量程切换信号输入输出卡件

4.3 高低量程切换逻辑框图

DCS系统、中调系统高低量程切换时通过就地传输开关量信号进行逻辑判断进行选择，NOX浓度、SO2浓度高低量程切换逻辑框图分别如图4、图5所示。

图4 NOX浓度高低量程切换逻辑框图

图5 SO2浓度高低量程切换逻辑框图

总结

分析仪经过高低量程改造后，在机组不同工况期间分别进行了在线试验，高低量程切换信号触发正常，仪表本身模拟量高低量程切换正常，机组不同工况下环保参数监视正常。如图6所示。

图6 环保参数量程超限历史趋势

改造后机组已运行多年，环保参数监视效果较好，因此对于超低排放并存在指标超量程无法测量的机组，可以参照神福鸿电改造方式进行优化。