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C E MS 系统在火电厂应用和工程设计探讨 张思锐 C E MS系统在火电厂应用和工程设计探讨 张思锐 中电投远达环保工程有限公 司 重庆 ， 4 0 1 1 2 2 摘要 C E M S 作为火电厂烟气排放连续监测装置， 是环保排放监测和工艺过程检测的重要设备。由于烟气中含有烟 尘、 水、 腐蚀性气体， 对仪表提 出了抗腐蚀、 抗磨损、 防止堵塞等要求； 此外由于环保法规的要求日趋严格， 对仪表的可靠性 和稳定性提出了更高的要求。文中分析了C E M S 的结构和测量原理， 结合工程设计和法规的要求。 重点分析了C E M S 在中剧 的脱硫、 脱硝项目的特点和应用状况。 关键词 C E M S ； 环保监测； 测量原理 Ab s t r a c t CEMS i s c o n t i n u e s e mi s s i o n mo n i t o r s y s t e m， i t i s a n i mp o r t a n t e q u i p me n t f o r e n v i r o n me n t mo n i t o r a n d p r o c e s s me a s u r e me n t i n c o a l f u e l p o we r p l a n t ． F o r t h e i n fl u e n c e f r o m d u s t ， wa t e r a n d c o r r o s i v e g a s e s ， t h e a n a l y z e r mu s t b e a b l e t o a n t i c o r r o s i o n ， a n t i fl u s h i n g a n d a n t i c l o g g i n g ． Ru l e o f E n v i r o n me n t P r o t e c t i o n i s b e c o mi n g s t r i c t l y , the a n a l y z e r mu s t i mp r o v e i t s r e l i a b i l i t y a n d s t a b i l i ty． Th e s t r u c t ure a n d p r i n c i p l e for a n a l y z e r s a n d CE MS a r e a n a l y z e d i n t h i s a r t i c l e ． E s p e c i a l l y , t h e f e a t u r e a n d a p p l i c a t i o n f o r fl u e g a s a n a l y z e r s for D e s u l fur i z a t i o n a n d De n i t r a t i o n p r o j e c t s i n the p o w e r p l a n t o f C h i n a a r e i n t r o d u c e d a n d d i s c u s s e d i n b r i e f , E fflu e n t s t a n d a r d o f C h i n a H J ／ T 7 5 a r e i n t r o d u c e d a n d d i s c u s s e d b a s e d o n t h e a p p l i c a t i o n o f D e s u l f u r i z a t i o n a n d D e n i t r a t i o n p r o j e c t s ． B y the e n d o f t h i s a r t i c l e ， c o mmo n f a u l t s o f C E MS we r e s u mma r i z e d a n d t h e r e a s o n a n d t h e s u g g e s t e d ma i n t e n a n c e me t h o d we r e p u t f o r wa r d ． Ke y wo r d s CE M S ； En v i r o nm e n t mo n i t o r ； Me a s u r e p r i n c i p l e 中图分类号 T P 2 1 6 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 - 9 2 2 7 2 0 1 3 - 0 2 0 1 1 2 0 3 0 引 言 火电厂大气污染物排放标准 G B 1 3 2 2 3 2 0 0 3 中第 5 ． 5 条 规定 火力发电锅炉须装设符合HJ ／ T 7 5要求的烟气排放连续 监测仪器 。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⋯ 。这既对 C E MS 系统的组成 、 技术指标 、 性能要求 、 安装位置 等方面作 出了规定， 也明确了经环保验收合格的C E M S装置测 得的数据可作为 环保执法 的依据 。 在 环保 工程 中 ， 合理地选 择和 设计 C E MS 是 保证其运 行稳 定、 数据可靠和减少维护工作量的关键。 1 C E M S 系统的组成和基本原理 在 固定污染 源烟气排放 连续监测 技术规 范 试 行 H J ／ T 7 5 2 0 0 7 中规 定 了对 C E MS系统 的组 成 、 测量 原理等 方面 的要 求， 工程 中采用的 C E MS 产 品必须满足该规范的要求。 烟尘烟气 连续 自动 监测 系统 C E MS 认 证检测合 格厂家名 录f 截止2 0 1 2 年0 4月1 6日 】 ， 共有川仪、 北京雪迪龙自动控制系 统有限公司等 5 7家产品获得 中国环境监测总站的质量认证 。 该名录中的产品能满足 H J 厂 r 7 5 、 H J ／ T7 6 的要求 。 C E M S由颗粒物监测子系统、 气态污染物监测子系统、 烟气 排放参数测量子系统、 数据采集、 传输与处理子系统等组成。通 过采样和非采样方式， 测定烟气中颗粒物浓度、 气态污染物浓 度， 同时测量烟气温度、 烟气压力、 烟气流速或流量、 烟气含湿量 或输入烟气含湿量 、 烟气氧量 或二氧化碳含量 等参数； 计算 收稿 日期 2 0 1 2 - 1 卜2 5 作者简介 张思锐 1 9 7 卜 ， 男， I 9 7 1 年生， 高级工程师， 工程 硕士， 注册 自动化 系统工程师； 主要从事工业过程 自动化检测和 控制 系统的研究和工程设计 。 l1 2 烟气 中污染物浓度和排放量 ； 显示和 打印各种参数 、 图表并通过 数据、 图文传输系统传输至固定污染源监控系统 。 图 I C E MS 系统组成原理图 1 ． 1 颗粒物监测子 系统 烟尘仪主要有两种型式 ， 即激 光对射透过法和激光散射法 ， 前者在烟道两侧对称安装 ， 后者只需要在烟道 一侧 安装 ， 其原理 基 于光透 过烟尘 时强度 发生变 化 。为 了防止烟尘对 探头 的污 染， 采用空气持续地吹扫。 1 ． 2气态污染物监测子 系统 气 态污染物主要指 S O 、 N O 、 C O等 。环保规 范认 町以下 的 三 种测量方 式 ， 三种测量 方式 各有 所 长， 其中 1 -2 ． 1 的完全抽取 法在 目前 国内脱硫、 脱硝项 目中采用最多。 1 ． 2 ． 1完全抽取法 分为红外吸收法和紫外吸收法， 其原理基于气体分f对特 定谱 段的光 的吸收 ， 测 量其衰减度 ， 计算得 到对应气体 的浓 度 。 由于烟气 中含 尘、 含水 ， 必 须对烟气抽取管 路加热 ， 必须在烟气 进 入分析仪表 前作除水 、 除尘处理 。为 了防止烟 尘对取样管 路 和 探头的污染 ， 采用 仪表压缩空气 定时吹扫 。其 工作程序 由就 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 自动化与仪器仪表} 2 0 1 3 年第2 期 总第 1 6 6 期 地 C E M S 盘 内的P L C控制 。这种方法测量得到 的参数是干态的 ， 一 台分析仪可以分析4 种或更多的气体成分。 1 ． 2 ． 2 稀释抽取 法 洁净的稀释空气， 以临界状态通过音速小孔时产生恒定的 流量， 获得稳定的大比例 如 1 1 0 0 稀释空气。烟气稀释后被抽 取送入分析仪表， 测量得到污染物的浓度。通常烟气稀释后传 输时可不再做加热， 微量采样减少了对样气的处理工作量， 但是 对分析仪表的精度要求更高， 需要严格控制稀释比。这种方法 测量得到的参数是湿态的， 需要转换成干态， 每个气体成分的测 量需要单独的分析仪表， 总体造价较贵。 1 ； 2 ． 3 直接测量 法 红外或紫外分析仪表直接安装在烟道上， 不用将烟气抽取 出来。分析仪表的工作环境较为严酷和恶劣， 实际使用 中维护 工作量大 。 1 ． 3 烟气排放 参数 测量子 系统 包括烟气流量、 温度、 压力、 湿度的测量。流量可采用皮托 管差压法、 超声波法、 热式质量流量计等测量方法。大气压力和 湿度按规范规定可采用在线仪表测量， 也可以人工输入。 通常需要将气体污染物的浓度折算到6 ％含氧量的状态， 所 以必须测量烟气中的氧浓度。其测量原理有磁氧式、 电池法、 氧 化锆 法等。 1 ． 4 数据采集、 传输 与处理子 系统 通 常 C E MS 机柜 设置 有小型 的P L C 对 系统 的抽气 、 脱 水、 反 吹等工作加以控制， 现场分析仪表的信号也输送到P L C加以处 理 量程转换 ， P L C通过通讯接 口将实时的数据传到C E M S的数 据采集站。数据采集站为一台工业P C ， 配有数据采集和处理软 件， 可按当地环保的要求对数据做存储、 统计， 可通过通讯口向 环保部门传输规定格式的数据。 2 C E M S 装置的安装设计 2 0 0 7 年实施的H J ／ T 7 5 规定， C E M S 应安装在能准确可靠地 连续监测固定污染源烟气排放状况的有代表性的位置上。 环办[ 2 0 0 9 ] 8 号文件规定 C E M S 装置设计在烟囱入口， 即旁 路烟道 如有 与净烟道汇合后的混合烟道。如因烟道客观原因 无法安装在混合烟道或已安装但位置不符合规范要求的， 应在 旁路烟道上加装烟气温度和流量测点。 环办[ 2 0 1 0 1 9 1 号文件规定 鼓励火 电企 业逐 步拆 除已建脱硫 设施的旁路烟道， 烟气排放连续监测系统采样点逐步统一安装 在烟囱符合监测要求的高度位置； 旁路挡板实施铅封。 可见， 近年来环保部门对C E MS的安装位置和测量要求越 来越严格。 在工程设计中 ， C E MS的安装位置首先应满 足环保规 范的要 求， 其次应满足仪表本身的要求 。其安装位置应振动小、 不漏 风， 优先选择垂直管段和烟道负压区， 安装位置的流速不低于 5 m ／ s [ 3 J 。由于受场地和烟道布置的局限， 多数项目难以满足流量 计的安装要求， 对测量带来较大的影响。对穿式烟尘仪对烟道 两侧的法兰孔的同心度有安装要求。 C E MS的安装设计应结合烟道布置、 C E MS小房位置、 桥架 走向、 平台设计、 性能测试孔位置等情况作综合考虑。从取样点 到C E MS 机柜的距离不宜太长， 通常应控制在3 0 ～ 6 0 米内。 由于C E MS 要定期做比对、 校准和检修维护， 当高度大于5 米时， 平台不宜做直爬梯， 应做z字梯或旋转梯或升降梯。 分析 己建成 的脱硫项 目， 多数是 将环保 C E MS 安装 在烟 囱 入 口的汇总烟道上， 这样便于检修， 距离也较短； 缺点是烟道短， 有时是异形， 安装位置紧张， 多数难 以满足流量仪表的安装要 求。按最新的文件规定， 当C E MS 安装在烟囱上后， 其优点是便 于对排放污染源 每台机组应视为一个固定污染排放源 的总体 监测和管理、 流量测量较准确， 付 出的代价是取样管线延长大约 一 倍 一 8 0 m 。 3 C E M S 装置在火电厂的应用 3 ． 1 烟 气脱硫 F GD 项 目 由于烟气脱硫装置在锅炉尾部， 烟囱前， 物理位置决定了它 或烟囱 通常是整个电厂总的排放监测对象。烟气脱硫项 目的 工艺 目的是脱除烟气中的S O ， 工艺过程控制系统需要F G D装置 入口、 出口的烟气流量、 温度、 压力、 S O 。 浓度、 O 浓度等参数。环 保排放监测需要的参数为F G D出口 烟囱或烟囱入口 的烟气流 量、 温度、 压力、 S O 浓度、 O 浓度、 烟尘、 湿度、 N O x 浓度。所以， 常常将脱硫装置的出口烟气分析仪和烟 囱入口C E MS 合并设置 一 套。按环办[ 2 0 1 0 1 9 1 号文件规定， 应将排放C E MS 安装在烟囱 上， 通常安装位置为烟囱高度的1 ／ 3 ， 应结合烟囱平台的设置来 确定具体 的安装位置 。 C E MS的组成、 测量原理、 技术参数、 安装位置等除了必须满 足HJ ／ T 7 5 2 0 0 7的规定外 如有地方法规， 还应满足地方法规的 要求 ， 还必须满足项 目所在地省市环保部门、 电网对信号和接 口方 式要求 。 3 ． 1 ． 1 环保监测的烟气排放参数 环保监测的烟气排放参数通常有 F G D入 口S O 浓度、 O 浓 度、 烟尘浓度、 流量、 温度； F G D出口S O 浓度、 O 浓度、 烟尘浓度、 流量、 温度、 N O 浓度； 以及脱硫装置的运行参数如F G D脱硫率、 旁路挡板开度、 F G D用电功率、 F G D装置投／ 退信号、 F G D系统脱 硫剂投／ 退信号、 锅炉负荷信号、 增压风机 如有 电流和叶片开 度、 旁路 如有 开度、 旁路烟气流量和温度等。 这些参数除了实时传输给当地环保和电网外， 在脱硫装置 的D C S 控制系统也要做记录， 脱硫D C S 确保能随机调阅上述运 行参数和历史趋势曲线， 相关数据保存6 个月以上 。 值得注 意的是 ， 对湿法脱硫无 换热器的项 目， 合 理利 用规 范 的规定 H J ／ T 7 5 2 0 0 7 ， 6 ． 2 ． 6 ， 可取消F G D出口烟尘计， 即出口 烟尘由F G D入 口烟尘计算得到。其原因在于 湿法脱硫无换热 器时， F G C出口烟气中的水雾很大， 烟尘仪 激光法 受测量原理 的限制而 不能正常工作 。 3 ． 1 ． 2 信号接 口的类型 3 ． 1 ． 2 ． 1 硬接线方式 这种方式采用电缆接线， 信号一对一地连接和传送， 电缆 将信号接到数据采集 站或 R T U再通过光 纤或无线 G P R S 或 C D． MA 传输 到环保 监测站 。可 以从三 个地方取 出信号 以前面 两 种 方式为主 1 就地仪表旁加信号分配器， ～分二或一分三； 2 C E MS 分析柜， 信号输出端； 3 D C S 端子排 3 ． 1 ． 2 ． 1 通讯方式 D C S 、 C E MS 分析柜均可预留环保监测所需的通讯接 口， 接 入就地的数据采集装置再通过光纤 以太 网 或无线 G P R S或 C D MA 传输到环保监测站。常见的通讯接口有 R S 4 8 5 、 R S 2 3 2 、 E t h e r n e t 、 G P R s wc D MA 等， 常见的协议有Mo d b u s 、 O P C等。 3 ． 2 烟 气脱硝 De No 项 目 于2 0 1 0 年4月实施的 火电厂烟气脱硝工程技术规范选择 性催化还原法 H J 5 6 2 2 0 1 0 和 火电厂烟气脱硝工程技术规范 l 1 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m C E MS 系统在火电厂应用和工程设计探讨 张思锐 选择性非催化还原法 H J 5 6 3 2 0 1 0 均对C E MS的设置作出了 规定 ， 即必须满足 H J ／ T 7 5 2 0 0 7 和 H J ／ T 7 6 2 0 0 7 的要求 ， 所以其 系统的结构与本文前面的描述相 同。 对选择性催化还原法 S C R ， C E MS监测参数至少为 反应 器入口的烟气流量、 N O 浓度 以N O 计 、 含氧量， 反应器出口的 N O 浓度 以N O 计 、 含氧量、 氨逃逸浓度 1 。 对选择性非催化还原法 S N C R ， C E M S监测参数至少为 N O 浓度 以N O 计 、 含氧量 。 和脱硫相比， 脱硝烟气的显著特点是烟气中的烟尘含量高， 高达几十克／ N m ， 对仪表和探头的防堵塞和耐磨损提出了更高的 要求 。脱硝烟气 温度高 - 4 0 0 C ， 探头也要 能耐高温 。值得注 意的是 ， 按规 范要求， N O 的测量浓度需要折算到 N O 的浓度 比 N O的浓度数值要大 。 3 ． 2 ． 1 烟气流量测量 对测量不利的条件是脱硝烟道布置紧凑， 流量测量的直管 段长度难以满足规范的要求。有利的是脱硝系统在烟道设计时 通常做 了流场模拟 ， 实际运行时 的烟气流场较均匀 ， 有利 于得 到 稳定可靠的流量测量值。 烟气 流量 的测量 主要有 超 声波 、 威 力 巴、 热 式质量 流量 计 等 。考虑 性价 比， 目前多数项 目仍然 以皮托管等 差压流量计 为 主， 系统设计有自动压缩空气吹扫 吹气 装置， 可对探头和测量 取压管路进行吹扫 ， 防止堵塞 。烟气的特点是静压低 ， 要求仪表 的压差要小， 也可采用多点 多孔 的差压传感器， 以提高测量的 稳定性和精度。 烟气流量 参与脱硝还 原剂 的流 量控制 ， 为 了避 免烟气流量 测量不稳定和误差大对控制回路的影响， 部分项 目采用锅炉参 数计算得到烟气流量 ， 实践证明是可行和有效 的。 3 2 ． 2 NH 分析仪 测量烟气 中的逃逸 反应剩余的 N H， 的浓 度， 和脱硫相比是 新增加 的项 目， 逃逸 N H， 的浓度通 常为 1 2 p p m， 仪表 的量程选择 为 0 ～ 1 0 p p m。N H 分析仪主要有 以下的两种方 式 1 激光式N H， 分析仪 为直 接测量方 式， 不 需要取样 ， 但是 其光程的长度 有限 ， 能 在一定的范围内克服灰尘干扰。其原理基于N H 对特定激光光 谱 的吸收 ， 由于激 光带 宽窄 ， 其测 量可 不受其 他气体 成分 的干 扰 。锅炉 的烟道截面大， 烟尘浓度高 ， 其 安装主要有两种方式 a 在烟道 的角 上截取 2 ～ 3 米 的距 离安装 。其测量值 受烟道 流场分布 的影 响较 大， 如果流场不均匀 ， 则测量准确度不高。当 流场 不均匀时 ， 应尽 量延长测 量光路的长度 。这是 目前 为多数 脱硝项 目采用 的方式； b 脱硝装置设置取样风机， 对出口烟道多点取样， 在风管上 设置管段安装N H ， 分析仪。其优点是取样可靠有代表性， 测量 值可信度 高 缺 点是取样风机 在高温 、 高粉尘条件 下连续运 行， 其寿命较短 ， 增加 了用 电负荷 。 2 化学发光法N H 分析仪 其基本原理为将N H 转化为N O ， N O与0 ， 反应产生荧光， 对 比 N H 转换 前后烟气 中 N O测量值 ， 通过计 算得到 N H 。该方法 可同时测 量 N O 。其 取样方 式为抽取 法 。如烟 尘浓度 过高 如 大于4 0 g ／ N m ， 则该测量方式的优势是可 以克服激光式N H， 分 析仪光程受限制的缺点。化学发光法N H ， 分析仪的造价 目前高 于激光式N H 分析。 3 ． 2 ． 3 No 的测量 N O 和 O 的测量原理同 1 ．2中的介绍。由于锅炉烟气中约 9 5 ％ 摩尔比 为N O ， 约5 ％ 摩尔比 为N O ， C E MS 系统可采用催 l 1 4 化 剂将 预处理后 的样气 中的 N O 转 化为 N O ， 仪表 测量得到烟气 中总的N O浓度 。需要注意的是， 规范要求 N O 浓度 以N O 计 ， 所 以这种测量方法得到 的结果应做进一步 的转换 。部分项 目没有 做 N O 催化 和转 换， 而 采用折算方式计算 。日前 ， 国家 的环保规 范没有明确要求必须做N O 的催化和转换。 3 ． 2 ． 4 DA S 数据采集 系统 国内各个地方的环保部门没有明确和统一是否必须设置脱 硝装置的烟气分析仪D A S 系统。按H J f F 7 5 的规定， D A S系统是 属于 C E MS 系统不可 分割的一部分 。但是脱硝 系统不在 电厂 的 最尾部 ， 所以严格地讲烟 囱上 的分析仪才是锅炉的 C E M S 。在 目 前 的工程设计 中， 通常按 单元机组设置 一套设置一套 脱硝 烟气 分析仪 D A S 系统， 预 留与 当地环保的接 口， 以便将来脱硝 电价 的 实施 。也有个别项 日没有设置脱硝 D A S 如当地环保无要求 。 3 ． 3 其他检测项 目 锅炉 内氧和 C O浓度测量， 用于锅炉的燃烧控制 。 除尘器出口烟尘测量， 用于检验设备的除尘效果和性能， 可 利用 F G D入 口的烟尘测量参数。 C O 、 H g 测量 。 目前我 国的环保 法规还没 有 C 0 、 H g 连续排 放 监测要 求 ， 但试 点和研 究工作 已经开 展 。Hg C E MS 在 线 监 测 原理 主要有冷原子 吸收分光光度法 H J 5 4 3 、 冷原 子荧光光 谱 法 HJ 5 4 2 等 ， 其 相关技 术要 求可 参考 H J ／ r 【 1 7 5 2 0 0 7 和 H ．I 厂 r 7 6 2 0 0 7 。C O 的测量 可采用 N D I R等原理 同S O 的测量 。 4 C E M S 装置的常见故障和处理 表1 C E M S 常见故障和处理建议 故障情况 原因分析 处理建议 l蠕动泵损坏 设备部件故障 2 冷凝器集水严重 除水 、 排水效果不好 2 取样管内含水量较大 除水 、 排水效果 好 3滤芯堵塞 烟尘浓度高 4 取样探头加热器损坏 设备故障 返厂修 理 增加滤水器 增加疏水过滤 系统 及时更换 换 1 、 取样点的位置不合适 】 、 调整取样点的位置 5 S O 2 浓度误差大 2 、 测量管路有漏空现象 2 、 定期做比对和仪 表的标定 3 、 分析仪故障 3 、 定期做仪表的维护 和检查 1 、 检查 和更换 耐腐 蚀和磨 损的探 ， ⋯。 、 。 1 、 量 璧 堡 或 腐 蚀 提 高 吹 扫 的 频 率 ， 检 查 吹 扫 的 6 流 量 测 量 误 差 大 2 、测量管路堵塞 ⋯一⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 3 、 取样点的位置不合适 整取样点的位 置 4 、 定期做比对和仪表的标定 7 烟 尘 测 量 误 差 大 霭 笔 苹 水 含 量 高 3 、 仪器电子部件故障 8分析仪面板无显示 仪 表故 障 9烟尘仪吹扫风机损坏 风机质量问题 篁 粤 坏 、 电 子 部 件 质 量 问 题 0 通 讯 卡 模 块 损 坏 ⋯ ⋯ ⋯ 1 、 检查 除尘风机 是否满足 r 况的 要求 2 、 水雾对测量的影响暂不能 克服 3 、 维护和检修 4 、 定期做比对和仪 表的标定 维修或更换 风 辩 需要 连续运 行 ， 对质 量要求 较高 ， 更换 更换 参考文献 f 1 1 火力发电厂大气污染物排放标准． G B 1 3 2 2 3 2 0 0 3 ． 『 2 ]h t t p ／ ／ w w w． c n e me ．c n ／ p u b l i s h ／ 1 1 3 ／ n e w s ／ n e w s 一 2 6 9 7 5 ．h t ml， 烟 尘 烟 气 连 续自动监测系统 C E M S 认证检测合格厂家名录 截止2 0 1 2 年4 月 l 6 日 ， 中国环境监测 总站 网页． f 3 ] 固定污染源烟气排放连续监测技术规范 试行 ． H I1 ， r 7 5 2 0 0 7 ． 『 4 ] 环境保护部办公厅关于加强燃煤脱硫设施二氧化硫减排核杏核算 I 作的通知 ， 环 办[ 2 0 0 9 1 8 号 ， 环境保护部 ， 2 0 0 9 - 0 1 1 9 ． 『 5 】 火电厂烟气脱硝工程技术规范选择性催化还原法． H J 5 6 2 2 0 1 0 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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