煙氣排放連續監測系統及其常見故障分析處理

白江文 ，魏 威 ，周 強 ，張友衛

（1.安徽省電力建設第二工程公司通用設備安裝公司，安徽合肥230088；2.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211102）

煙氣排放連續監測系統（CEMS）是對火力發電后產生的污染物排放實行連續實時監測的在線系統，通過測量煙氣中的顆粒物（煙塵）濃度、氣態污染物（含SO2、NOx等）濃度等主要參數以及煙氣溫度、煙氣速度等輔助參數，實現了脫硫效率、污染物排放總量等指標的連續自動監測，是發電企業評測脫硫設施等環保設備工作效率的重要裝置。同時將采集數據實時遠傳至國家環保部門集中在線監測，也是國家環保部門監管火力發電企業污染物排放是否達標的關鍵設備。國家環保部門已于2007年出臺了CEMS的技術規范[1]和檢測方法[2]，為CEMS選型、系統建設和儀器檢測提供了參照規范，但系統正常運行時常見故障的分析處理則很少見諸文獻報道，導致一些簡單的故障也必須聯系設備供貨廠家維護處理，延誤了故障處理時間，影響了脫硫脫硝系統的正常投運。因此有必要針對其常見故障產生原因進行分析，并提出處理辦法，為相關運行檢修人員提供參考。

1 系統概述

CEMS系統根據技術規范要求，主要由煙塵監測、氣態污染物監測、煙氣排放參數監測和系統控制及數據采集處理等4個子系統組成。由于主要設備及測量原理差別很大，文章只針對目前在江蘇省內應用最為廣泛的FT91型CEMS進行測量原理和常見故障的分析。

1.1 煙塵監測子系統

主要對煙氣排放中的煙塵濃度（顆粒物）進行連續自動監測。

1.2 氣態污染物監測子系統

主要從煙道內抽取煙氣傳送到氣體預處理系統進行除塵、除水后對煙氣中的SO2、NOx等氣態污染物進行連續自動監測，并將監測參數值以模擬量的形式發送到數據采集系統。

1.3 煙氣排放參數監測子系統

主要對排放煙氣的溫度、流速或流量、濕度（煙氣含水量）、壓力及O2含量等輔助參數進行監測，用以將污染物的濃度轉換成標準狀態和規定過剩空氣系數下的濃度值，以便污染物排放水平比較在統一標準下進行。

1.4 系統控制及數據采集處理子系統（DAS系統）

主要完成監測數據的采集、保存、打印等功能，并將監測數據和相關信息傳送到上級主管部門。

2 測量原理

2.1 煙塵監測子系統工作原理

煙塵監測子系統采用濁度法，其原理是當光通過含有煙塵的煙氣時，光強因煙塵的吸收和散射作用而減弱，通過測定入射光束通過煙氣后的光強與原來光強的比值可以定量測量煙氣濁度或煙塵濃度。煙塵監測子系統如圖1所示。

圖1 煙塵監測子系統示意圖

2.2 氣態污染物監測子系統工作原理

氣態污染物監測子系統選用直接抽取釆樣法，系統由煙氣采樣單元、預處理單元和分析單元組成，用于完成樣氣的抽取、輸送、調節、處理和分析。系統采用加熱抽取原理，用FR-ESP100型電加熱采樣探頭抽取煙氣（采樣流速≥2 L/min），煙氣在進入采樣探頭前經過濾器去除顆粒物，經過加熱 （140～160℃）、保溫（120～130℃）等環節，樣氣被導入到預處理單元除濕，然后送入氣體分析儀中進行分析,連續檢測出煙氣中的SO2和NOx濃度。因為煙氣中的水分已被除去，所以系統提供的是干煙氣的SO2和NOx排放濃度。

分析儀SO2/NOx分別采用紫外法和紅外法進行測量。紅外、紫外氣體分析傳感器原理如圖2所示。左邊為紅外測量原理圖，右邊為紫外和可見光測量原理圖。

圖2 紅外、紫外氣體分析傳感器原理

以NOx測量為例介紹紅外測量原理 （測量SO2的紫外原理除光源、濾光室和檢測器實現原理外，其他與紅外基本相同）。NOx的特征光譜在紅外區，紅外光源產生的紅外光通過濾光室5后就剩下NOx的特征光譜能通過，這樣，紅外光是否衰減可以確定樣氣中NOx是否存在，而衰減的強度可知NOx的濃度，衰減強度是通過與參比氣的比對來實現。其工作時紅外光的流程為：由紅外光源產生恒定強度的紅外光，通過特殊形狀的調制盤后交替進入分析室的測量側和參比側前的濾光室以排除其他光譜的干擾，然后由分析室經無分割墻濾光室，從出口光窗進入檢測器，檢測器將感受到的紅外光強度 （與NOx濃度有關）轉換為電流信號經前置放大后送至顯示回路。檢測器是通過紅外光的熱效應來工作的，它由吸收室和補償室組成，里面充有氣體，當光從測量側通過，由于部分紅外光被吸收，吸收室里煙氣被冷卻，氣體從補償室流入吸收室；當光從參比側通過，紅外光不被吸收，吸收室被加熱，氣體由吸收室流入補償室。這樣，在吸收室和補償室之間的流量傳感器就因紅外光交替通過測量側和參比側而產生周期流量脈沖，通過分析流量脈沖可知樣氣中NOx濃度。

2.3 煙氣排放參數監測子系統工作原理

煙氣排放參數監測子系統包括煙氣流速、煙氣溫度、煙氣壓力、煙氣濕度和煙氣氧含量等輔助參數的實時連續監測。

2.3.1 煙氣壓力和流速連續監測原理

煙氣壓力連續監測工作原理：前端使用遮板式防堵皮托管，測量部分采用西特C268型壓力變送器連續監測壓力，將流程壓力通過隔離膜片和灌充液傳遞到δ室中心的傳感膜片上，基準壓力以同樣的方式傳遞到傳感膜片的另一測，通過傳感膜片的位移與兩者壓力之差成正比的關系計算出壓力值。傳感元件中的傳感膜片和兩電容極板間的電容差被電子部件轉換成4～20 mA DC的二線制輸出的電信號。由于氣體流速與氣體動壓的平方根成正比，根據測得的動壓計算出氣體的流速。

2.3.2 煙氣溫度連續監測原理

煙氣溫度連續監測采用一體化的溫度變送器，直接安裝在煙道上，實現煙氣溫度連續監測。溫度變送器包括變送器、傳感器、加長件、熱套管。測量原理為熱電偶工作原理：將2根不同的金屬導線連成一閉路，當兩接點處于不同溫度環境時，便產生熱電勢，兩接點的溫差越大，熱電勢越大。

當熱電偶1個接點的溫度保持恒定 （稱為自由端），則熱電偶產生的熱電勢大小便完全取決于1個接點的溫度（稱為工作端），用毫伏計或數字式溫度計測出熱電偶的熱電勢就可以得到工作端處的煙氣溫度。

2.3.3 煙氣氧含量連續監測原理

采用電化學法直接測量。

2.3.4 煙氣濕度連續監測

薄膜電容濕度儀利用薄膜電容對水分的透過性進行測量。

3 常見故障分析處理

3.1 煙塵監測子系統數據超高報警

根據煙塵監測子系統測量原理分析，導致數據超高報警的原因有如下幾點：（1）煙塵儀鏡面存在積灰及水汽；（2） 光路偏移；（3） 設定參數錯誤；（4）信號傳輸系統等其他故障。

煙塵監測子系統出現數據超高報警時，根據以下步驟排查，并采取相應處理措施。

（1）通過DAS系統或者設備顯示單元故障指示燈檢查設備是否出現報警。

（2）模擬量信號輸出是否與面板顯示的數據為對應的線性關系，必要時按照以下程序進行詳細檢查：① 煙塵儀鏡面是否積灰。如果存在積灰可用柔軟的紙巾或專用工具對其進行清理；② 煙塵儀的光線是否偏移。如果光線偏移可以調節固定煙塵儀安裝法蘭螺栓來重新對光；③ 檢查數據采集模塊、采集系統連接線和系統設定等其他因素。

3.2 氣態污染物監測系統流量低報警

氣態污染物監測子系統常見故障為流量低報警，其原因有如下幾點：（1）采樣泵故障；（2）系統出現堵塞、漏氣現象；（3）流量測量裝置故障；（4）設定錯誤；（5）控制單元及傳輸線路等其他故障。

當出現流量低報警時可以按照以下步驟逐步進行排查，并采取相應處理措施。

（1）通過DAS系統或者系統狀態指示燈檢查系統目前所處的工作狀態，如果系統處在標定/反吹狀態，則等到系統恢復到正常測量狀態時還是出現流量低報警繼續如下排查；

（2）查看系統是否出現其他故障報警 （如采樣器、伴熱線、冷凝器、濕度等報警）；

（3）檢查采樣泵工作狀態 （可以直接給采樣泵供電觀察其工作情況）；

（4）檢查系統是否出現堵塞、漏氣現象；

（5）檢查流量測量裝置工作狀態；

（6）檢查數據采集模塊、采集系統連接線和系統設定等其他因素。

3.3 煙氣排放參數監測子系統流速數據異常

煙氣排放參數監測子系統常見故障為流速數據異常，根據流速測量原理分析，其原因有以下幾點：（1） 電源故障；（2） 信號輸出故障；（3） 采樣單元堵塞；（4）數據采集系統故障；（5）測點位置不合理；（6）設備安裝方式；（7）設備本身故障。

當煙氣排放參數監測子系統出現流速數據異常時，可以按照以下步驟逐步進行排查，并采取相應處理措施。

（1）檢查設備供電電源；

（2）檢查設備信號輸出；

（3）檢查數據采集單元工作狀態；

（4）檢查線路連接；

（5）檢查設備安裝位置代表性 （如安裝在渦流區安裝點具有強烈震動等）；

（6）檢查設備的安裝方向 （流速監測設備有方向性）；

（7）檢查設備探頭 （是否存在堵塞、腐蝕等情況）；

（8）測試設備是否存在漂移；

（9）測試設備在不同工況是否存在變化 （例如將設備拆出煙道放在室內，觀察設備測量數據的變化情況）。

4 結束語

CEMS系統作為火力發電企業污染物排放主要測量設備，其重要性已越來越顯著。本文通過簡述其測量原理，分析了系統常見故障并提出處理方法，為提高系統運行穩定性，降低維護成本，準確反映污染物排放水平提供了一定的參考。

[1]HJ/T75—2007，固定污染源煙氣排放連續監測技術規范[S].

[2]HJ/T76—2007，固定污染源煙氣排放連續監測系統技術要求及檢測方法[S].