火電廠污染源自動監控中CEMS流量測量問題的研究

王燕楓++楊清

摘要： 系統介紹了火電廠污染源自動監控工作中流量測量問題的技術及政策背景，闡述了矩陣式流量計的工作原理，結合流量監測改造項目應用實例，對其技術特點、優勢及應用效果進行了分析、論證。通過實例對比發現，矩陣式面測量流量監測方法較傳統測量方法有明顯優勢，流量監測結果準確、代表性好、趨勢性強。

Abstract： This paper systematically introduces the technology and policy background of flow measurement in the automatic monitoring of the pollution source in the thermal power plant， expounds the work principle of matrix flowmeter， and combining with the flow monitoring renovation project， analyzes and convinces the technical characteristics， advantages and application effect. Through the example comparison， it is found that the flow monitoring method with matrix measurement has obvious advantages compared with the traditional measurement method， whose flow monitoring results are accurate， representative and have a strong trend.

關鍵詞： 火電廠；CEMS（煙氣排放連續監測系統）；流量測量；矩陣式流量計

Key words： thermal power plant；CEMS （continuous emission monitoring system）；flow measurement；matrix flowmeter

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）05-0122-03

0 引言

我國火電廠數量眾多，污染物排放量巨大。目前，全國共1361家火電廠（包括自備電廠），共計4276臺機組。火電廠在全國均有分布，其中占比居于全國前八的省份共占 56.5%，詳見表1。根據“十二五”環境統計業務系統[1]，2015年火電廠煙塵、二氧化硫以及氮氧化物的排放量分別是381.7萬噸、660.7萬噸和646.5萬噸，占當年廢氣污染物總排放量的比例依次為 22.5%、38.9%和 38.1%。

煙氣污染物排放量以濃度與流量的乘積計，煙氣濃度測量技術目前已十分成熟，而煙氣流量監測還存在一些問題[2]。《固定污染源煙氣排放連續監測技術規范》[3]（HJ/T 75-2007）等對CEMS采樣斷面位置有明確的限制：對于流速的測定，要求盡可能避開彎頭、斷面等急劇變化的部位，并與這些部位的距離滿足“前四后二”的要求[4]。實際生產中，受制于場地、經濟性等因素，煙道普遍較短，且多變徑、彎頭，流速流量監測存在如下問題：煙氣高溫、高濕、高塵，內部流場紊亂，加之煙氣、強振動，含酸、含漿液，環境較為惡劣，傳統點測量及線測量式流量測量方法的效果較差[5]。

1 煙氣流量自動監控政策背景

煙氣流量自動監控數據的準確性直接關系到污染源自動監測數據的有效性，是國家污染源排放監管的重要依據。國務院辦公廳[6]《關于轉發環保部“十二五”主要污染物總量減排考核辦法的通知》（國辦發[2013]4號）要求污染源自動監控數據傳輸有效率達到75%，對考核結果未通過的，實行“一票否決”。其中，數據傳輸有效率為數據傳輸率和數據有效率的乘積，要保證總體的數據有效性，就要重點解決煙氣流量自動監控數據這一傳統薄弱環節。

新形勢下，十三五環保費改稅啟動，以污染物自動監控排放量數據作為計稅依據，可提高執法效力，對CEMS流速測量的準確性提出了更高的監管和技術要求。由于火電廠煙氣流量一直以來主要以傳統點測量、線測量形式為主，監測數據準確性差、代表性弱等突出問題長期存在，而矩陣式流量計在實際應用中可有效解決以上問題，引起國家層面關注，環保部[7]《關于加強“十二五”主要污染物總量減排監測體系建設運行情況考核工工作的通知》（環發[2013]98號）文件要求，對普遍存在的煙氣流速（流量）測量不準等問題應按技術規范要求調整采樣點位，不具備調整條件的，換裝矩陣式流速儀等新型設備。江蘇省作為全國火電機組最多的省份，也是全國范圍內較早試點安裝矩陣式流速儀的省份，試點開始以來，收效良好，目前CEMS煙氣流量測量規范性改進工作正有序推進，污染源自動監控數據有效性穩中有升。

2 煙氣流量自動監控技術介紹

2.1 火電廠煙氣流量自動監控技術要求

火電廠煙氣流量監測點位通常都設置在矩形煙道上。《固定污染源煙氣排放連續監測技術規范》（HJ/T 75-2007）、《固定污染源排放煙氣連續監測系統技術要求及檢測方法》（HJ/T 76-2007）、《固定污染源排氣中顆粒物測定與其態污染物采樣方法》[8]（GB/T 16157-1996）對煙氣流速流量測量采樣點位和數目做出了明確規定。

為保證采樣位置斷面流場均勻、穩定，規范要求，采樣位置應優先選擇在垂直管段，應避開煙道彎頭和斷面急劇變化的部位，采樣位置應設置在距彎頭、閥門、變徑管下游方向不小于4倍直徑（或當量直徑）和距上述部件上游方向不小于2倍直徑（或當量直徑）處，此即采樣位置選擇的“前四后二”原則，如圖1所示。

為保證采樣點處測得的煙氣流速具備代表性、準確性，規范要求將煙道截面分成適當數量的等面積小塊，各塊中心即為測點取樣位置，如圖2所示。

此外，煙道內的煙氣高溫、高濕、高塵，強振動，含酸、含漿液，環境較為惡劣，監測設備的防磨、防堵、防腐蝕性能必須滿足長期穩定運行的要求。

2.2 現有流量自動監控技術現狀

流速測量儀器很多，但適用于燃煤電廠煙道高溫、高濕、含塵等惡劣環境的測量儀器并不多，主要有[9]皮托管流量計、巴類流量計、熱平衡流量計、超聲波流量計及矩陣式流量計等。表2給出了這幾種類型的流量計的技術特點對比。

3 矩陣式流量測量應用

3.1 矩陣式流量測量原理

矩陣式流量計基于壓差法流速（量）測量原理[10]。測量裝置安裝在煙道內，當煙道內內有煙氣流動時，迎風面受氣流沖擊。在此處氣流的動能轉換成壓力，因而迎面管內壓力較高，其壓力稱為“全壓”；背風側由于不受氣流沖壓，管內的壓力為風管內的靜壓力，其壓力稱為“靜壓”。全壓和靜壓之差稱為差壓，其大小與管內風速（量）有關，風速（量）越大，差壓越大；風速（量）小，差壓也小。因此，只有測量出差壓的大小，再找出差壓與風速（量）的對應關系，才能正確地測出管內風速（量）。

矩陣式流量計布點原理及結構示意圖如圖3所示。

實際煙道型式多樣，且多尺寸巨大，測點前后直管段長度無法滿足“前四后二”的采樣要求，煙道內流場分布不均勻，單點流速無法準確代表整個煙道截面的平均流速，為準確測量煙氣風量，在大風道截面上采用等截面多點測量流速[12，13]，將許多個測點等截面有機地組裝在一起，正壓側與正壓側相連，負壓側與負壓側相連，正、負壓側各引出一根總的引壓管，分別與差壓變送器的正、負端相連，測得截面的平均速度，然后計算出風量。

實際工程應用中，流量測點的布點原則嚴格遵循GB/T 16157-1996布點要求，并結合具體鍋爐及煙道型式、生產工況，通過模擬計算予以調整、優化。

3.2 應用實例分析

2015年，由于原有的點式流速儀存在煙氣流量與鍋爐入口風量差額較大、與機組負荷相比趨勢性差的現象，南京某電廠對其300MW機組脫硫凈煙氣煙道流量監測系統進行了升級改造，安裝了矩陣式流量計，圖4，圖5分別為改造前后機組負荷與煙氣流量的月度小時數據監控曲線（相關數據來源于江蘇省電力企業鍋爐煙氣在線監控系統）。

由圖4可知，2015年3月，機組負荷基本在210MW與300MW范圍內、250MW上下浮動，但是相對于負荷的變化，煙氣流量無明顯變化，變化趨勢未能與負荷的變化趨勢保持跟隨性、一致性。此外，在月初、月中，出現兩次負荷下降但煙氣流量不降反升的“反趨勢”現象，嚴重背離實際生產工況。

2016年3月，機組負荷大體上較為平穩，基本在250MW與270MW范圍內浮動，但也經歷過兩次負荷拉升至290MW左右又迅速回落至正常水平的過程。由圖5可見，當負荷較為穩定時，煙氣流量跟隨負荷變化趨勢，也較為平穩的在一定范圍內波動；當負荷發生較大拉升、回落時，流量靈敏跟隨隨著負荷變化的趨勢而變化，較為真實的反映了機組運行及煙氣流量的實際情況。

表3給出了該機組在改造前后機組負荷與鍋爐送風量、煙氣排放量的月度統計數據。由表3可見，兩個月機組總負荷大體一致，生產工況較為接近，具備可比性。由于脫硫、脫硝等工藝環節有少量新風送入，凈煙氣煙道煙氣量總體上要大于鍋爐送風量，但在流量測量改造之前，凈煙氣監測月總排放量及MW負荷均排放量均大幅低于鍋爐送風水平，出現了“倒掛”現象；該問題在改造之后得到解決，監測數據顯示，凈煙氣監測月總排放量及MW負荷均排放量均接近于鍋爐送風水平，但在其基準水平上略有增加，真實反映了實際工況。

結合以上分析可知，傳統點測量式流量監測方法存在趨勢性差、總量不準確等突出問題，而矩陣式面測量方法有效解決了這些問題，流量監測結果真實、準確、趨勢性強，作為排污計量的依據，真實、客觀、相對準確。

4 結論與展望

結合國家節能減排政策與污染源自動監控的實際工作，對火電廠污染源自動監控工作中流量測量問題的技術、政策背景做了系統介紹，闡述了矩陣式流量計的工作原理，并結合流量監測改造項目的應用實例，對其技術特點、優勢及應用效果進行了分析、論證。通過實例對比發現，矩陣式面測量流量監測方法較傳統測量方法有明顯優勢，流量監測結果相對準確、代表性好、趨勢性強。

建議將矩陣式面測量流量監測方法寫入相關國家標準，并規范相關技術產品的認證和準入，促使該項技術的良性推廣和應用，完善現有污染源自動監控煙氣流量測量技術，以提高CEMS自動監控數據的準確性和可用度。

參考文獻：

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[6]國務院.關于轉發環保部“十二五”主要污染物總量減排考核辦法的通知[EB/OL].http：//www.gov.cn/，2013-1-5/2016-10-10.

[7]國家環保部.關于加強“十二五”主要污染物總量減排監測體系建設運行情況考核工工作的通知[EB/OL].http：//www.zhb.gov.cn/，2013-8-28/2016-10-10.

[8]國家環境保護局.固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態污染物采樣方法（GB/T 16157-1996）[S].北京：中國環境科學出版社，1996.

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