CEMS系統在安岳天然氣凈化有限公司的應用

周 洪，張曉云

(1.中石油安岳天然氣凈化有限公司，四川 安岳 642350；2.中石油天然氣凈化總廠，重慶 400020)

CEMS系統是對排放煙氣中氣態(tài)污染物和顆粒物能進行排放總量和濃度連續(xù)監(jiān)測并將數據實時傳輸至管理部門的裝置，也是環(huán)保排放監(jiān)測和工藝過程檢測的重要設備[1]。為實時監(jiān)控天然氣凈化裝置排放尾氣的各項指標，安岳天然氣凈化有限公司在凈化工藝設備上安裝了6套CEMS系統，分別是：一、二列天然氣凈化裝置的后端尾氣處理裝置及A/B/C/D 4個鍋爐各一套，用于監(jiān)測連續(xù)排放的廢氣指標。該監(jiān)測系統為SCS-900UV型，可測量SO2、NO、NO2、O2、流速、溫度、壓力等參數。

1 CEMS系統組成

安岳天然氣凈化有限公司使用的CEMS系統主要由氣態(tài)污染物SO2和NOX監(jiān)測子系統、煙氣參數(溫度、壓力、流速)監(jiān)測子系統、固體顆粒物監(jiān)測子系統及控制單元組成(圖1)。系統測量煙氣中氣態(tài)污染物SO2、NOX濃度、煙氣的溫度、壓力、流速或流量、濕度、含氧量等，同時計算煙氣中污染物排放速率和排放量，顯示和記錄各種數據和參數，形成相關圖表，并通過數據、圖文等方式傳輸至管理部門[2]。該系統主要包括樣品采集和傳輸裝置、預處理設備、分析儀器、數據采集和傳輸設備以及其他輔助設備等。樣品采集和傳輸裝置主要包括采樣探頭、傳輸管線、流量控制設備和采樣泵等，采樣探頭是一種能自行加熱并實施溫控的采樣裝置，該裝置與樣品氣接觸的部分全部采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼材料加工制成，高溫條件下抗腐蝕性能力強；預處理設備主要包括樣品過濾設備和除濕冷凝設備、NOX轉換器等，為防止顆粒物污染物分析儀，在氣體樣品進入分析儀之前設置精細過濾器，過濾器能過濾(0.5μm～2 μm)粒徑以上的顆粒物，除濕冷凝器由冷槍和排水蠕動泵組成，自動收集和排放冷凝液，設定溫度為2℃，NOX轉換器將多種NOX轉換為NO，進入MODEL 1080-UV紫外差分分析儀進行測量；分析儀器用于對采集的污染源煙氣樣品進行測量分析；數據采集和傳輸設備用于采集、處理、存儲監(jiān)測數據，并能按中心計算機指令傳輸監(jiān)測數據和設備工作狀態(tài)信息，具備數字信號和模擬信號雙輸出功能；輔助設備主要包括尾氣排放裝置、反吹凈化及其控制裝置、稀釋零空氣預處理以及冷凝液排放裝置等。

2 CEMS系統工作原理及特點

2.1 CEMS系統工作原理

2.1.1 氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統。安岳天然氣凈化有限公司使用的CEMS系統氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統采用直接抽取法進行測量。其中SO2、NOX濃度分析采用紫外吸收光譜分析原理，以物質對紫外光譜的吸收為基礎，測量相關波段紫外光強度的衰減幅度進而計算相應氣體的濃度。樣氣經過浮子流量計流入分析儀氣體池，紫外光源發(fā)出的紫外光經準直透鏡準之后進入氣體池，經樣氣吸收后的紫外光通過聚焦透鏡聚焦后耦合進光纖并傳輸到光譜儀中，經過光柵對(200 nm～350 nm)之間的紫外光進行分光、電荷耦合元件(CCD)接收光信號進行光電轉換，得到待測氣體的紫外吸收光譜，然后由軟件算法反演計算出待測氣體的濃度值。SO2、NOX測量范圍均為0～1 000mg/m3；氧含量分析采用電化學法原理：根據燃料池工作時，氧氣在陰極與電解液的分界面被轉換成電流，并且所產生的電流與氧氣的濃度成正比，O2測量范圍為0～25%。

2.1.2 煙氣參數監(jiān)測子系統。煙氣參數監(jiān)測子系統采用差壓原理的皮托管流量計，測量儀表主要有：鉑電阻溫度變送器、壓力變送器、皮托管流速計。鉑電阻溫度變送器由鉑電阻插入煙道中測量煙氣溫度變化，電阻值由轉換模塊轉換成相應的電流信號(4 mA～20 mA)傳送給SCS-900 UV型在線煙氣連續(xù)監(jiān)測系統的電腦和DCS系統中控顯示。西門子壓力變送器是將取壓管插入煙道中測量煙氣的壓力變化，壓力值由轉換模塊轉換成相應的電流信號(4 mA～20 mA)傳送給SCS-900 UV型在線煙氣連續(xù)監(jiān)測系統的電腦和DCS系統中控顯示。皮托管流速計探頭插入煙道中，使全壓和背壓探頭中心軸線處于過流斷面中心且與流線方向一致，全壓探頭測孔正面應對來流，檢測流體總壓，并將其傳遞給差壓變送器；同時背壓探頭測孔拾取節(jié)流靜壓也將其傳遞給變送器，變送器讀取總靜壓差值并將其轉換成相應的電流信號(4 mA～20 mA)傳送給SCS-900UV型在線煙氣連續(xù)監(jiān)測系統的電腦和DCS系統中控顯示。煙氣參數監(jiān)測子系統的流速測量范圍為2 m/s～40 m/s，溫度測量范圍為0～300℃，壓力測量范圍為(-10 kPa～+10 kPa)。

2.1.3 固體顆粒物監(jiān)測子系統。煙氣中固體顆粒物監(jiān)測子系統使用射流泵從煙道中抽取一定體積煙氣，作為樣氣在加熱腔中被加熱到140℃，使水滴和氣霧蒸發(fā)，隨后樣氣進入測量室，數據處理單元根據測量單元的測量信號等參數計算顆粒物濃度。測量尾氣通過回流法蘭流回煙道中，射流泵通過風機進行驅動，同時風機把一定流量的空氣吹入測量單元，保護其光學鏡片。對安岳凈化公司這種低顆粒濃度煙氣的監(jiān)測，測量單元采用光學前散射。

2.1.4 數據采集、處理和控制子系統。安岳凈化公司的CEMS控制子系統PAS-DAS軟件是SDL公司根據國家環(huán)保標準，并針對SDL的CEMS系統硬件開發(fā)的數據采集和數據處理系統，可實時顯示煙氣監(jiān)測系統的各項污染物參數的數值和整套系統的運行狀況。整個系統由傳感器單元、控制裝置(PLC)、現場主控站組成。傳感器單元監(jiān)測的數據信號和采集的樣氣通過通信線路和采樣管線傳輸至測控單元，測控單元將獲得的模擬信號轉換為數字信號同樣氣分析結果一起保存至PLC中。PAS-DAS系統通過通信線路獲取PLC中的各類監(jiān)測數據和系統狀態(tài)信號，通過計算和統計后顯示在用戶界面上同時保存至數據庫管理系統中。數據傳輸分為兩路，一路以4 mA～20 mA標準信號送至DCS，另一路以485通信的方式送至DCS，雙路輸出保證了中控操作人員的實時監(jiān)控，便于工藝人員對尾氣處理裝置的及時調整。

2.2 SCS-900UV型CEMS系統特點

安岳天然氣凈化有限公司安裝的SCS-900UV型煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統相對其他天然氣凈化廠在用CEMS的特點如下：①樣氣入冷凝器前裝有溫度變送器，可監(jiān)測樣氣溫度；②樣氣入冷凝器前裝有煙氣濕度傳感器，排放流量測算更加準確；③系統具備完整的全流程校準功能，可測試出采樣系統管路有無堵塞、輕微泄漏、管路材質是否有吸附、煙氣含水量是否吸收樣氣中的SO2；④建有專用防爆分析小屋，屋內配有空調，有效穩(wěn)定設備工作環(huán)境溫度；⑤配有專用的人工參比取樣孔，避免參比取樣孔在插入皮托管后采用毛巾進行封堵，煙囪為負壓，容易吸入空氣，導致比對的O2偏高，氣態(tài)污染物測量值偏低，導致校驗不合格問題。

3 CEMS監(jiān)測系統應用中出現的問題及解決方法

安岳天然氣凈化有限公司現場安裝的SCS-900UV型CEMS系統投用兩年多，運行良好，但也出現過如下問題。

3.1 CEMS系統測量SO2值偏低

CEMS系統在運行中出現一列裝置尾氣CEMS測量SO2值偏低，經現場檢查分析發(fā)現：監(jiān)測探頭電伴熱接線虛接，無220 VAC，電伴熱停后，樣氣溫度低，導致濾芯及管路大量含水，樣氣中的SO2溶于水中，SO2測量值偏低。因此，采用儀表風吹濾芯，使得濾孔透氣良好；同時搭接好電伴熱線后恢復至220VAC，探頭電伴熱溫度逐漸升至140℃，恢復取樣，濾芯干燥，樣氣含水少，SO2測量值恢復正常。

3.2 CEMS系統測量O2值異常

尾氣處理裝置正常運行時，曾出現CEMS系統監(jiān)測O2含量為21%。經現場查看各管路、蠕動泵、取樣探頭、冷凝器，發(fā)現冷凝器的冷槍旁及冷凝器下有大量的藍色冷凝液，拆出冷槍，冷槍玻璃杯體裂，冷槍接頭破裂，導致取樣管直接與大氣相通，氧分析值為大氣中的氧含量。更換冷槍后，測量O2含量恢復正常。

3.3 CEMS系統監(jiān)測尾氣流速嚴重偏高

尾氣處理裝置正常運行時，其中一列裝置CEMS系統監(jiān)測尾氣流速嚴重偏高，從日常的4 m/s突然升高至28 m/s。經現場檢查反吹三通電磁閥，發(fā)現正壓側電磁閥內漏儀表風關閉不嚴，導致變送器測量的是儀表風與皮托管負壓側之間的壓差，而儀表風壓力遠大于尾氣的壓力，所以流速會嚴重偏高，因此，更換三通電磁閥后尾氣流速恢復正常。

3.4 CEMS系統測量SO2和NOx值為零

CEMS系統在運行中出現一列裝置尾氣CEMS測量SO2和NOX值均為零。現場檢查轉子流量計流量為0，拆開取樣管未見有樣氣抽入，而抽氣取樣泵工作正常；取出取樣探頭，發(fā)現探頭濾芯上附著雜質顆粒，堵塞了探頭濾芯，沒有樣氣流入測量室，從而使分析儀測量數據為0。用儀表風反復吹掃濾芯，使其干凈(堵塞嚴重的直接更換濾芯)，濾芯通暢后，取樣正常，測量值恢復正常。

3.5 IIA鍋爐CEMS分析儀的轉子流量計卡在頂部，無法調樣氣流量

A臺鍋爐CEMS運行中出現分析儀的轉子流量計卡在頂部，無法調樣氣流量。經檢查分析發(fā)現NOX轉換器中轉化劑漏出后滲入MODEL 1080-UV分析儀轉子流量計，轉子上附著過多的轉化劑后卡死在流量計頂端，導致無法調節(jié)樣氣流量。因此，拆開MODEL 1080-UV紫外差分分析儀，取出轉子流量計，用儀表風吹掃轉子流量計、分析儀管路、測量池。同時，在NOX轉換器出口與MODEL 1080-UV分析儀入口之間加裝膜式粉塵過濾器，防止NOX轉換器中的轉化劑滲入MODEL 1080-UV分析儀卡死轉子。

4 結束語

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統是凈化廠煙氣排放監(jiān)測的重要裝置，針對安岳天然氣凈化有限公司安裝的SCS-900UV型煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統應用過程中出現的問題進行了原因分析，并提出解決措施，為系統運行維護積累了經驗，也提高了在線監(jiān)測系統的準確性和穩(wěn)定性。