提高燃機(jī)CEMS系統(tǒng)的測量精度

鄭 捷，阮雷鈞，胡方明

（1.浙江浙能長興發(fā)電有限公司，浙江 長興 313100；2.杭州中興達(dá)科技有限公司，杭州 310052）

0 引言

浙能長興天然氣熱電有限公司（以下簡稱長然公司）目前配備兩臺(tái)435MW燃?xì)鈾C(jī)組，由上海電氣股份有限公司引進(jìn)西門子技術(shù)生產(chǎn)。該燃?xì)鈾C(jī)組為單軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，包括兩臺(tái)SGT5-4000F（X）燃?xì)廨啓C(jī)及與之相配的汽輪發(fā)電機(jī)組和兩臺(tái)上海鍋爐廠生產(chǎn)的無補(bǔ)燃三壓、再熱蒸汽循環(huán)余熱鍋爐和相關(guān)的輔助設(shè)備，每套機(jī)組配置一套煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（簡稱CEMS）。在性能保證工況下，單臺(tái)機(jī)組凈輸出功率：聯(lián)合循環(huán)434.8MW，燃機(jī)292.7MW。聯(lián)合循環(huán)效率58.16%，其中燃機(jī)簡單循環(huán)效率39.15%。各階段工況污染物排放：NOX≤50mg/m3；SO2≤35mg/m3；煙塵≤5mg/m3；揮發(fā)性有機(jī)物VOC＜4mg/m3[6]。由于當(dāng)前國家對環(huán)保排放的日益重視，節(jié)能環(huán)保的燃機(jī)機(jī)組在國內(nèi)得到大力建設(shè)。與此同時(shí)，燃機(jī)的低排放特性也對CEMS的測量提出了更高的要求。

1 燃機(jī)CEMS的組成

長然公司CEMS系統(tǒng)用于在線連續(xù)監(jiān)測機(jī)組排放的各類氣態(tài)污染物，氣態(tài)污染物采樣方式為加熱采樣，該裝置安裝于余熱鍋爐出口煙囪處。系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)包括NO、CO、煙氣溫度、煙氣流速、O2含量、SO2含量、濕度、壓力和煙氣煙塵含量。其中，NO、CO、O2、SO2的測量采用ABB公司的AO2020表計(jì)進(jìn)行分析；煙氣溫度、煙氣流速則采用熱式流量計(jì)進(jìn)行測量；濕度、壓力、煙塵分別采用濕度傳感器、壓力變送器和光學(xué)煙塵儀進(jìn)行測量。整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成與燃煤機(jī)組CEMS系統(tǒng)的構(gòu)成基本一致。

機(jī)組投運(yùn)后地方環(huán)保部門對長然公司的CEMS系統(tǒng)進(jìn)行了環(huán)保比對，在機(jī)組功率大于75%設(shè)計(jì)負(fù)荷的工況條件下，機(jī)組的NOX、CO、煙氣溫度、煙氣流速、O2含量、濕度、壓力、煙氣煙塵含量等參數(shù)均在國家合格的排放范圍內(nèi)。

然而在燃機(jī)啟動(dòng)低負(fù)荷階段，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)CEMS系統(tǒng)顯示燃機(jī)排放的煙氣中SO2含量的測量值最大可達(dá)到2200mg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過燃機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)，而同時(shí)NOX測量值則偏低。由于燃機(jī)燃燒介質(zhì)為天然氣，根據(jù)天然氣成分報(bào)告，其硫成分含量幾乎近零，機(jī)組啟動(dòng)階段存在高濃度的SO2應(yīng)無可能，技術(shù)人員懷疑數(shù)據(jù)的測量可能存在問題。對此，技術(shù)人員采用環(huán)保部門使用的攜帶式測量儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，電廠和環(huán)保部門兩套設(shè)備的具體數(shù)據(jù)比對見表1。由此可見，長然公司CEMS的測量確實(shí)出現(xiàn)了較大偏差。

表1 機(jī)組啟動(dòng)過程參數(shù)值比對表Table 1 Unit startup process parameter value comparison table

2 原因分析

長然公司用于檢測NO、CO、O2、SO2的氣體分析儀采用ABB公司的AO2020。該表計(jì)的分析原理為非分散紅外吸收法，即不分光，選取一個(gè)寬波長范圍的光源，用兩個(gè)窄帶濾光片分別在檢測器之前濾光，兩個(gè)檢測器一個(gè)作為傳感器，另一個(gè)作為參比。對比兩個(gè)檢測信號(hào)，得出被測氣體吸收紅外光量，從而換算出被測氣體濃度。紅外氣體分析儀作為一種快速、準(zhǔn)確的氣體分析技術(shù)，目前在CEMS領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛[1]。

2.1 SO2測量誤差原因分析

由于氣體分析儀直接抽取燃機(jī)排放煙氣進(jìn)行測量，為分析燃機(jī)低負(fù)荷段SO2測量誤差，首先進(jìn)行測量介質(zhì)調(diào)研，天然氣的成分主要由甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）等飽和烴氣體以及少量的高碳分子氣體混合組成。在機(jī)組正常負(fù)荷段天然氣燃燒產(chǎn)物除NO、NO2、CO2外，只有微量的CO和SO2。在燃機(jī)啟動(dòng)過程中發(fā)現(xiàn)低負(fù)荷段排放煙氣中CO含量最高達(dá)到130mg/m3，證明燃燒條件比較差，導(dǎo)致燃燒不完全，排放的尾氣中含有部分的CH4[3]。

對SO2的紅外光譜和其他氣體紅外光譜進(jìn)行調(diào)研，結(jié)果如圖1。可見在1000μm～1500μm波長范圍內(nèi)，SO2和CH4的紅外光譜極為接近，根據(jù)ABB2020儀表所采用的測量原理可知，表計(jì)吸收寬波段紅外光譜后，通過對比分析得出SO2濃度，CH4在寬波段內(nèi)紅外光譜接近SO2將被誤吸收，造成SO2測量失準(zhǔn)。

圖1 CH4 SO2紅外光譜圖Fig.1 CH4 and SO2 infrared spectrum chart

2.2 NOX測量誤差原因分析

長然公司CEMS使用的AO2020紅外氣體分析儀只能測量煙氣中的NO，而NO2和NOX則是通過計(jì)算獲得，在現(xiàn)場應(yīng)用中一般參考煤機(jī)經(jīng)驗(yàn)，即煙氣中NO2為NO排放的5%左右的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式NO2=NO×0.05計(jì)算。環(huán)保部門所使用的對比表計(jì)為德圖公司350產(chǎn)品，由于該表計(jì)采用定電位電解法，配備了分別測量NO和NO2的測量池，可分別測量煙氣中的NO和NO2再合成NOX。但是通過環(huán)保比對表計(jì)分析，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)燃機(jī)排放和煤機(jī)排放存在著很大的不同。燃機(jī)在低負(fù)荷工況下，由于過剩空氣，排放煙氣中含有大量的NO2，濃度最高的時(shí)候NO2甚至可占總排放的30%，因此造成了NOX比對結(jié)果偏差較大的情況，見表2。

表2 環(huán)保測量實(shí)際排放參數(shù)值Table 2 Environmental protection measurement actual emission parameter values

3 解決方案

3.1 SO2測量解決方案

根據(jù)紅外氣體分析儀的測量原理，由于SO2同CH4的紅外光譜在儀表吸收波段內(nèi)非常接近，因而無法在儀表中有效排除CH4對SO2造成的測量干擾。針對此情況只能考慮選取使用脈沖紫外熒光法測量原理的分析儀消除該種測量誤差[2]。

SO2分析儀采用脈沖紫外熒光法原理如圖2。

圖2 SO2分析儀原理圖Fig.2 SO2 Analyzer principle diagram

用波長190nm～230nm紫外光照射樣品，則SO2吸收紫外光被激發(fā)至激發(fā)態(tài)，即：

激發(fā)態(tài)SO2*不穩(wěn)定，瞬間返回基態(tài)，發(fā)射出波峰為330nm的熒光，即：

發(fā)射熒光強(qiáng)度和SO2濃度成正比，用光電倍增管及電子測量系統(tǒng)測量熒光強(qiáng)度，即可得知SO2的濃度。

通過對脈沖紫外熒光法測量原理的分析可知，該測量原理下儀器不需要使用氣體紅外光譜，故可有效排除CH4對SO2造成的測量干擾。

抽查長然公司裝配紫外分析儀表后的測量數(shù)據(jù)見表3?？梢?，紫外測量儀表測得SO2顯示值明顯下降，接近環(huán)保比對數(shù)據(jù)，改造效果十分理想。

表3 啟機(jī)過程SO2測量值Table 3 Enlightenment process SO2 measurement value

3.2 NOX測量解決方案

根據(jù)上文分析，造成NOX測量偏差大的主要原因是原表計(jì)只能直接測得NO數(shù)據(jù)，NO2數(shù)據(jù)通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，且經(jīng)驗(yàn)公式不符合實(shí)際工況。由此，提出如下兩種方案：

3.2.1 方案討論

方案一：測量回路增設(shè)NO2/NO轉(zhuǎn)換爐

根據(jù)HJ692-2014《固定污染源廢氣 氮氧化物的測量非分散紅外吸收法》的規(guī)定，在取樣回路中加裝NO2/NO轉(zhuǎn)換爐，讓NO2在催化劑和高溫的作用下被還原成表計(jì)可測量的NO，再通過原表計(jì)測量NO含量從而測得NOX含量。此方案簡單易行，且能有效解決NO2無法測量，經(jīng)驗(yàn)公式不準(zhǔn)的問題。但存在由于NO2/NO轉(zhuǎn)換器內(nèi)的催化劑有使用期限，需要定期更換的問題[4]。

圖3 使用紅外表時(shí)燃機(jī)SO2排放曲線Fig.3 Use the infrared appearance to burn the SO2 emissions curve

圖4 使用紫外表時(shí)燃機(jī)SO2排放曲線Fig.4 Use UV-out-appearance SO2 emissions curve

方案二：采用可直接測量煙氣中NO2的表計(jì)[5]

直接測量NO2的分析儀采用化學(xué)熒光原理，具體如下：NOx分析儀采用化學(xué)熒光法原理（見圖5）。

圖5 化學(xué)熒光法原理Fig.5 Principles of chemical fluorescence method

（1）NO＋O3→NO2*＋O2

NO2*→NO2＋hv

該反應(yīng)的發(fā)射光譜在600nm～3200nm范圍內(nèi)，最大發(fā)射波長為1200nm。

（2）NO2＋O→NO＋O2

O＋NO＋M→NO2*＋M

NO2*→NO2＋hv

反應(yīng)發(fā)射光譜在400nm～1400nm范圍內(nèi)，峰值波長為600nm。

樣品氣經(jīng)過濾，通過毛細(xì)管及模式閥門分別進(jìn)入NO2轉(zhuǎn)換室和反應(yīng)室，在此室NO與O3反應(yīng)產(chǎn)生特征熒光，熒光強(qiáng)度與NO濃度成正比，從光電倍增管得到熒光強(qiáng)度信號(hào)，從而得出NOX濃度。

3.2.2 應(yīng)用情況

兩種方案均能有效解決NOX測量不準(zhǔn)的問題，基于費(fèi)用原因，長然公司選用的是第一種方案，然而從長遠(yuǎn)角度考量，尤其新建機(jī)組筆者建議選用第二種解決方案，即實(shí)時(shí)獲得NO和NO2的含量，不僅可以降低后期維護(hù)成本，且對CEMS測量準(zhǔn)確度持久性的改善效果更佳。

長然公司CEMS測量系統(tǒng)加裝NO2/NO轉(zhuǎn)換爐后，各參數(shù)測量值見表4?？梢?，測量值明顯接近環(huán)保比對數(shù)值，使用效果十分理想，目前已順利通過環(huán)保驗(yàn)收[6]。

表4 改后各參數(shù)測量值Table 4 After changing each parameter measurement value

4 結(jié)論

通過此次改進(jìn)，長然公司的CEMS測量準(zhǔn)確度得到極大提高，各負(fù)荷工況下的SO2和NOX測量值均真實(shí)有效，順利通過歷次的環(huán)保比對測試，本次改進(jìn)取得明顯效果。

燃?xì)廨啓C(jī)作為綠色火力發(fā)電機(jī)組，其排放遠(yuǎn)低于燃煤機(jī)組，且由于其響應(yīng)快速等優(yōu)點(diǎn)正迎來越來越多的發(fā)電機(jī)會(huì)，其排放問題也應(yīng)受到重視，準(zhǔn)確的監(jiān)視手段是確保排放達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)。本次改造詳細(xì)分析了燃機(jī)排放物SO2和NOX測量不準(zhǔn)的原因，并找到適宜的測量方法和設(shè)備，為通過類型機(jī)組CEMS系統(tǒng)改造及新建機(jī)組CEMS配置提供參考。