CEMS預(yù)處理運行預(yù)警裝置設(shè)計及測試

高 遠，許國強，佘國金，肖明成，孫榮岳

（1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102；2.南京工程學院，江蘇 南京 211167）

引 言

充分掌握發(fā)電企業(yè)碳排放水平是發(fā)電行業(yè)實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的關(guān)鍵[1]。目前，碳排放量的核算主要有3種方法：排放因子法、質(zhì)量平衡法和實測法[2]。排放因子法目前應(yīng)用最為廣泛[3]，但是存在可靠性不高、數(shù)據(jù)收集效率較低、時效性嚴重滯后等問題[4]。質(zhì)量平衡法要求有完備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)記錄，我國目前統(tǒng)計現(xiàn)狀很難滿足。實測法計算結(jié)果準確，中間環(huán)節(jié)少，非常適用于計算連續(xù)穩(wěn)定的排放口的碳排放量[5]。火電機組碳排放量的連續(xù)監(jiān)測采用實測法，一般是通過機組煙囪排口處的煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）來實現(xiàn)[6]。CEMS系統(tǒng)是連續(xù)監(jiān)測固定污染源顆粒物和（或）氣態(tài)污染物排放濃度及排放量所需要的環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，由顆粒物監(jiān)測單元和（或）氣態(tài)污染物監(jiān)測單元、煙氣參數(shù)監(jiān)測單元、數(shù)據(jù)采集與處理單元組成。為了防止煙氣中的顆粒物、水蒸氣等成分對CEMS系統(tǒng)造成不利影響，煙氣在進入分析儀表前需要進行預(yù)處理[7]。常規(guī)的CEMS預(yù)處理裝置直接從煙囪或煙道中抽取樣氣，濾除顆粒物、除濕后，再進入分析儀表測量污染物濃度。這種常規(guī)的CEMS預(yù)處理裝置系統(tǒng)比較復(fù)雜、部件較多、容易堵塞或漏氣[8]，不能有效做到對CEMS系統(tǒng)提前預(yù)警，無法實現(xiàn)對堵塞、漏氣部件的準確判斷。

本文設(shè)計開發(fā)了一種CEMS預(yù)處理運行預(yù)警裝置，通過對預(yù)處理裝置中各個關(guān)鍵點壓力及溫度等參數(shù)進行實時監(jiān)測，可以在系統(tǒng)發(fā)生堵塞、漏氣等故障時，第一時間將故障詳細信息推送給項目運維人員，提高CEMS系統(tǒng)監(jiān)測碳排放量的可靠性。

1 CEMS預(yù)警系統(tǒng)工作原理

圖1 CEMS預(yù)警系統(tǒng)工作原理示意圖

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

選取4個采樣點采集煙氣溫度和壓力值，以全面監(jiān)測系統(tǒng)采樣管路堵塞、漏氣等故障，4個采樣點分別設(shè)置在采樣探頭出口、伴熱管出口、冷凝器出口和采樣泵出口，采樣點編號及對應(yīng)位置如表1所示。由于煙囪排口處煙氣溫度在130℃左右，經(jīng)冷凝器急冷后在15℃左右，在此溫度區(qū)間內(nèi)，熱電阻溫度計可以準確測量其溫度，且體積小、成本低、精度高，因此選取PT100型熱電阻溫度計測量煙氣溫度。

表1 采樣點編號及對應(yīng)位置

1.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的溫度、壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔貕翰杉岸松?，采集前端通過無線發(fā)送的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。LoRa技術(shù)由美國Semtech公司在2013年提出，是一種新興的低功耗局域網(wǎng)無線擴頻技術(shù)，該技術(shù)有傳輸距離遠、成本低、可擴展性強、功耗低和靈敏度高等優(yōu)點，所以CEMS預(yù)警裝置采用的無線發(fā)送方式為LoRa技術(shù)。服務(wù)器側(cè)的LoRa網(wǎng)關(guān)負責接收采集前端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，經(jīng)解析處理后，確定數(shù)據(jù)發(fā)送的點位，同時重新打包上傳至上位機。

1.3 數(shù)據(jù)分析及預(yù)警模塊

上位機在收到數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)顯示在組態(tài)屏上，并對其進行分析，判定溫度和壓力是否處于正常范圍。如果超過一定時間都處于不正常狀態(tài)，則進行報警，界面數(shù)值顯示背景變?yōu)榧t色。同時通過4G模塊向指定用戶手機發(fā)送短信提醒某段壓力或溫度不正常。CEMS預(yù)警系統(tǒng)主要性能指標如表2所示。

新時代寧波土地儲備工作的幾點思考（傅鼎一） ............................................................................................5-22

表2 CEMS預(yù)警系統(tǒng)主要性能指標

2 數(shù)據(jù)更新速率及數(shù)據(jù)丟失情況

溫壓采集前端設(shè)備與LoRa網(wǎng)關(guān)采用MODBUS協(xié)議通訊，通訊方式為“一問一答”模式。由于不同采集設(shè)備之間的距離不同，數(shù)據(jù)的問詢時間不一樣，但返回的數(shù)據(jù)卻有可能同時到達網(wǎng)關(guān)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)撞車并互相干擾，無法收到正確數(shù)據(jù)。目前的做法是拉長問詢的發(fā)送間隔來避免撞車。實際測試中，設(shè)定每3 s采集1次流通池的溫度、壓力數(shù)據(jù)。以伴熱管前端的溫壓采集為例，測試了CEMS預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)丟包率，連續(xù)測試2組10 min和1組40 min，丟包率隨測試時間的變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可知，測試初始階段，由于數(shù)據(jù)量較少，丟包率波動較大，但最大值也未超過6%；隨著測試時間的延長，數(shù)據(jù)量越來越大，丟包率也趨于穩(wěn)定；2組10 min連續(xù)通信測試平均丟包率在3%左右，1組40 min連續(xù)通信測試丟包率為1.25%?？傮w來看，通信成功率不會隨著時間的延長而降低，且成功率較高，可滿足需求。

圖2 丟包率隨測試時間的變化規(guī)律

3 系統(tǒng)現(xiàn)場溫壓數(shù)據(jù)采集測試

在停爐時改變測試條件，測試不同模擬條件下CEMS預(yù)警系統(tǒng)采樣時溫度和壓力的變化規(guī)律。

3.1 現(xiàn)場測試條件

4個溫壓采集點中，1#、2#測點為高溫區(qū)域，采用不銹鋼流通池，可設(shè)置加熱溫度；3#、4#測點為常溫或低溫區(qū)域，采用四氟流通池。CEMS系統(tǒng)正常運行設(shè)置參數(shù)：伴熱管溫度150℃、探頭溫度150℃、采樣流量60 L/h、冷凝器溫度4℃，停爐狀態(tài)，煙氣為室外空氣，溫度約26.29℃。為了不影響2#測點溫度T2，對其只保溫、不設(shè)置加熱；為了防止冷凝，1#測點設(shè)置加熱溫度110℃。為了保證系統(tǒng)嚴密，在測試開始前對系統(tǒng)進行了氣密性測試，發(fā)現(xiàn)氣密性良好，不存在漏氣點。

3.2 溫度測試

3.2.1 伴熱管溫度的影響

伴熱管溫度對測點溫度的影響如圖3所示。由圖3可知：1#測點在伴熱管之前，所以其T1不受伴熱管溫度影響；3#、4#測點在冷凝器之后，經(jīng)冷凝器冷卻，其T3、T4也不受伴熱管溫度影響；2#測點在伴熱管出口位置，其T2隨伴熱管溫度的升高而升高：當伴熱管溫度由110℃升高到170℃時，T2由43.7℃升高到50.2℃。對圖3中T2隨伴熱管溫度變化曲線進行線性擬合，結(jié)果如式（1）所示，其中擬合方差R2為0.985，表明擬合結(jié)果準確，擬合結(jié)果表明，T2與伴熱管溫度成線性相關(guān)，在設(shè)置報警閾值時，可以通過式(1)對T2進行修正。

圖3 伴熱管溫度對測點溫度的影響

3.2.2 探頭溫度的影響

探頭溫度對測點溫度的影響如圖4所示。由圖4可知：1#測點流通池設(shè)置的加熱溫度為110℃，在探頭溫度較低時，能有效加熱煙氣，消除探頭溫度變化對T1的影響，所以在探頭溫度低于140℃時，T1基本不隨探頭溫度變化而變化，當探頭溫度高于140℃后，隨探頭溫度升高，T1線性升高；由于2#測點前有較長的伴熱管線，能實現(xiàn)對煙氣的有效加熱，故能消除探頭溫度變化對T2的影響，因此T2基本沒受到探頭溫度變化的影響；同理，后續(xù)布置的3#、4#測點溫度T3和T4也不受探頭溫度變化的影響。

圖4 探頭溫度對測點溫度的影響

3.2.3 冷凝器溫度的影響

由于1#、2#測點布置在冷凝器之前，所以理論上其溫度變化對T1、T2沒有影響，測試過程未記錄。冷凝器溫度對測點溫度的影響如圖5所示。由圖5可知，冷凝器溫度變化對T4基本沒有產(chǎn)生影響；隨冷凝器工作溫度的升高，3#測點溫度略微提升，當冷凝器不工作、直接抽空氣時（等同于冷凝器在25℃下工作），T3持續(xù)升高，且高于環(huán)境溫度。所以，如果冷凝器不工作，可以通過T3變化判定并設(shè)置報警上限進行報警。

圖5 冷凝器溫度對測點溫度的影響

3.3 壓力測試

3.3.1 CEMS正常運行和維護狀態(tài)下壓力測試

在CEMS系統(tǒng)維護狀態(tài)（系統(tǒng)不工作）和采樣狀態(tài)下（包含停爐和起爐兩個運行狀態(tài)）分別測試各測點的壓力，結(jié)果如表3所示。由表3可知，在維護狀態(tài)時，各測點壓力與大氣壓相等；在停爐采樣狀態(tài)時，由于沿程阻力作用，從1#測點至3#測點，壓力逐漸降低，在經(jīng)過采樣泵壓縮后，壓力應(yīng)高于大氣壓，才能將煙氣排入空氣，所以4#測點壓力經(jīng)采樣泵壓縮后高于大氣壓。起爐采樣狀態(tài)時，煙道內(nèi)為微正壓，所以壓力與停爐采樣狀態(tài)相比略高。

表3 CEMS系統(tǒng)維護狀態(tài)和采樣狀態(tài)下各測點壓力 kPa

3.3.2 煙氣流量對測點壓力的影響

1#測點采樣探頭出口位置非?？拷鼰焽柚械臒煔庵鳉饬?，所以其壓力P1不受煙氣流速的影響。調(diào)節(jié)旁路針閥開度以改變流量計流量，分析煙氣流量對2#～4#測點壓力的影響，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，煙氣流量減小，表明管道氣阻增加，此時P2～P4均逐漸降低。采用y=a+bx對圖6中的曲線進行擬合，得到的擬合常數(shù)如表4所示。由表4可知，擬合方差R2在0.984 7～0.994 0，表明擬合結(jié)果準確；煙氣流量與P2～P4測點壓力呈線性相關(guān)，在設(shè)置報警閾值時，可通過擬合結(jié)果對閾值進行修正。

表4 擬合常數(shù)

圖6 煙氣流量對測點壓力的影響

3.3.3 模擬堵塞條件下測點壓力變化

分別在1#測點前、伴熱管后2#測點前加裝針閥，通過調(diào)節(jié)針閥開度來模擬堵塞，分析管路發(fā)生堵塞時各測點壓力的變化規(guī)律。1#測點前堵塞對測點壓力的影響如圖7所示。由圖7可知，當1#測點前發(fā)生堵塞時，4個測點壓力均降低，并且堵塞越嚴重降低幅度越大，P1～P3降幅更明顯；當管路完全堵塞時，管道無法從煙道采集煙氣樣品，形成一段密閉空間，并在采樣泵的作用下形成真空，所以在完全堵塞的條件下，P1～P3相同，為31.1 kPa；4#測點由于布置在采樣泵之后，與1#～3#測點相比多了一個壓縮過程，因此其壓力變化幅度不大，在管路完全堵塞的條件下，其壓力僅從106.4 kPa下降至101.0 kPa。伴熱管后2#測點前堵塞對測點壓力的影響如圖8所示。由圖8可知，當伴熱管后2#測點前發(fā)生堵塞時，其對P2～P4影響與1#測點前發(fā)生堵塞類似，但由于堵塞位置在1#測點后，所以對P1未產(chǎn)生影響。

圖7 1#測點前堵塞對測點壓力的影響

圖8 伴熱管后2#測點前堵塞對測點壓力的影響

3.3.4 模擬漏氣條件下測點壓力變化

模擬探頭與伴熱管間、伴熱管與冷凝器間、采樣泵前后全漏狀態(tài)時測點壓力的變化，結(jié)果如表5所示。由表5可知，當漏氣點位置出現(xiàn)在探頭與采樣泵之間時，漏氣點前的測點壓力變?yōu)榇髿鈮海捎谡麄€樣品采集管路的沿程阻力降低，因此漏氣點后的測點壓力會有一定幅度提高，例如采樣泵前漏氣時，在漏點之前的1#～3#測點壓力均為大氣壓，漏氣點之后的4#測點壓力升高至112.84 kPa；當漏氣點位置出現(xiàn)在采樣泵時，由于采樣泵后管道沿程阻力降低，其工作效率更高，所以漏氣點之前的測點壓力會有所降低，漏氣點之后的測點壓力恢復(fù)至大氣壓。當系統(tǒng)發(fā)生漏氣故障時，可以基本斷定漏氣點位置處于恢復(fù)至大氣壓力的測點與壓力變化但未變至大氣壓力的測點的中間管路。

表5 模擬管路漏氣結(jié)果 kPa

3.4 討論

可以發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)測試條件改變時，1#、4#測點壓力和溫度變化幅度相對較小，在設(shè)置報警閾值時，應(yīng)重點考慮設(shè)置范圍。如果太過寬泛，起不到預(yù)警效果，如果范圍過窄，則可能導(dǎo)致系統(tǒng)不夠穩(wěn)定。停爐狀態(tài)下，CEMS預(yù)警系統(tǒng)采樣時溫度和壓力的變化規(guī)律基本已經(jīng)明晰，在機組運行狀態(tài)下，變化規(guī)律應(yīng)基本相同，但是實測壓力和溫度值會存在一定差別。所以，下一步應(yīng)在機組運行狀態(tài)下測試各測點的壓力和溫度值，并根據(jù)本文研究得到的規(guī)律進行修正，設(shè)置報警閾值，實現(xiàn)對CEMS系統(tǒng)采樣管路堵塞和漏氣的精準預(yù)測。

4 結(jié) 論

4.1 設(shè)計開發(fā)了一種CEMS預(yù)處理運行預(yù)警裝置，對CEMS系統(tǒng)運行過程中的溫度和壓力進行監(jiān)測，數(shù)據(jù)采用LoRa技術(shù)實現(xiàn)遠距離無線傳輸，經(jīng)上位機分析后能實現(xiàn)對系統(tǒng)堵塞、漏氣等故障的預(yù)警，同時通知指定用戶。

4.2 數(shù)據(jù)采集傳輸過程中，存在數(shù)據(jù)丟失問題。數(shù)據(jù)采集初期，丟包率存在一定波動，隨測試時間延長趨于穩(wěn)定。40 min連續(xù)通信測試丟包率為1.25%，滿足系統(tǒng)需求。

4.3 伴熱管溫度、探頭溫度和冷凝器溫度對相鄰的下一個測點溫度會產(chǎn)生一定影響，對其他測點溫度影響不大。

4.4 煙氣流量與測點壓力呈線性相關(guān)。當系統(tǒng)管路發(fā)生堵塞時，布置在堵塞位置下游的測點壓力均降低，并且堵塞越嚴重，降低幅度越大。當漏氣點位置出現(xiàn)在探頭與采樣泵之間時，漏氣點前的測點壓力變?yōu)榇髿鈮海恻c后的測點壓力會有一定幅度提高。當漏氣點位置出現(xiàn)在采樣泵時，所有漏氣點之前的測點壓力會有所降低，漏氣點之后的測點壓力恢復(fù)至大氣壓。