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摘要：燃煤电厂是目前我国电力资源的主要供应者，为国民经济发展提供重要支撑。燃煤电厂在发电的同时也产生巨大的污染，其中包括颗粒污染和气态污染两个重要方面，因此需要对烟气进行清洁环保处理，为促进和监督电厂环保工作的效率，CEMS开始逐渐应用在电厂中，本文对于超低排放机组的CEMS进行展开说明，对系统的主要设备和运行维护等方面做了介绍，以期为相关企业后续改造提供参考。
关键词：超低排放机组；CEMS；设备；运行
我国的一次能源中有70%-80%的能源是由煤炭提供，尤其是电力资源。目前，我国电网中的电力资源绝大部分是通过燃煤电厂提供，煤炭在燃烧过程中产生大量的污染物。电厂污染物主要包括颗粒污染物和气体污染物两种，其中颗粒污染物主要通过烟尘排放污染环境，电厂排放的颗粒物按照粒径不同可以分为四类，分别是总悬浮颗粒物、降尘、飘尘、可吸收颗粒物。颗粒物主要加重大气环境PM2.5的含量，对人体健康产生较大的威胁。气体污染物主要有二氧化硫、氮氧化物、CO、CO2等，主要造成环境的温室效应加重，形成酸雨。其中，二氧化碳是温室效应的主要污染物，二氧化硫和氮氧化物（NOx）是在煤炭燃烧中产生的，相关的研究已经证实二氧化硫和NOx对环境具有较大的影响，不仅和酸雨、光化学烟雾有关，同时也是诱导温室效应和光化学反应的主要物质。据相关数据统计显示，燃烧1t的煤炭可以产生约20-30kg的氮氧化物。因此，必须会电厂排放的污染物进行治理和监测。目前，燃煤电厂都具有烟气处理装置，对排放烟气中的污染物进行处理，达标后再排放。随着环保部门对于环境保护的重视程度不断加强，要求全国重点城市的高污染企业必须安装烟气在线监测设备，对排放的烟气状态进行实时地监测，防止出现不达标排放的情况出现，通过烟气在线监测设备，可以提供网络化管理的目标。通过监测系统对烟气的监测，政府的环保部门可以更好地监测企业的排放情况，有效进行环境的保护工作。
本文围绕烟气连续在线监测系统（CEMS）展开讨论，首先简要介绍CEMS系统的发展和组成，并结合某电厂的实际工程情况，对设备的选型、运行调整等情况进行介绍，并提出了系统稳定运行的维护措施和方案，以期为相关设备的安装和投运提供实践参考。
1 CEMS发展和构成
目前，我国市场上使用CEMS系统按照检测方法的不同可以分为三种：稀释法、直接吸入法和原位检测法。稀释法是通过配比吸入一定比例的干燥空气，然后对混合气体进行指标检测，最终将数据折算为烟气的原始状态；直接吸入法是直接利用取样探头进行采样，烟气进入采样探头之前一般需要通过过滤器，将取样气体直接送到分析仪中进行测试。原位检测法是不需要进行取样，只需将仪器安装在烟囱或者烟道中，直接进行取样。各种指标的检测方法如表1所示。
从整个CEMS系统发展来看，CEMS发展主要呈现出三个阶段。分别是：首先是上世纪80年代，我国开始引进300MW和600MW的发电机组，同时也引进了CEMS系统。由于当时我国的监测项目较少，并且环保意识和相关工作人员的专业素养较低，因此导致引进的CEMS并没有真正发挥其作用，出现了设备闲置的尴尬局面。第二阶段是我国颁布电厂的污染物排放标准，要求电厂需要安装CEMS，因此市场上出现了各种各样的产品。由于当时厂家的技术基本都是完全复制国外技术，没有真正结合我国的实际情况，因此导致系统监测的数据缺乏准确性。此时的CEMS在很大程度上属于试验阶段。第三阶段是我国颁布电厂污染物检测技术标准及烟气排放连续监测系统技术要求和检测方法，从此我国的CEMS开始真正发挥其作用，对电厂烟气的各项指标进行高精度和高准确度的监测，为电厂和环保部门提供准确的参考数据。
电厂常用的CEMS主要包含四个基本的组成部分：颗粒物检测系统、气态污染物检测系统、烟气基本参数检测系统及数据处理计算系统。其中，颗粒物检测系统主要检测烟气中的烟尘浓度和含量，气态污染物检测系统主要对烟气中的二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳及氮氧化物含量进行检测，烟气基本参数检测系统主要检测烟气的温度、湿度、压力、流量等基本运行指标。在各系统完成检测指标任务后，数据处理计算系统采集各子系统的检测指标进行进一步的改进计算或者折算，并处理生产专门的环保表格。此表格通过网络一方面发到电厂，用于电厂内部进行分析处理，另一方面发到环保部门用于监督烟气排放状态，以达到环保监督和相关计费的目的。CEMS系统的气态污染物检测系统主要分为三个部分：取样器、预处理以及气体分析的主机单元。为防止烟气中某些成分对于取样器的取样效果产生影响，一般在取样器的前端设置有过滤器，取样器安装在烟囱或者烟道中。检测器的预处理主要对取样气体进行除尘、净化、除湿，预处理系统主要包括制冷器、取样泵、过滤器等。颗粒浓度的监测系统主要是粉尘分析仪，并设置有粉尘仪保护风机，防止分析仪镜头被污染。烟气基本参数检测系统中对于温度的测量一般采用热电阻Pt100或者热电偶，压力测量采取压力变送器，流量采用皮托管微压差法，湿度主要用电容法进行测量。数据采集系统一般通过PLC进行控制，PLC的稳定性和可编程性可以保证数据采集的有效性。
2 改造步骤
对于电厂中的在线监测系统，主要根据电厂中产生烟气的实际特性，对CEMS进行改造。烟气中颗粒物的监测，由于烟气中的湿度会影响检测结果，因此需要采用适合湿烟气检测的设备。根据实际的检测精度要求选择合适的设备型号。选型结束后，需要将CEMS整个系统的设备安装在合适的位置，以满足该系统对于外界环境的要求。其中重要设备的选型情况如下：烟尘监测子系统有烟尘测量仪，气态污染物监测子系统由烟气采样器、污染物分析仪、校验标准气体、零气等组成，烟气参数监测子系统由烟气流速、温度、湿度、压力测量仪表组成，系统控制和数据采集处理子系统由系统控制器、远程输出接口、数据采集处理装置组成，主要功用为显示、存储、打印、传输等。
绿色改造是实现国家绿色发电计划最重要的项目，是公司得以运营生存的重要工程，是土建工程、照明、消防等多方面配合的工程，只有协调各个部门才能圆满完成设备改造目的，所以在前期时候将绿改涉及到的设备相关厂家和班组进行沟通，将具体现场情况进行交底，避免出现设备不符合现场要求在现场改造情况，避免在CEMS设备机组运行后经常上传数据无效、严重影响了公司环保指标、给维护造成很大困扰等事情，数据没有可靠而言，所以环保仪表改造应该按照下列流程进行。见下图1
图1 改造步骤
3 设备改造分析
3.1烟气预处理系统对SO2的吸收
烟气处理系统过程中吸收过多的SO2，一方面导致二氧化硫监测数据不准，另一方面可能不能满足环保验收的要求。例如，在目前传统的直抽系统中，二氧化硫经过冷凝部分时，其对二氧化硫的吸收量约占烟气中二氧化硫总量的20%左右。然而目前一些地方的环保部门要求，预处理过程中的二氧化硫吸收量要低于8%，导致传统的直抽系统不能满足此标准要求。
3.2传统非分散红外分析仪量程的影响
传统的非分散红外分析仪最小量程为0-100ppm，接近300mg/m3.而精度为满量程的2%。所以系统误差在6mg/m3左右。如果对于未来15mg/m3.左右的SO2排放。影响超过40%。
3.3超低排放CEMS的全工况测量。
当设备整体进入了超低排放，系统需要配置小量程分析仪表。这时以SO2采用紫外荧光分析仪的量程为例，最小量程为0-0.1mg/m3.。最大量程为0-200mg/m3。当系统正常投运时SO2排放15-35mg/m3，在分析仪量程范围内。但是当机组启停初期和机组脱硫脱硝不能正常投运的情况下，SO2排放量要超过200mg/m3，甚至到1000 mg/m3。这时小量程分析仪表不能满足测量要求，所以必须根据当地环保文件进行有效的量程设定，实现超低系统全工况测量。
3.4低浓度粉尘仪测量
低浓度粉尘测量目前市面常规采用加热抽取前散射测量原理。优点系统简单，重复性好，反应速度快。缺点，不能真实的反应质量浓度，受到颗粒物特性影响较大，比如颗粒物密度，外形等。同时不能区分是颗粒物还是水滴，同时当进行稍高粉尘测量时容易发生堵塞和激光光源污浊。
3.5 稀释采样法的弊端
稀释系统需要干洁的空气作为稀释气对样气进行稀释，稀释空气中的颗粒物浓度如果过高，则会影响稀释后烟气中颗粒物的测量结果，造成采样误差。如果稀释空气湿度较高，则会直接导致稀释后烟气湿度增高，滤膜烂孔速度加快。此外，稀释空气湿度过高也会影响颗粒物特别是细颗粒物的质量浓度、粒径分布以及数浓度，导致分析结果不准确，必须对稀释气进行多次的过滤与除碳除尘等净化。
3.6 电化学测氧法不稳定
在正常情况下，气候条件的变化（温度、湿度和气压的波动）会对氧传感器性能的稳定性产生不同程度的影响。温度的变化会对透氧膜的透氧率产生影响，从而影响扩散电流。用热敏电阻补偿可以抵偿一部分温度波动而产生的偏差，使之变为原来的1/2～1/3。还有些氧传感器表面的透气膜粘附水气的能力强，其透氧量会随湿度升高而减少，造成氧传感器性能降低。
4根据运行机组分析各个类型，改造的结果
4.1 SO2改造
改造的方法主要有两大类，其一是对现有的工艺进行改进，其二是更换新仪表。对于现有工艺的改进，可以选用naflon管进行除水处理，除水后可以显著地降低SO2的吸收程度，但一般成本较高，需要定期更换，还需要有环保法规的支持，避免中间环节而有造假的嫌疑。另外，更换新仪表可以选用稀释取样工艺，减少冷凝器，因此不需要采用除水工作来降低SO2的吸收程度。该工艺运行简单，维护成本低，一般前期投入成本较高。
4.2 测试仪量程影响的改造
（1）采用单组份仪表，紫外荧光测量。优点，量程满足超低排放要求，最低量程0-0.1mg/m3，最大量程0-200mg/m3。其中量程自动可选。最低检测限：0.001mg/m3。系统精度为读值的1%。即1mg的SO2的误差应该在0.01mg/m3。缺点，单组份仪表整套CEMS价格高于多组分仪表。
（2）另外对于NOx测量不能再仅仅依靠NO测量后通过公示来换算。而是可以通过NO2转化炉，将NO2转化为NO进行测量。
4.3超低排放CEMS的全工况测量改造
采用稀释法系统。优点，稀释法CEMS系统将烟气稀释100倍。当烟气中SO2在10 mg/m3时，被稀释后的浓度为0.1mg/m3，满足紫外表0.001mg/m3的最低检测线和0-0.1 mg/m3的最小量程。而当烟气中SO2在1000mg/m3时，被稀释后的浓度在10mg/m3，也满足系统最大0-200mg/m3的量程要求。所以采用稀释采样发技术可以达到系统的全工况测量。缺点，需要更换原有的直抽法全部系统。
4.4 探头堵塞的改造
采用稀释采样法技术。首先传统的直抽法系统烟气采集量为5l/min。而稀释法系统的烟气采集量为50ml/min。所以从烟气采集量上就大大降低了粉尘的堵塞问题。同时探头采样探头整体加热，系统设置定时反吹，保证探头不会发生堵塞的问题。
4.5 低浓度粉尘测量问题改造
（1）采用稀释加热抽取，将烟气稀释10-20倍，进入光散射器的颗粒物浓度降低，减少了对光源和接收器的污染。保证了测量的准确性也减少了系统的维护工作量。
（2）采用震荡天平或β射线进行校准，因为这两种方法更加接近于手工测量方法。所以能够很好的弥补激光前散射测量的不足。从而更好的通过每个季度环保部门的环保比对验收。
4.6 稀释法弊端的改进
对于新鲜空气中存在颗粒物，导致颗粒浓度指标测量存在问题的改进方法是采用高效过滤装置对稀释空气中的粗细颗粒物进行过滤。试验表明：使用气溶胶颗粒物测量系统（ELPI+）对研究中FPS4001型压缩空气过滤干燥系统排出的细颗粒物浓度做了三个时间段（每个时间段约30min）的测试，测试结果显示各个阶段细颗粒物平均浓度均稳定在5μg/m3以下。对于新鲜空气湿度对最终指标测试的影响，通过对稀释的新鲜空气进行除湿处理。
4.7 电氧法测试不稳定的改进
选择氧传感器的透气膜时，应选择对水气的粘附力不强，对水气的粘附性也较稳定的透气膜。大气压波动会同步地引起氧传感器性能波动，目前许多国家正在研究消除大气压波动对氧传感器性能影响的方法，方法之一是利用池壁来安装压力缓冲器，这种压力缓冲器实质上是一张不透气的膜，利用这张膜的缓冲性可减少大气压波动对氧传感器性能的影响位移传感器。
还有一个改进方法是采用直接测量法，采用有认证的氧化锆原理在烟道直接测量，定期进行仪表校准，实时观察氧化锆加热温度，缺点是氧化锆探头易腐蚀，探头校准系统管路太长漏气造成数据不准确，应该氧测量以及各污染物折算值。
5 维护中注意事项
5.1 气态污染物CEMS
首先，定期对设备仪表进行零点和量程的校验，一般情况下为半月一次。零点漂移和量程漂移应该满足24小时漂移量不超过满量程的2.5%。不超过30天进行一次线性误差测试，线性误差应符合线性误差：用低、中、高浓度的标准气体检查时，CEMS 测定值与参考值的相对误差不超过±5%。；不超过3个月更换烟气的除湿材料、采样探头。
5.2 颗粒物CEMS
具有自动校准功能的仪器，应不超过24小时自动校准一次仪器零点和量程，此期间的零点和量程漂移应符合零点漂移（24小时零点漂移不超过满量程的±2.0%。）和量程漂移（24小时量程漂移不超过满量程的±2.0%）。手动校准的仪器，应不超过15天用校准装置校正仪器的零点和量程，此期间的零点和量程漂移应符合零点漂移和量程漂移要求。不超过每个月更换一次空气过滤器。不超过3个月清洗一次隔离烟气与光学探头的玻璃视窗，检查一次仪器光路的准直情况。
5.3 固态CEMS
a.污染源停炉到开炉前应及时到现场清洁光学镜面；
b.每30 天至少清洗一次隔离烟气与光学探头的玻璃视窗，检查一次仪器光路的准直情况；对清吹空气保护装置进行一次维护，检查空气压缩机或鼓风机、软管、过滤器等部件；
c.每3 个月至少检查一次气态污染物CEMS 的过滤器、采样探头和管路的结灰和冷凝水情况、气体冷却部件、转换器、泵膜老化状态；
d.每3 个月至少检查一次流速探头的积灰和腐蚀情况、反吹泵和管路的工作状态。
6 CEMS数据分析及运营管理意见
6.1 CEMS数据处理分析
针对脱硫烟气连续在线多污染物监测系统CEMS数据应该有着较为全面的分析，主要分析项目包含如下几个方面：
一方面SO2、NOx、烟尘、含氧量变化趋势的分析以及入口烟气数据与出口数据对比两个部分的重要数据分析，属于CEMS数据分析中的常见模式，对于系统日常运营维护管理具有一定的参考作用。
另一方面脱硫浆液量、PH值、循环泵台数、风量、负荷等参数的历史变化趋势，实现了对脱硫烟气连续在线多污染物变化情况较为全面分析，从而为分析系统状况和仪表性能提高依据。
此外脱硫烟气连续在线多污染物监测系统CEMS数据还应进行现场对比测试，主要工作内容包含现场对比测试。具体工作内容包含了调节工况观察CEMS数据变化规律；手工便携设备现场抽测比对；重点不合格或超标现场技术分析和核查；脱硫前后NOx，SO2，O2，脱硫系统对NOx浓度没有影响等数据的因素分析。通过前后NOx变化的相关性判断CEMS是否正常工作，借助含氧量、NOx等其他参数判断CEMS数据与实际是否相关，通过检测同时段脱硫系统PH值是否变化、水量是否变化，循环泵是否启停等可判断出脱硫后SO2测量存在问题；当然，也可以借助其他多样化手段实现对脱硫烟气连续在线多污染物监测系统CEMS数据的监控，如：图像监控、边界测量、区域监测等。
6.2 运营管理
（1）明确目标，健全CEMS管理制度和台账
制定详细的系统运行操作和日常维护的工作内容，不同的工段设置专人管理，做到工作内容和责任规范到个人。对于数据的记录要详尽，台账可以方便查看系统不同时间段的运行情况，通过数据分析，可以方便对系统进行调整，以便使得整个系统可以在最佳状态下进行。
（2）进行环保技术的监督管理和绩效考核
在企业的实际管理中，可以将CEMS系统的运行指标作为一个考核的量化指标。通过不断的分析指标，并对产生的原因进行分析总结，可以更好的促进环保设备的运行效果，使得环保监督和运行管理有机结合。另外，将此纳入绩效考核可以更好的促进工作人员对于环保的认识，促进环保设备的及时维护和高效运行。
（3）在检修结束时对现场设备进行盘点，查看所属区域设备变化情况，新设备进行全员培训，有异动的逻辑也要进行班组交底培训，不符合制度标准要求的进行整改，每一个负责人对设备心中有数。
7 结论
燃煤电厂在我国国民经济发展中具有重要的支撑地位，由于燃煤电厂发电过程中产生较多对于环境存在危害的污染物，因此需要对其烟气进行处理。为监督和促进电厂的环保工作，CEMS逐渐得到广泛应用。通过本文对CEMS系统的整体构成，根据实际运行情况中存在的问题和相关的改进措施进行介绍可以更好地促进CEMS的应用和发展。另外，今后同类型的火电厂发电企业可以通过CEMS实时动态数据库，可以以较小的成本纵向比较同一机组在不同运行时间段和不同参数组合下的运行情况，也可以横向比较同类型机组当前的运行情况，找出各机组热经济性差异的原因，提升运行人员的操作水平，达到节能环保的目的。随着电力行业节能环保工作的不断深入和发展，火电企业的整个运行都面临着升级改造、节能降耗等问题，实现低成本、稳定、高效运行时火电企业未来发展的必由之路和发展所在。
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作者简介：
刘婧艳，女，198305，山西原平，本科，山西大学工程学院，高级工程师，现就职于陕西国华锦界能源有限责任公司，CEMS设备研究
论文作者:刘婧艳
论文发表刊物:《电力设备》2017年第26期
论文发表时间:2017/12/31
标签：烟气论文; 量程论文; 系统论文; 污染物论文; 电厂论文; 测量论文; 设备论文; 《电力设备》2017年第26期论文;