摘要：电力行业的迅速发展，特别是大容量发电机组的新、改、扩建，烟气排放量及污染物种类的增多已然成为影响环境质量的重要因素。CEMS作为火电厂烟气排放连续监测系统，是集环保排放监测和工艺过程检测于一体的重要设备。基于此，本文系统介绍了火电厂污染源自动监控工作中流量测量中矩阵式流量计的工作原理，结合流量监测改造项目应用实例，对其技术特点、优势及应用效果进行了分析、论证。
关键词：火电厂污染源；自动监控；CEMS流量；测量问题
1、前言
新形势下，“十三五”环保费改税将以污染物自动监控排放量数据作为计税依据，更对CEMS流速测量的准确性提出了更高的监管和技术要求。由于火电厂烟气流量一直以来主要以传统点测量、线测量形式为主，监测数据准确性差、代表性弱等突出问题长期存在，而矩阵式流量计在实际应用中可有效解决以上问题。
2、CEMS测量方式分析
CEMS的应用方法和产品很多，下面主要介绍目前市场上应用最广泛的的直接抽取式方法的CEMS产品在电厂环保监测中的实际应用。电厂的CEMS安装在烟气脱硫的烟道或烟囱上。安装在烟囱上时对测量数据和安装要求容易满足，但由于取样点比较高（70~80m，甚至超过100m）造成维护特别不方便，实际的应用中大多数选择烟道安装。一套标准的CEMS要监测以下几个参数：气体污染物：SO2/NOx，mg/Nm3；颗粒物：mg/Nm3；烟气参数：O2/压力/温度/流量/湿度。
对测量不利的条件是脱硝烟道布置紧凑，流量测量的直管段长度难以满足规范的要求。有利的是脱硝系统在烟道设计时通常做了流场模拟，实际运行时的烟气流场较均匀，有利于得到稳定可靠的流量测量值。
烟气流量测量采用“流速面积”法，通过测量烟气流速，由流速和测量烟道截面积计算得到。烟气流速的测量主要有压差法、超声波法、热传导。用皮托管、均速管测得烟气全压和静压，用流体的全压和静压的差值得到流体的动压（动压＝全压－静压），动压的平方根与流量成正比。压差式烟气流量计测量方法简单可靠，探头易拔出和插入，维修方便，成本较低；但只能测量某一点的流速。而均速管可以测得几个点的平均流速，流量系数不易求准，但低微差压计稳定性较差，精度低（皮托管±１０％，均速管±２．５％～±４％）。总体来说，压差法的测量方式易受颗粒物堵塞，需频繁反吹清洁，维护量大。
热扩散式质量流量计由１个流量元件、１个流量变送器和１个封装组成。流量元件使用热扩散的操作原理，１个低功率加热器通过加热１个电阻式温度探测器（ＲＴＤ），在２个ＲＴＤ之间产生一个温差。流体的流动将被加热的ＲＴＤ上的热量带走，造成两个ＲＴＤ间的温度差成比例变化，流量计的流量变送器将ＲＴＤ间的温差转换成一个刻度信号和一个可选择的显示值。但这种测量方式不适用湿度大的烟气系统。
超声波流量计的传感器称为超声换能器，主要由传感元件、声楔等组成。换能器有两种：发射换能器和接收换能器。发射换能器利用压电材料的逆压电效应，将电路产生的发射信号加到压电晶片上，使其产生振动，发出超声波，即电能和声能的转换器件。接收换能器利用的是压电效应，将接收到的声波，经压电晶片转换为电能，即声能和电能的转换器件。发射换能器和接收换能器是可逆的，即同一换能器，既可以作发射用，也可以作接收用，由控制系统的开关脉冲来实现。
超声波流量计测量方法简单可靠，精度较高（±０．２ｍ／ｓ）；内置式探头可自洁，无需吹扫，外置式则需吹扫。但超声波换能器不耐高温，烟气温度不能超过２２０℃；安装要求严格，在振动大的烟道上测量误差大，而且价格较高。
3、矩阵式流量测量应用
3.1矩阵式流量测量原理
矩阵式流量计基于压差法流速（量）测量原理。测量装置安装在烟道内，当烟道内有烟气流动时，迎风面受气流冲击。在此处气流的动能转换成压力，压是垂直于烟道壁的压力，动压也就是平行于烟道壁的压力，全压是两者之和，其大小与管内流速（量）有关，流速（量）越大，差压越大；流速（量）小，差压也小。因此，只有测量出差压的大小，再找出差压与流速（量）的对应关系，就能正确地测出管内流速（量）。矩阵式流量计布点原理及结构示意图如图1所示。
实际烟道型式多样，且多尺寸巨大，测点前后直管段长度无法满足“前四后二”的采样要求，烟道内流场分布不均匀，单点流速无法准确代表整个烟道截面的平均流速。为准确测量烟气流量，在烟道截面上采用等截面多点测量流速，将许多个测点等截面有机地组装在一起，正压侧与正压侧相连，负压侧与负压侧相连，正、负压侧各引出一根总的引压管，分别与差压变送器的正、负端相连，测得截面的平均速度，然后计算出流量。
实际工程应用中，流量测点的布点原则严格遵循GB/T16157-1996布点要求，并结合具体锅炉及烟道型式、生产工况，通过模拟计算予以调整、优化。
3.2应用实例分析
2015年，由于原有的点式流速仪存在烟气流量与锅炉入口流量差额较大、与机组负荷相比趋势性差的现象，南京某电厂对其300MW机组脱硫净烟气烟道流量监测系统进行了升级改造，安装了矩阵式流量计。图2，图3分别为改造前（2015年3月）和改造后（2015年4月）机组负荷与烟气流量的月度小时数据监控曲线（相关数据来源于江苏省电力企业锅炉烟气在线监控系统）。
由图2可知，2015年3月，机组负荷基本在210MW与300MW范围内上下浮动，然而相对于负荷的变化，烟气流量无明显变化，变化趋势未能与负荷的变化趋势保持跟随并且一致。此外，在月初、月中，出现两次负荷下降但烟气流量不降反升的“反趋势”现象，严重背离实际生产工况。
在2015年4月更换矩阵式流量计后，由图3可见，机组负荷大体上较为平稳，基本在250MW与270MW范围内浮动，但也经历过两次负荷拉升至290MW左右又迅速回落至正常水平的过程。当负荷较为稳定时，烟气流量跟随负荷变化趋势，也较为平稳的在一定范围内波动；当负荷发生较大拉升、回落时，流量灵敏跟随随着负荷变化的趋势而变化，较为真实的反映了机组运行及烟气流量的实际情况。
两个月机组总负荷大体一致，生产工况较为接近，具备可比性。由于脱硫、脱硝等工艺环节有少量新风送入，净烟气烟道烟气量总体上要大于锅炉送流量。但在流量测量改造之前，净烟气监测月总排放量及不同负荷排放量均大幅低于锅炉送风水平，出现了“倒挂”现象，但该问题在改造之后得到解决。监测数据显示，净烟气监测月总排放量接近于锅炉送风水平，并在其基准水平上略有增加，真实反映了实际工况。
结合以上分析可知，传统点测量式流量监测方法存在趋势性差、总量不准确等突出问题，而矩阵式面测量方法有效解决了这些问题，流量监测结果真实、准确、趋势性强，作为排污计量的依据，真实、客观、相对准确。
4、结语
通过实例对比发现，矩阵式面测量流量监测方法较传统测量方法有明显优势，流量监测结果相对准确、代表性好、趋势性强。建议将矩阵式面测量流量监测方法写入相关国家标准，并规范相关技术产品的认证和准入，促使该项技术的良性推广和应用，完善现有污染源自动监控烟气流量测量技术，以提高CEMS自动监控数据的准确性和可用度。
参考文献：
[1]万亨．CEMS烟气在线连续监测系统常见问题的探讨[J]．污染防治技术，2011，24（6）：73-75
[2]火电厂烟气脱硝工程技术规范选择性催化还原法.HJ562-2010.
论文作者:康健
论文发表刊物:《电力设备》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/13
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