燃氣電廠CEMS系統(tǒng)和分析儀應(yīng)用及改進

藺能力

摘 要：華電常州戚墅堰電廠是長三角重要的燃氣發(fā)電廠，電廠余熱鍋爐根據(jù)環(huán)保要求，鍋爐煙氣排放需要監(jiān)測SO2、NOx、氧氣、含水量及煙塵等污染物的含量，由于燃氣輪機會根據(jù)用電量的峰谷啟停機組，在啟停爐期間，會有未完全燃燒的CH4進入鍋爐，導致CEMS系統(tǒng)出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)異常，經(jīng)過檢查分析發(fā)現(xiàn)該CEMS系統(tǒng)和分析儀在燃氣電廠中應(yīng)用時，存在部分不足。根據(jù)燃氣電廠的特點，以及現(xiàn)有CEMS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文對預(yù)處理系統(tǒng)和分析儀的不足之處提出了改進方案，并闡述了如何對系統(tǒng)進行改造，使的改進后的CEMS系統(tǒng)及分析儀可以在燃氣電廠正常使用，提高了煙氣測量的準確性，并推動了燃氣電廠應(yīng)用CEMS系統(tǒng)的改進。

關(guān)鍵詞：燃氣電廠;CEMS系統(tǒng);系統(tǒng)改進

引言

華電常州戚墅堰電廠是長三角重要的純?nèi)細鈾C組電廠，燃機裝機量2170MW，F(xiàn)級2×475MW燃機二期擴建工程組余熱鍋爐脫硝項目由杭鍋集團承建，采用了尿素為還原劑的方式。該套煙氣出口根據(jù)環(huán)保要求，需要監(jiān)測SO2、NOx、O2、濕度、溫壓流等煙氣參數(shù)，并上傳環(huán)保平臺。由于余熱鍋爐煙氣中含水量高，過量的尿素會在煙氣中形成大量氣溶膠顆粒，并且具有較強的腐蝕性，所以對CEMS系統(tǒng)提出了較高的要求。CEMS安裝完成后，靜態(tài)調(diào)試和動態(tài)調(diào)試都滿足用戶要求，并通過了環(huán)保部門的驗收。

但是在CEMS系統(tǒng)移交給用戶后，收到用戶的使用情況反饋，用戶通過實驗室取樣分析，認為在線CEMS系統(tǒng)測量SO2數(shù)據(jù)偏低，并出現(xiàn)了多次SO2測量值異常偏高的情況，但是通過標氣驗證分析系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)分析系統(tǒng)運行正常，沒有偏差。通過比對工藝裝置生產(chǎn)周期和CEMS系統(tǒng)SO2測量值出現(xiàn)的時間，找到了SO2測量值異常的原因。進一步對CEMS系統(tǒng)、分析儀和排放煙氣進行檢查、分析化驗，找到了CEMS系統(tǒng)測量SO2測量值偏低的原因。而后，提出了改進方法并實施，解決了CEMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)異常的問題。

1 余熱鍋爐采用的CEMS系統(tǒng)簡介

余熱鍋爐中使用的是江蘇方天電力技術(shù)有限公司提供的FT-91型煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，分析儀采用了ABB的AO2020紅外分析儀。煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)主要由煙氣取樣系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)和在線氣體分析儀三部分共同組成。氣態(tài)污染物（SO2、NOx）和煙氣參數(shù)的氧含量共用一套煙氣預(yù)處理系統(tǒng)，使系統(tǒng)在保證檢測準確度的前提下得以簡化。整套預(yù)處理分析系統(tǒng)采用冷干法原理，即將高溫煙氣通過預(yù)處理系統(tǒng)過濾除塵，冷凝除水后，再通過紅外分析儀測量得到SO2和NOx的濃度。

煙氣取樣系統(tǒng)由樣品抽取、樣品傳輸兩部分共同組成，煙氣取樣部分包含取樣探桿和帶有過濾器的高溫取樣探頭，樣品傳輸部分由PTFE材質(zhì)的管線組成，取樣探頭和伴熱管纜都加熱到120℃，這樣可以保證煙氣在傳輸過程中不會在取樣管纜中被吸附，高溫伴熱能夠防止煙氣由于露點溫度的變化導致?lián)p失。煙氣經(jīng)過探頭的陶瓷濾芯過濾后，再經(jīng)過伴熱管纜進入預(yù)處理系統(tǒng)，煙氣被預(yù)處理系統(tǒng)中的真空隔膜泵從探頭抽取至預(yù)處理系統(tǒng)，而預(yù)處理系統(tǒng)負責除水除塵，煙氣除水是通過壓縮機制冷的冷凝器進行冷凝脫水，冷凝器可以將煙氣露點溫度降至3℃，該套分析系統(tǒng)采用了兩級冷凝的方式，一級冷凝器作用是將煙氣迅速冷卻，并去除煙氣中大量水分，二級冷凝器將煙氣露點溫度保持在3℃，并起到保護作用，冷凝水通過冷腔下方的蠕動泵排出。

經(jīng)過預(yù)處理系統(tǒng)處理后的煙氣，通過真空隔膜泵輸送到分析儀中檢測，該套CEMS系統(tǒng)采用了ABB公司的AO2020-Uras26紅外分析儀，這款分析儀基于非色散紅外（NDIR）的測量原理測量SO2和NOx的濃度，分析儀內(nèi)裝有電化學氧電池，用來測量煙氣中O2的濃度。AO2020-Uras26紅外分析儀采用了雙氣室結(jié)構(gòu)，被測組分的零點非常穩(wěn)定，檢測部件采用了薄膜微音檢測器，保證了分析儀測量的靈敏度。此外，紅外分析儀內(nèi)部有恒溫部件和壓力檢測模塊，這些部件可以輔助分析儀在超低量程的情況下，測量的準確性和穩(wěn)定性。

2 CEMS系統(tǒng)在使用中出現(xiàn)的問題

該套CEMS系統(tǒng)安裝的余熱鍋爐是配套在F級燃氣機組中，使用天然氣作為燃料。由于天然氣中硫含量很少，當機組正常運行的過程時，煙氣中SO2含量為20mg/m3左右，NOx含量為50mg/m3左右，但是該套系統(tǒng)投運以后，出現(xiàn)了SO2數(shù)據(jù)失準的情況，主要可以分為兩種情況，CEMS系統(tǒng)檢測的SO2濃度低于環(huán)保機構(gòu)比對檢測的SO2濃度。CEMS系統(tǒng)測量SO2出現(xiàn)測量值跳變的情況，濃度突然升高，超過環(huán)保允許范圍。當CEMS系統(tǒng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常后，相應(yīng)的維護工程師對分析系統(tǒng)和分析儀進行檢查，發(fā)現(xiàn)CEMS系統(tǒng)預(yù)處理運行正常，分析儀使用標準氣檢驗，發(fā)現(xiàn)示值準確。

進一步對工藝工況進行了解，將CEMS系統(tǒng)示值異常情況和工藝啟停爐時間做比對，找到了煙氣中SO2組分濃度降低以及SO2組分濃度跳變的原因，

1） 機組正常運行中，煙氣中SO2濃度低于10mg/m3，低于第三方檢測數(shù)據(jù)：

余熱鍋爐煙氣含水量在18%左右，露點溫度約為50℃，煙道中的煙氣被抽取通過取樣探頭和伴熱管纜時，加熱溫度為120℃，煙氣不會冷凝，仍然為氣態(tài)，不存在損失的可能性，樣品管纜材質(zhì)為PTFE，不會和煙氣中的SO2產(chǎn)生反應(yīng)。當煙氣經(jīng)過冷凝器時，由于冷凝器的制冷作用，煙氣溫度迅速降至3℃，煙氣中的氣態(tài)水變?yōu)橐簯B(tài)水，附著在冷腔表面和冷腔底部，由于SO2氣體微溶于水，煙氣中的SO2在冷腔中和冷凝水融合，形成H2SO3，剩余未溶于水中的SO2組分經(jīng)過隔膜泵被送至分析儀中測量，由于冷腔中的損失，最終導致了CEMS系統(tǒng)測量SO2濃度偏低的情況。

2） 當機組啟停爐時，CEMS系統(tǒng)監(jiān)測SO2濃度出現(xiàn)跳變，測量值超標：

燃氣發(fā)電廠使用天然氣作為燃料，甲烷是天然氣的主要組分。為了節(jié)能環(huán)保的要求，電廠會根據(jù)用電高峰和低谷，來調(diào)整機組的啟停，通常燃氣機組啟停需要花費30分鐘，當燃氣機組啟停時，未充分燃燒的甲烷會進入余熱鍋爐，被CEMS系統(tǒng)抽取檢測，由于AO2020-Uras26分析儀采用了非色散紅外（NDIR）的測量原理，在紅外光譜中，CH4組分的紅外吸收波段和SO2的吸收波段有部分重疊，這就導致分析儀將煙氣中未充分燃燒的CH4當作SO2來檢測，最終導致了分析儀測量值異常跳變的情況發(fā)生。

3預(yù)處理系統(tǒng)及分析儀的改進

針對FT-91型煙氣CEMS系統(tǒng)在使用中出現(xiàn)的問題，首先需要檢查系統(tǒng)硬件，排除設(shè)備故障導致數(shù)據(jù)異常，其次通過比對數(shù)據(jù)異常和工藝工況調(diào)整時間，找到數(shù)據(jù)跳變規(guī)律和原因，最后提出了相應(yīng)的系統(tǒng)改進方案，使的現(xiàn)有的FT-91煙氣CEMS系統(tǒng)可以適用于燃氣電廠CEMS測量。

1）分析儀SO2示值偏低，由圖1可以看到，高溫煙氣進入冷凝器中會有冷凝水析出，煙氣中的SO2在冷腔中溶解在冷凝水中，最后通過蠕動泵排出系統(tǒng)，煙氣中的SO2并沒有全部到達分析儀。解決這個問題的方向是不能讓煙氣中的SO2在冷腔中損失。由于SO2溶于H2O是一個可逆反應(yīng)，

SO2 + H2O H2SO3

根據(jù)上述化學反應(yīng)特點可以知道，當冷腔內(nèi)PH值<1.5時，SO2生成H2SO3的過程將會停滯，這樣煙氣中的SO2就不會溶解，從而解決了冷凝器中SO2溶于冷凝水的損失問題。

采取在預(yù)處理系統(tǒng)中增加磷酸注入裝置，通過磷酸的注入，改變冷凝器冷腔的PH值，考慮到樣品傳輸管線伴熱溫度高達120℃，需要讓磷酸在靠近冷凝器的位置加入，這樣能夠使磷酸很快到達冷腔，也避免煙氣和磷酸溶液形成氣溶膠，出現(xiàn)堵塞管路的情況。在原有系統(tǒng)中增加磷酸罐，配置3%-5%的磷酸，增加一個蠕動泵，最終實現(xiàn)磷酸注入的過程，添加的磷酸溶液將和冷凝水由蠕動泵排出。改造后的系統(tǒng)圖見圖2。

2）FT-91型CEMS系統(tǒng)采用的AO2020-Uras26紅外分析儀是一款采用了紅外光譜原理的分析儀。紅外光譜原理是不同的分子能夠選擇性吸收某些波長的紅外線，從而引起分子中振動能級和轉(zhuǎn)動能級的躍遷，通過檢測紅外線被吸收的情況可得到物質(zhì)的紅外吸收光譜，最終得到組分濃度。由于不同氣體組分吸收紅外波長的不同，每個氣體組分都有其特殊的幾個吸收波段，也就是特征吸收峰，SO2組分和CH4組分的某些特征吸收峰相重疊，這樣就導致了SO2組分和CH4組分在紅外分析儀中出現(xiàn)交叉干擾的情況，具體見圖3。針對SO2組分測量值跳變的問題，我們必須要解決交叉干擾的問題。

在啟停爐期間，使用便攜式總烴分析儀檢測煙氣中的總烴含量，連續(xù)測量3次，數(shù)據(jù)顯示，在啟停爐時，煙氣中大約有400mg/m3 CH4，而400mg/m3 CH4會對SO2產(chǎn)生的干擾數(shù)值約為120mg/m3，這個值和工藝生產(chǎn)時，分析儀SO2組分跳變數(shù)據(jù)基本吻合。

根據(jù)燃氣機組的工藝特點，啟停爐時必然有未充分燃燒的CH4進入煙囪，當分析儀解決了CH4對SO2干擾的問題，就可以防止SO2組分出現(xiàn)跳變。以采用降低CH4濃度的方法來實現(xiàn)減少SO2測量值跳變。在CEMS預(yù)處理系統(tǒng)中增加高溫除烴器去除煙氣中的CH4，從而實現(xiàn)SO2測量值穩(wěn)定。

高溫除烴器的加熱溫度為400℃，除烴器中有鉑鈀合金組成的催化劑，含有烴類的氣體在通過除烴器后，烴類物質(zhì)會被轉(zhuǎn)化為CO2和H2O。但是現(xiàn)有的高溫除烴器都需要在空氣環(huán)境下才能夠正常運行，由于煙氣中氧含量僅為5%，遠低于空氣中氧含量，經(jīng)過測算以后，發(fā)現(xiàn)除烴器的去除效率約為50%，仍然有部分CH4進入分析儀中，對SO2測量值造成干擾。所以需要通過對分析儀進行優(yōu)化，去除干擾。

ABB AO2020-Uras26紅外分析儀是基于非色散紅外（NDIR）的測量原理。分析儀內(nèi)的分析光路由光源，測量氣室和檢測器共同組成，每一光路的測量氣室為雙氣室結(jié)構(gòu)，一個氣室是參比氣室，另一個氣室是測量氣室，由于CH4組分和SO2組分的交叉吸收峰是固定的波長，可以通過在分析儀的測量光路中增加一個濾波氣室，去除這部分交叉的紅外波長，從而實現(xiàn)了CH4組分不干擾SO2組分示值。

光學儀器中，進行波長選擇的濾光部件都有使用限值范圍。根據(jù)測算，濾波氣室的處理范圍是CH4 0-400mg/m3，超過這個界限后，分析儀濾波氣室將無法去除多余的干擾。通過在預(yù)處理系統(tǒng)中增加除烴器，再配合分析儀濾波氣室的使用，這樣就有效的去除了燃氣電廠中未完全燃燒的CH4對煙氣中SO2造成測量值異常的情況。

4 結(jié)束語

通過對該套CEMS系統(tǒng)進行改造，大幅度的提升了系統(tǒng)測量的準確性，在與環(huán)保部門進行數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)也在允許范圍，滿足了環(huán)保要求。

增加的磷酸供給系統(tǒng)為小量程CEMS測量SO2提供了理論基礎(chǔ)和實際測量數(shù)據(jù)，使的磷酸供給系統(tǒng)成為小量程CEMS系統(tǒng)中的一個標準應(yīng)用。

而除烴器和濾波氣室的增加，也為紅外分析儀在燃氣電廠中的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支持，并有效的推動了燃氣電廠CEMS系統(tǒng)規(guī)范的制訂。

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