摘要：某电厂共有两台9E燃气轮机组，每台燃气轮机组配套一台余热锅炉及相对应的烟囱等附属设备。由于原设计安装的燃机烟气在线监测系统(CEMS)存在NOx测量不规范(NO、NO2未分开测量)、烟尘零点漂移大、设备量程偏大等问题，拟对目前CEMS系统进行改造，解决存在的问题，并增加完善系统功能，保障烟气测量准确，提高系统的运行可靠性，满足环保监管要求。文章通过深入分析该电厂余热锅炉环保设备CEMS系统的改造工程，以期为同类环保设备改造提供参考。

       关键词：电厂；燃机；余热锅炉；CEMS系统

　　1项目概况

　　某厂两套燃机机组配套的余热锅炉烟气排放连续监测系统(CEMS)为北京雪迪龙公司提供的PAS-DAS系统，通过抽取设备从排放源中抽取气体样本，再经过温度调节、冷凝水分离、过滤颗粒物等步骤，在确保气体样本的代表性和测量的准确性的条件下，传送到分析仪进行成分分析，并将监测数据以实时方式输出，同时完成数据采集、处理、存储、传输、报表及打印，并经数据采集通讯装置传送至环保部门。该系统取样单元采用西门子SD200取样探头，样气传输单元经过复合伴热管线，样气预处理包括灰尘过滤、水分压缩式冷凝等；样气分析单元采用西门子公司生产的ULTRAMAT23红外气体分析仪，设计量程：SO2为0～400/2 000 mg/m3，NOx为0～100/750 mg/m3，测量精度±1%；其他烟气参数(温度、压力、流速、湿度)采用独立测量仪表进行测量；固态颗粒物分析仪表为雪迪龙MODEL2030，该检测仪器利用激光后散射原理对烟道中的颗粒物浓度进行测量，当激光信号通过烟道时，它与烟尘粒子相互作用，照射到粒子上的激光信号会被其反射，反射信号的强度与烟尘浓度之间存在正相关关系，能够有效反映出烟尘的浓度变化[1]。

　　2原CEMS系统存在的问题

　　2.1 NOx测量不规范

　　目前NOx总量是通过NO*1.53(系数)得来的，没有对NO2进行测量，不符合HJ 75—2017《固定污染源烟气(SO2、NOx、颗粒物)排放连续监测技术规范》中的规定：对氮氧化物监测单元，NO2可以直接测量，也可以通过转化炉转化为NO后一并测量，但不允许只监测烟气中的NO[2]。

　　2.2烟尘测量误差大

　　烟尘分析仪采用激光后散射管道式测量，由于烟道内烟气温度变化，使烟气中水分含量变化，激光后散射式测量容易把水分颗粒当作烟尘颗粒测量，导致极大的测量误差。在实际应用中，经常出现雨天烟尘误测量而超标的现象(大于5 mg/m3)，不符合HJ 75—2017《固定污染源烟气（SO2、NOx、颗粒物）排放连续监测技术规范》“颗粒物CEMS的24小时零点漂移范围不得超过满量程的±2.0%”的要求。

　　2.3设备量程偏大

　　SO2测量量程为0～400 mg/m3，NOx测量量程为0～100 mg/m3，烟尘测量量程为0～100 mg/m3，但机组正常运行测量值SO2小于5 mg/m3，NOx小于25 mg/m3，烟尘小于5 mg/m3。设备量程偏大对低量程的显示存在较大误差，易导致超标。

　　3 CEMS系统升级改造的可行性分析

　　3.1直抽冷干法与红外法分析仪的不足

　　一直以来，CEMS测量取样以直抽冷干法为主，第一代测量技术为红外分析法，第二代测量技术为紫外脉冲、化学发光等分析法。其中，西门子、罗斯蒙特、ABB等品牌测量取样采用直抽冷干法，以西门子U23为代表的品牌测量技术采用红外法分析仪。经大量现场使用反馈，直抽冷干法与红外法分析仪在天然气发电机组使用时存在以下问题：(1)系统稀释探头的校准样气传输通道为负压，在管路与接头密封性不足的情况下，容易提前稀释样气，拉低测量数据。(2)当气温下降速度快，尤其在烟气中的水分含量较高且稀释比设置不当的情况下，稀释后的样气容易在传输管道中结露，导致水溶性污染物损失，从而使测量数据偏低。(3)在烟气采样过程中，由于采样抽气量较大，采样管道容易因积聚的烟尘而发生堵塞，还可能导致采样探头处的堆积现象，加剧堵塞程度。(4)由于采样气量大，在进行系统全程标定时所需标气耗费量大，导致运营成本高。(5)稀释气对稀释性能影响很大，大多稀释气采用净化后的压缩空气作为稀释气，在去除稀释气中的水分、颗粒物和油类后，还要对空气中的二氧化硫、氮氧化物进行去除；净化设施内的吸附剂吸附性能较差时，容易造成分析仪背景值升高，导致测量数据偏低。(6)天然气机组废气排放值相对燃煤机组极低，多组分分析仪测量时容易互相产生干扰，导致数据漂移。

　　国内仪器厂商研究分析了红外法分析仪的利弊，进而开始研发紫外吸收分析仪，如杭州泽天、杭州聚光、北京雪迪龙等。紫外-可见吸收光谱法是基于测定物质在紫外和可见光波段的吸光度，其通过物质对特定波长光的吸收特性，利用光谱仪发射特定波长的光，经过样品后测量透过光的强度以及被样品吸收的光的强度，然后比对吸光度与物质浓度的关系，从而推导出样品中目标物质浓度。然而，红外吸收与紫外吸收的原理并没有本质区别，在超低烟气测量的条件，其测量下限和精度相对较低，其仪器的性能仍然难以达到要求。

　　3.2直抽稀释法的优势

　　以赛默飞世尔科技公司(Thermo Fisher Scientific)和日本Horiba为主流的国外公司研究基于稀释抽取方式的紫外脉冲、催化转换化学发光法测量。以赛默飞世尔科技公司为例，样气经过稀释抽取后，经过预处理系统，再经过烟气分析仪用于测量SO2、NO-NO2-NOx。其中，SO2分析仪采用紫外脉冲法，NOx分析仪采用化学发光法，由于紫外脉冲法和化学发光法有着10-9级的测量精度，单从分析仪的测量精度和测量下限方面考虑，单因子单表测量互相不会存在干扰漂移等现象，有着红外法难以企及的优势，而且稀释抽取方式的测量保证其可以通过标准气体进行标定和验证[3]。

　　3.3更换主分析仪并入现有采样系统法的升级改造

　　预计改造后效果：更换单组分分析仪测量后互相不会产生干扰，数据稳定不会出现漂移现象，仪表稳定性能提升。但此改造需继续使用冷凝器与伴热管，维护量减少不明显，且系统全程校准无法保证(环保要求具备全程校准功能)。

　　主分析仪更换配置及预算：主分析仪更换配置范围包括NOx、SO2、CO、CO2、O2的单组分分析仪及抽取式激光前散射烟尘仪等，加上改造涉及的备件、标气等，估算价格为90万元/套。

　　3.4整套CEMS系统稀释法的升级改造

　　预计改造后效果：稀释系统的现场样品预处理气体采集方法将降低样品的露点温度，使其低于烟囱顶的最低温度，避免了样品气出现结露的可能，消除了样品气在采样管线中冷凝成水的风险。并且，无需对采样管进行加热或保温，避免了因结露对数据造成的干扰，无需对采样管线进行跟踪加热，从而大幅减少了维护工作量。同时，有效解决了因烟气高含尘量而引起的堵塞问题，烟尘采样流速仅为直接采样系统的1/50～1/100，烟气中的含尘量也相应降低至1/50～1/100，解决了采样管出气口频繁堵塞的问题。此外，稀释法和零气发生装置等组件能够有效避免干扰，确保了更高的测量精度[4]。

　　整套系统升级改造配置方案及预算：整套系统升级改造包括气态污染物监测系统(即NOx、SO2、CO、CO2、O2的稀释采样探头、探头控制器，单组分分析仪、仪表气预处理系统、采样管线、系统机柜)、抽取式激光前散射烟尘仪、数采仪等。经咨询厂家，价格估算为110万元/套。

　　3.5综合比较两套方案后的结果

　　虽更换主分析仪也能实现测量精度提升、NO和NO2分开测量、解决烟尘误差大的问题，费用也较低，但从整体性、长久性及维护量考虑，倾向一次性整套升级改造，避免衍生其他问题，也符合环保监测要求。同时，目前该系统已广泛使用，区域内同类燃机电厂已完成全套改造，应用反馈良好。

　　4 CEMS系统改造升级

　　4.1项目实施内容

　　对某电厂两套余热锅炉CEMS系统进行整套升级改造，包括气态污染物监测系统(含二氧化硫、氮氧化物、氧量等)、颗粒物监测系统、温压流一体设备等全套分析系统及监测设备的改型，以适应燃机机组低排放测量精度要求，使之符合国家技术标准、监督标准的要求。

　　拟将烟气排放连续监测系统改型为直抽稀释法烟气在线监测系统。该系统预处理部分采用稀释法，稀释探头安装在烟道或管道上，获得连续的样品为气体分析系统输送洁净的干空气，减小水分造成的测量误差，避免了烟气中可溶性气体的损失。在此采样方式的基础上，二氧化硫分析仪采用紫外荧光法、氮氧化物分析仪采用化学发光法，有10-9级的测量精度和超低的测量下限，使监测参数量程范围可满足低量程选择，符合选用需求；氮氧化物分析仪可以分开测量NO、NO2，单因子单表测量互相不存在干扰漂移等现象；烟尘浓度监测仪采用抽取式激光前散射法，经加热汽化腔室除水，可有效克服水滴对原位颗粒物监测的干扰问题，能准确测量低浓度烟尘浓度。

　　4.2工程实施条件

　　现有的两套余热锅炉CEMS系统的设计资料保留完整，现场实施完好可利旧。两间CEMS小室独立布置在两台余热锅炉烟囱附近，小室内设施符合当前环保验收规范，包括监控、空调、照明、插座、双电源设计等；小室至烟囱CEMS监测设备安装平台的爬梯、电缆桥架完好，至平台设备吹扫用的仪用空气管路可正常使用等。工程的施工需在相应机组停机停炉期间，并向地方环保部门申请CEMS系统停运报备。

　　4.3改造工程的工程量

　　本工程在#1、#2机组排放口改造，各安装一套CEMS系统，采用赛默飞世尔生产的MODEL 200稀释法系统，其中气态污染物采用脉冲紫外荧光法42i二氧化硫分析仪、化学荧光法43i氮氧化物分析仪、气体过滤相关红外法48i一氧化碳分析仪、气体过滤相关红外法410i二氧化碳分析仪，氧含量采用氧化锆法，烟气湿度采用阻容法，颗粒物采用抽取式激光前散射法，数据采集传输仪采用杭州博高生产的研华科技610L型。在排放状况具有代表性的位置选择合理的监测点位并开设采样孔，焊接预埋法兰；将桥架中的伴热管以及旧电缆全部抽除，更换新的电缆以及气管；从仪用气母管引两路压缩空气，分别引到烟气分析小室和采样平台，作为改建CEMS的工作气源，压力≥0.6 MPa；露点≤-20℃(至少不能存在液态水)；分别从电气MCC侧、UPS侧各取一路220 V电源至烟气分析小室双电源箱内，安装完成后将CEMS小室旧机柜拆除，安装新机柜。

　　4.4改造工程技术方案

　　(1)在排放状况具有代表性的位置选择合理的监测点位并开设采样孔，焊接预埋法兰。其中，烟气采样孔规格为EN100，颗粒物采样孔规格为DN125，流速仪采样孔规格为DN65，氧分析仪测量孔规格为DN65。

　　(2)分别从电气MCC侧、UPS侧各取一路220 V电源至烟气分析小室双电源箱内。(3)从仪用气母管引两路压缩空气，分别引到烟气分析小室和采样平台，作为改建CEMS的工作气源。(4)拆除旧分析仪机柜，安装新CEMS仪表柜。(5)拆除现场旧采样探头以及辅助参数监测设备，安装新CEMS采样探头及辅助参数监测设备。(6)敷设相关设备电源电缆和信号电缆。(7)敷设烟气采样管线以及反吹管线。(8)连接CEMS仪表至数据采集传输仪、DCS等电缆。(9)用标准气标定、调试仪表，待调试完成后实现与环保局的数据联网通讯。

　　5 CEMS改造后检测与验收

　　5.1设备检查

　　烟气CEMS监测点位置在烟囱上，距地面约47 m，参比监测孔与CEMS监测点位于同一平面，CEMS采样探头安装牢固、外观良好、不漏光、无漏风，CEMS采样探头距离内壁大于0.5 m，采样点烟囱直径5.64 m，CEMS安装位置设有参比监测平台。在线分析小屋设在烟囱底部，房内配有空调、标气，通风情况良好，取样管长度约65 m，管线外有保护套。检查所有CEMS设备的安装，包括探头、取样系统、分析仪器及数据处理单元，确保设备的电源、通讯线路及气源等外部条件符合要求。

　　5.2 CEMS系统调试与校准

　　5.2.1零点漂移与量程漂移

　　稳定运行168 h后依次全系统通入零气(高纯氮气)、80%～100%满量程标准气体进行测试，校准值(零点数据Z0与该标准气体的浓度值S0)、数据稳定值(24 h后再通入零气与标气，待读数稳定后记录零点读数Zi与标准气体读数Si)重复测试3次取平均值，按HJ 75—2017中附录A公式计算零点漂移Zd与量程漂移Sd。

　　5.2.2响应时间

　　稳定运行168 h后，向系统中通入零点气体，待读数稳定后，以相同流量引入量程校准气体，同时开始计时。观察分析仪的示值，直到读数开始显著变化，记录管路的传输时间T1；持续观察并记录待测分析仪器的显示值，直到其上升至标准气体浓度的90%时，记录仪表响应时间T2，系统响应时间为T1/2+T2。重复进行此过程3次，并取3次测定结果的平均值。

　　5.2.3示值误差

　　仪器经上述校准后按照HJ 75—2017的相关要求，依次通入零气、80%～100%标气、零气、50%～60%标气、零气、20%～30%标气进行测试，读数稳定后记录数值，重复三次取平均值计算示值误差[5]。

　　5.3结论

　　通过现场CEMS主要性能指标的调试检测试验，得出以下结论：总排口CEMS烟气采样系统、烟气预处理系统完整，设备运行正常，烟气预处理效果符合设计要求；总排口CEMS烟气系统二氧化硫、氮氧化物、氧量分析仪零点漂移、跨度漂移、示值误差及响应时间、颗粒物零点漂移、跨度漂移均符合HJ 75—2017的要求[6]。

　　6技术改造效果与完成的经济指标

　　6.1本次改造重点解决的技术问题

　　6.1.1解决NOx测量不规范的问题

　　采用化学发光法测量烟气中的NOx含量，将现有NOx分析仪更换为可以同时测量NO-NO2-NOx的分析仪，此配置不但满足了HJ 75—2017的要求，而且能够消除非分散红外测量中甲烷气体的波长对测量精度的影响。同时，对烟气污染物排放情况进行实时精确测量，帮助运行人员合理调整运行工况，保证机组清洁发电。

　　6.1.2解决烟尘测量误差大的问题

　　采用激光前散射法，以抽取的方式，在加热汽化腔室除水，将有效克服水滴对原位颗粒物监测的干扰问题，能准确测量低浓度烟尘浓度，避免雨天烟尘误测量的情况。

　　6.1.3解决设备量程偏大的问题

　　采用新系统测量二氧化硫、氮氧化物，监测参数量程可选范围较多，适用燃机低排放需求。SO2测量量程可调为0～100 mg/m3，NOx测量量程可调为0～100 mg/m3，烟尘测量量程可调为0～15 mg/m3。

　　6.2本次改造达到的技术经济指标

　　(1)稀释抽取式的测量保证了其可以通过标准气体进行全程标定和验证，并且其分析仪采用的紫外脉冲法和化学发光法有着10-9级的测量精度；(2)稀释抽取法CEMS中抽取稀释后的样气露点降低至环境温度以下，可通过不加热的样气管线输送样气，相比直抽冷干法故障率降低70%～80%，减少50%维护工作量；(3)在相同的采样流量下，稀释抽取法CEMS实际烟气抽气量只有直抽冷干法CEMS的1/100，这意味着只有少许的水分和颗粒物需要过滤，使过滤器的使用时间延长，系统维护工作量降低，每年运行耗材费用相比直抽冷干法节省5～8万元；(4)通过现场实践检验，逐步完成改进、测试后，本系统可实现低浓度CEMS的精确、稳定测量，通过总排口CEMS测量数据反馈，可提高运行效率，保证机组经济安全运行，同时满足地方环保部门对烟气排放的技术要求。通过本次设备改造，大大提升了SO2、NOx、烟尘的监测技术水平。

　　参考文献：

　　[1]曲立涛,齐晓辉,王德鑫,等.基于CEMS数据的超低排放燃煤机组大气污染物排放特性分析[J].中国电力,2023,56(2):171-178.

　　[2]顿张静,王乃民,周家和,等.CEMS在液化天然气接收站中的设计探讨[J].石油化工自动化,2024,60(2):43-47.

　　[3]梁天琪.热电厂超低排放CEMS应用及测量不确定度研究[D].杭州:中国计量大学,2020.

　　[4]康佳月,丛艳忠,王立峰,等.烟气排放连续监测系统常见问题及解决措施[J].区域供热,2022(1):52-58.

　　[5]梁天琪,徐鸿,郑天林,等.热电厂连续监测系统CEMS烟气污染物测量不确定度研究[J].计量学报,2021,42(5):668-674.

　　[6]何军,马大卫,王正风,等.安徽省煤电机组超低排放改造及CEMS验收问题分析[J].中国电力,2018,51(7):170-177.