火力发电厂是排放SO2的主要排放源。20世纪70年代一些发达国家就开始对烟气排放的二 氧化硫、氮氧化物进行监测。烟尘分析对于电厂烟气排放也是火电厂一个主要指标。烟气连 续监测系统(简称CEMS)是为烟气排放污染物连续监测而专门设计的在线监测系统。下面以西 克麦哈克(北京)仪器有限公司的SMC-9021 成套在线烟气分析仪为例介绍一下CEMS在火电厂 的应用。
　　1 系统构成
　　该系统由SO2/O2/NOX分析仪、烟尘仪、流量计、压力变送器、湿度/湿度计及数据处 理单元(DAS)组成(见图1)。

　　1.1 气态污染物监测系统
　　气态污染物监测系统有3种设计方法：直接抽取法、稀释取样法和现场安装型。
　　1.1.1 直接测量取样法是把分析部件直接安装在烟道上，结构简单，无须管线，采用差 分吸收法测量，即将一束光直接照射在烟道气体中，利用分子的吸收光谱测量若干波长上的 吸收，根据这些波长上分子吸收系数的差来确定吸收分子的含量。由于采用多个波长来确定 一种分子的浓度，所以具有较强的抗干扰性。其主要缺点是仪器工作环境恶劣，维修不便， 仪器光源使用寿命较短，维护成本较高，同时差分吸收无法实现在线校准，测量精度低，难 以长期连续工作。
　　1.1.2 稀释取样法是将除尘后的取样烟气用大量的干燥纯净空气按一定比例稀释(100～250倍)后， 使样气的露点温度远低于室温(一般达到-30℃以下)，再送至微量分析仪进行分析，分析结 果乘以稀释比，得到检测值。稀释法通过采用临界孔技术保证稀释比。所谓临界孔指：当临 界孔两端的压力比达到0.53以上时，流体经过临界孔的流速被限制在声速，因此流体流过 临界孔的流量是恒定值。很容易保证稀释气的压力恒定，即稀释气的流速亦是一个恒定值， 所以样气的稀释比是一个恒定值。稀释法的主要优点是：①样气经大比例稀释后降低了烟气 露点，传输管道不会出现结露和堵管现象，防止了烟气中的水汽凝结造成溶解性污染物的成 分损失；②杜绝了由于酸性凝结水腐蚀管道引起的故障，提高了系统的运行可靠性；③烟气 抽取量小(典型值50mL/min),延长了过滤器使用寿命，仪器维护量小；④不需要烟气预处理 装置，简化了操作环节；⑤适用于各种场合。稀释法的主要缺点是：①样气中未除去水分， 为湿法测量，结果需修正；②需用微量分析仪，精度要求高，降低灵敏度，误差增大；③需 要空气净化装置，提高了成本，增大了维护量；④系统价格较高。
　　1.1.3 直接抽取法(加热管线法)是通过加热管对抽取的已除尘的烟气进行保温，保持烟气不结露， 经细除尘干燥装置冷凝除湿预处理装置后再送至分析仪。直接抽取法由于存在脱水过程，对 烟气中浓度较 低且易溶于水的HCl、NH3、H3S等成分无法测量，因此不能用于垃圾焚烧 发电厂的烟气监测中。若将高温高湿的烟气送入仪器中进行分析，则对分析仪的要求很高， 整套系统价格昂贵，多应用于多成分、低浓度、易溶于水的气态污染物测量。直接抽取法适 用于烟气除尘效果好的场合，主要优点是：①样气中去除了水分，为干气测量；②用常量分 析仪监测，精度可靠；③无需稀释气，维修费用低；④一台气体分析仪可进行多种污染物监 测，成本低；⑤系统价格适中。直接抽取法的主要缺点是：①需要电(或汽)伴热；②需要采 样泵和预处理装置。对于电厂的脱硫系统过程控制和环境监测，高温处理的直接抽取法是最 适合的方法。这种方法的优点是维护方便、校准简单、测量准确。SMC-9021就是这种测量 方式。SMC系统采用高温取样，高温输气和快速制冷脱水的方法，保证测量结果的准确性。 高温取样探头包括进入烟囱/烟道中的取样管和在烟囱/烟道外的取样过滤器及其恒温控制器 。但取样探头的取样管直径较小故长时间连续运行后易发生硫化物结晶、石膏、粉尘等的堵 塞现象故需定期反吹和疏通，见采样探头示意图。

　　从烟囱/烟道中通过取样探头抽出的样气通过加热取样管线到达气体分析系统。取样管线为 自限热加热管线和聚四氟乙烯取样管及反吹管集成的复合管线，利用加热材料的居里点进行 控温。取样管线是电伴热的。
　　系统的预处理包括压缩机制冷器、采样泵、取样/校准/反吹电磁阀组、蠕动泵、耐精过滤器 和流量控制器等。压缩机制冷器起到降温效果，SMC-9021采用两级制冷，第一级将温度从14 0℃降至室温，随后经过泵输入到第二级制冷器把温度降到4℃±0.1℃。双级除湿，温控精 度高，双级除湿效率也较好，整个过程的时间小于5s。因此，把SO2的损失控制在最小。 使用双级蠕动泵排冷凝水，将冷凝水收集在储液罐中，储液罐需定期排掉冷凝水。
　　系统的SO2/O2/NOX分析仪为德国SICK S710多组分气体分析仪，其中SO2、NOX、 选用UONR多组分红外分析仪进行分析；NO2通过转换炉变成NO，由NO分析器测出NOX；O 2气选用OXOR-P磁力机械式氧气分析器进行分析。该分析仪检出下限为10mg/m3，零点漂 移≤±1%最小量程/周，全幅漂移≤±1%满量程/周，响应时间：<5s,线性度：≤±2%,具有 自动校准功能(校准周期可设定),校准周期一般规定为1周。
　　系统还配备温度报警、压力报警和湿度报警。对高温取样的状态、取样过滤器的堵塞和冷凝 情况进行监控，与取样泵连锁，保证系统取样的准确和仪器工作的可靠性。
　　1.2 烟尘测定仪
　　CEMS 包括在线烟尘监测仪。在线烟尘监测仪用得最多的是光学方法。其原理分浊度法测量 和激光散射法测量两种。浊度法(透射法，对穿法)是指光通过含有烟尘的烟气时，光强因 烟尘的吸收和散射作用而减弱，通过测定光束通过烟气前后的光强比值来定量烟尘浓度。浊 度法的主要优点是：技术成熟，结果可靠，价格适中，目前国内使用数量较多。浊度法的主 要缺点是：需双端安装，进行光路对中，安装及维护稍有不便，发射端及接收端都需要洁净 空气保护。FW300设计中对光路采用两种方案，大烟囱采用单光路单光程，小烟囱采用单光 路双光程，使量程和精度得到了兼顾。同时在软件设计中引入了消光值差的概念，使灵敏度 又提高了10倍。即0mg/m3～100mg/m3的测量范围的灵敏度提高到0mg/m3～10mg/m3 。FW300配备了具有无故障连续工作的特点的2BH13型鼓风机，与清洗连接部件一起使烟气 减少对仪器的污染。
　　1.3 气体流速仪
　　气体流速测量有3种方法：热差法、压差法和超声波方法。
　　1.3.1 热差法是指烟气通过热传感器时，带走的热量与烟气流速和热传感器的电阻阻值 变化成比例，通过测量热传感器的电阻阻值变化可求得烟气流速，热传感法适宜于便携式测 量。
　　1.3.2 压差法利用压差传感器、皮托管等测出烟气的动压和静压，动压和静压与被测烟 气流速成一定的比例关系，从而可定量烟气流速。皮托管差压法为常用方法，但皮托管差压 法使用在测量带有大量石膏浆液颗粒的烟气时容易发生取样管堵塞，需加强反吹和疏通。
　　1.3.3 超声波法通过超声波顺着烟气流向和逆着烟气流向通过已知距离的两个点时，其 传输时间不同，连续测定传输时间差可实现烟气流速的连续监测。采用超声波方法进行气体 流速测量效果最好。FLOWSIC100UHA SSTi 超声波型流量计。测量过程为非接触式，具有较 高的测量精度，并可以进行烟气的温度测量。两套超声波的发射器/接收器成直线安装在烟 道中，与烟气流向成一定的夹角a，声波的传输时间随气体的流向变化：在与气流方向相同 的方向上，传播时间Tv被缩短；在与气流方向相反方向上，传播时间Tr 被延长。声波的传 输时间随气体的流向变化；气体流速计算公式为：

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　　设烟道横截面积为A，烟气体积流量为：
　　Q=3 600×Vm×A
　　其中：Vm——测定烟道断面的烟气平均流速；
　　L——超声波在烟道中的传播路径；
　　a——烟道中心线与超声波的传播路径的夹角；
　　Tv——声波顺气流方向在烟道中的传播时间；
　　Tr——声波逆气流方向在烟道中的传播时间。
　　FLOWSIC100UHA SSTi超声波型流量计是通过测量超声波在烟气中顺流和逆流行进的时间差来 计算烟气流速，与环境温度、压力及气体的具体成分没有关系，测量精度高。而且，测量所 得是烟道横截面的平均流速，代表性很强。超声波发送器用钛制造，探头用SS316制造，耐 腐蚀性很好。系统不需要进行反吹，操作简单。
　　1.4 湿度测量
　　湿度测量采用的是一种高温应用的湿度传感器HMP235，该系列湿度连续监测仪采用电容型传 感器，湿度变化引起电容解质介电常数的变化，因而使电容量发生变化，通过测量电容就可 以测量湿度。芬兰VAISALA 公司生产的HMP235A 型高温电容法湿度计，有温度校准，精度高 ，但考虑到电厂的工况稳定，烟气含水量变化不大，采用短时测量取平均值输入做湿度校准 计算。这样可以防止湿度计的意外损坏，延长仪器使用寿命。其外形图如下：

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　　1.5 数据采集系统
　　系统采用SMC-900 型数据采集系统。该采集系统是以数据采集/控制仪为基础建立的，它是 以工控机为主体设计的，具有强大的硬件和软件功能。软件主要功能有：使用含氧量计算折 算浓度、使用湿度计算干气浓度、使用温度，压力计算标态浓度、计算总排放量、形成实时 报表、自动生成日报表，月报表，年报表、记录故障事件、故障报警：声，光、缺失数据的 处理、记录校准报告、通过数据通讯终端向上位机传送数据和报表，数据处理和表格形式符 合HJ/T76-2001 的规定。对气体分析系统的反吹，校准进行控制。对探头堵塞，加热输气管 温度，气体湿度进行连锁控制。显示CEMS 的流程图，帮助运行维护人员了解系统运行情形 。形成趋势图，棒图、实现无线通信等。
　　2 系统日常维护
　　为保证系统能够正常运行，需要定期对系统进行维护，维护包括检查、故障判断及简单修理 。日常检查工作主要是巡视检查，但发现系统工作异常时进行处理。
　　2.1 检查分析仪样气流量
　　如果流量超出范围，可以通过样气和旁路气的调节阀来进行调节。
　　如果通过调节阀不能满足流量的要求时，则表明气路中有堵塞情况，检查滤芯是否堵塞，更 换新滤芯，检查探头是否有堵塞，可进行反吹检查气路，还应检查采样泵是否正常运行，采 样泵的泵膜发生卷曲或老化变形会造成样气流量过低。
　　2.2 检查压缩制冷器工作情况
　　温度应控制0℃~6℃，超出该范围应停止系统运行，检查故障。温度低于0℃会造成取样管路 内的凝结水结冰。
　　2.3 检查分析仪的数据是否正常
　　若显示SO2浓度过低，而含氧量偏高，则说明系统可能出现了泄漏点，需要通过排除法找 出漏点，并进行堵漏；若系统并无泄漏点，而数值显示不正常，表明分析仪可能发生漂移， 可通过使用标气进行标定校准。
　　2.4 检查冷凝器蠕动泵运行情况
　　凝结水能否正常排出，蠕动泵管是否破损，蠕动泵管过度变形会导致排水效率过低，应及时 更换。
　　2.5 检查储水罐内的凝结水液位
　　液位过高时及时倒掉，以免影响蠕动泵排水，及机柜内进水。
　　2.6 检查机柜内的取样管路
　　若有严重的积水、水雾，应及时清理和查找原因(取样头加热故障、蠕动泵排水异常、自动 反吹是否正常进行等)。
　　2.7 检查取样管路电伴热工作情况
　　管路温度应控制在150℃左右，发现电伴热跳闸停止工作应停止系统工作，避免管路中大量 积水损坏设备。
　　2.8 检查上位机运行情况
　　上位机数据采集系统程序运行是否正常，各监管发送数据程序运行是否正常。
　　2.9 检查仪用气空压机运行情况
　　仪用气压力应为0.4MPa~0.8MPa，空压机运行应无异音和异常发热现象。
　　2.10 检查CEMS小室内温度及气味
　　小室内空调运行是否正常，小室内运行设备较多升温较快，气温过高会影响设备正常运行； 小室内若烟气味较重说明系统可能存在漏点，应注意检查。
　　3 结束语
　　CEMS 烟气连续监测系统已在火力发电厂中得到广泛应用，在线监测了电力生产过程中产生 污染气体的固定排放源以及烟气脱硫、脱硝系统的控制和监测，有利于运行人员及时调整与 监控脱硫、脱硝、除尘等环保设施的运行状态，加强达标排放管理，为环保部门的监督提供 了科学先进的检测手段，这对于排放点的有效监测与管理有着积极而重要的意义。