烟气排放连续监测系统数据异常的分析及处理

卢毓东， 谢宏海， 陆建伟

（1.浙江省电力公司电力科学研究院， 杭州 310014；2.河北省邯郸峰峰矿区供电公司， 河北 邯郸 056200）

烟气排放连续监测系统数据异常的分析及处理

卢毓东1， 谢宏海2， 陆建伟1

（1.浙江省电力公司电力科学研究院， 杭州 310014；2.河北省邯郸峰峰矿区供电公司， 河北 邯郸 056200）

以北仑发电厂 6 号机组的烟气连续监测系统数据异常为例， 分析了 SO2数据异常的特征， 提出了故障分析与诊断方法， 得出了 SO2数据异常的最终原因是红外气体分析仪内部软件 CO 过补偿所致的结论，成功解决了困扰一年多的测量难题。

CEMS； SO2； 突变至零； 交叉干扰

0 引言

火力发电厂烟气排放连续监测系统（CEMS，Continuous Emission Monitoring Systems）已 和各 地环保部门在线监控平台联网，监测数据已成为排污申报核定、总量控制、排污费征收等环境管理的依据， CEMS数据的真实、 可靠不仅是发电厂脱硫、脱硝系统稳定运行的保障，也成为电力企业取得脱硫、脱硝电价等经济效益的重要依据。

由于受测量原理、制造水平、安装质量、设备运行环境、 维护成本等多方面因素影响，CEMS不同于常规仪器仪表，故障复杂多变，同类异常现像往往有多种可能的因素造成，故障诊断难度较大。以国电浙江北仑第三发电有限公司6号机组 CEMS 数据异常的处理过程为例， 对影响CEMS数据可靠性的多种因素进行了分析， 提出了相关异常的分析与试验方法， 并找出了 SO2数据异常的最终原因。

1 CEMS数据异常现象

北仑发电厂 6号机组 CEMS采用德国西门子公 司 Ultra23 红 外 气 体 分 析 仪 ，配 有 SO2，CO，O2， NOX气体分析模块， 烟气经采样探头、 伴热管线从烟囱 40m 平台引入 CEMS 分析仪进行测量。

2010 年，该机组 CEMS 多次出现 SO2值突变为零的现象，典型异常过程如图1所示，异常特征表现为：

（1）SO2值有衰减至零和突变至零 2 种异常情况， SO2值瞬间至零出现前往往先出现浓度衰减至零的情况。

（2）CO 值与 SO2值呈负相关， 如图1 所示， 即CO 浓度飚升时， SO2值随之降低， 反之亦然。

（3）CO 值的波峰（谷）总是对应 SO2值的波谷（峰）， 即使突升突降时， 两者也总是反向对应， 步调高度一致。

2 CEMS测量原理及干扰分析

2.1 红外气体分析仪基本原理和干扰分析

西门子 Ultra23 型红外气体分析仪（以下简称Ultra23） 采 用 非 分 散 红 外 发 射 吸 收 原 理 ， 依 据 所测气体对不同波长红外线衰减程度不同的原理进行气体浓度测量。

检测器为单光源、单气室的单光路结构，将多检测器串联构成多组份分析器，实现多组份测量。但工程应用中背景气体往往十分复杂，虽然每种气体都有各自对应的吸收波长，但吸收峰也存在交叉重叠，多组份分析仪中各个组份之间可能存在干扰影响。表1为常见气体的特征吸收波长，图2为烟气中部分气体的红外吸收光谱图。

表1 常见气体的特征吸收波长μm

由图2 可知， NO 选择吸收的波段为 5.1～5.3 μm， CO 为 4.5 ～4.7 μm，SO2为 7.25 ～7.62 μm，CO 与 SO2的吸收峰相距较远， 为正向干扰，干扰幅度较小。 而 H2O（汽）在 1～9 μm 波长范围内几乎有连续的吸收带，是影响气体浓度测量的主要干扰组份， 如果不作任何处理， H2O（汽）对烟气中CO， SO2， NOX的测量结果都会带来很大影响。

图2 烟气中部分气体物质的红外吸收光谱

工程应用中必须考虑各气体组份相互干扰对测量的影响，并通过各种方法消除或减小这些影响，通常采用以下方法处理：

（1）对烟气进行预处理， 通过物理或化学方法除去干扰组份， 如烟气通过冷凝器以减小 H2O（汽）浓度。

（2）如果干扰组份是变化的，在光路中加装滤波气室。

（3）加装干扰组份和 H2O（汽）浓度检测部件，软件实时扣除其变化量的影响，但若配置不合理反而会引入人为的干扰。

2.2 CEMS 运行环境及其对 CEMS 测量的影响分析

图1 SO2检测典型异常过程

机组脱硫系统采用石灰石-石膏湿法脱硫技术， 为避免气气换热器（GGH）堵塞，脱硫系统取消了GGH。 由于没有 GGH 的加热，高湿、低温的烟气对 SO2的测量带来诸多不利影响：

（1）当净烟气进入烟囱后，沿途冷凝形成液雾， 液雾吸收 SO2， 使得脱硫后的 SO2浓度继续降低。当烟囱内负压变化时，高处稀薄的 SO2难以稳定抽出， SO2值时有时无、 忽上忽下。

（2）高湿度的烟气造成冷凝器负载过大、 脱水效果变差，若脱水后的烟气湿度依然偏大，则进入分析池的 H2O（汽）对测量带来干扰， 经常造成 SO2值大幅波动甚至至零的现象。

（3）烟囱内腐蚀性物质多， 由于采样探管腐蚀、伴热管线保温不良，低温的湿烟气经常在局部弯头出现冷凝， 凝结水吸收 SO2后， 仪器测量值偏低。

2.3 综合分析

结合典型异常特征、测量原理和运行环境的分析可知， 与 SO2值突变至零有关的干扰因素主要有 3种：CO 干扰、水汽干扰与仪器内部原因，对3种干扰因素进行综合分析。

（1）由测量原理分析可知， CO 对 SO2测量为正向干扰且干扰幅度不大，此结论也经过了实验室验证，那么历史曲线中 CO 对 SO2的大幅负向干扰就并非 CO 干扰所致，而是另有原因。

（2）由运行环境分析可知，烟气在低温、 高湿环境下容易对测量引入水汽干扰，历史曲线中SO2浓度衰减、 数据波动正是红外分析仪在此类环境中受水汽干扰的常见现象，在同型机组中经常出现。

（3）尽管水汽干扰在同类环境中经常出现，但由于水汽干扰具有随机性， 历史曲线中 CO 与SO2峰谷反向、步调高度一致的特征就无法通过水汽干扰来解释，更可能是仪器内部原因造成。

综上所述， 最终是水汽原因（外因）， 还是仪器本身原因（内因）， 可以通过排查管路中水汽干扰部位和现场比对测试后进行确认。

3 现场试验

3.1 现场比对测试

首先检查 CEMS机柜内各段管路， 排除凝结水的干扰； 使用便携式温/湿度仪测量冷凝器脱水后的烟气湿度，确认烟气湿度满足分析仪的要求，机柜外部管路和分析仪内部问题通过比对测试确认。

现场比对测试一般是用 CEMS 与参比仪器同时对同一气源进行测量以获得比对数据的过程。通过分析比对数据的差异，可以为专业人员提供更准确的故障定位信息。测试前，先用相同标气对 CEMS与参比仪器进行标定。 标定完成后， 将相同烟气同时送入 CEMS与参比仪器， 观察数据差异，进一步分析故障原因。

采用 PG-250 型 Horiba 便携式气体分析仪作为参比仪器测试的数据与 Ultra 23 进行比对， 两者差异显著：

（1）参比仪器与 Ultra 23 测量数据分别为 140 mg/m3和 50 mg/m3， 偏差超出 HJ/T 75-2007 规范要求。

（2）当工况波动， CO 浓度大幅飙升时， Ultra 23 的 SO2测量值大幅降低并随 CO 波动， 而参比仪器的 SO2数据保持稳定。

对比相同工况下的数据差异，可以排除外部管路及 CO 等外部因素干扰， 表 明 Ultra 23 的 数据异常由仪器内部因素造成。

3.2 仪器内部参数分析

分析 Ultra 23 内部原因涉及其参数设置，由于制造商认为 CO 对 SO2的正向干扰不容忽略，在仪器出厂前对 Ultra 23 设置了软件补偿，以实时扣除 CO 对 SO2的正向干扰， 因此 CO 与 SO2的反向关联可能是由于 Ultra 23 内设置了软件补偿所致。

为了验证软件补偿带来负向干扰，暂时关闭了 CO 补 偿 项， Ultra 23 的 SO2浓 度 值 立即 由 50 mg/m3升至 125mg/m3， 与参比仪器的数据偏差符合 HJ/T 75-2007 的 规 范要 求 ， 说明正是软件补偿导致了 CO 与 SO2的反向关联。 再次恢复 CO 补偿项， 在 SO2低浓度工况下， 当 CO 浓度大幅飙升时， SO2值瞬间至零， 这与历史曲线中 SO2值突变至零的现象相吻合，说明正是软件补偿引入负向干扰导致了 SO2值至零。

3.3 现场试验结论

一般在仪器出 厂前， Ultra 23 量 程范 围 内 的补偿系数都经过专业人员精心设置， 不会对 SO2引入人为干扰；但量程范围以外的补偿系数就未经过合理设置，当 CO 超出量程后， 过量补偿反而带来负向干扰。因此，正是由于不合理的软件补偿导致当CO浓度随工况大幅波动甚至超量程时， SO2值就会反向大幅波动，且步调高度一致，并在 SO2低浓度时出现瞬间至零的现象。

在关闭了 Ultra 23 的 CO 补偿项后，观察 CO值大幅波动既没有对 SO2值造成正向干扰， 也不再出现 SO2值大幅波动、 突变至零的异常情况，比对数据已满足 HJ/T 75-2007 的规范要求。

4 结语

（1）国产 CEMS 因起步较晚， 其核心元件通常依赖国外产品，北仑发电厂6号机组因仪器内部参数设置不合理导致数据异常的现象对同型CEMS用户有借鉴意义。

（2）由于测量原理等多方面差异，CEMS 不同于常规仪器仪表，其故障原因往往复杂多变，给故障分析与诊断工作带来很大难度。通过采用历史曲线特征、测量原理和运行环境的综合分析方法寻找 CEMS数据异常的原因， 最后通过现场比对测试准确定位故障原因，大量减少了排查与测试的工作强度，降低了故障分析难度。

（3）随着发电厂脱硫、 脱硝系统的大规模安装， CEMS作为重要的烟气参数监测设备在数量上大幅增加，运行管理维护工作量也大大增加。重视故障分析方法的研究，提高故障诊断的水平，是提高维护工作效率的有效途径。

[1]国 家 环 境 保 护 总 局.HJ/T 76-2007 固 定 污 染 源 烟 气 排 放连 续 监 测 系 统 技 术 要 求 及 检 测 方 法[S].北 京 ： 中 国 环境科学出版社，2007.

[2]国 家 环 境 保 护 总 局.HJ/T 75-2007 固 定 污 染 源 烟 气 排 放连 续 监 测 技 术 规 范[S].北 京 ： 中 国 环 境 科 学 出 版 社 ，2007.

[3]环 境 保 护 部.HJ 629-2011 固 定 污 染 源 废 气 二 氧 化 硫的 测 定 非 分 散 红 外 吸 收 法[S].北 京 ： 中 国 环 境 科 学 出版社，2011.

[4]王 森.在 线 分 析 仪 器 手 册[M].北 京 ： 化 学 工 业 出 版 社 ，2008.

[5]滕 恩 江.烟 尘 烟 气 连 续 自 动 监 测 系 统 运 行 管 理[M].北京：化学工业出版社，2008.

（本文编辑：陆 莹）

Analysis and Treatment on Abnormal Data of Continuous Em ission M onitoring System

LU Yu-dong1， XIE Hong-hai2， LU Jian-wei1
（1.Z（P）EPC Electric Power Research Institute， Hangzhou 310014， China；2.Fengfeng Mining Administration Power Supply Company， Handan Hebei056200， China）

Taking abnormal data of continuous emission monitoring system （CEMS） of unit 6 in Beilun Power Plantas an example，the paper analyzes the characteristics of the abnormal data of SO2and proposes the fault analysis and diagnosismethod.It concludes that the abnormal data of SO2is fundamentally caused by overcompensation of CO in infrared gas analyzer， successfully solving the difficult problem in measurement that lasts one year ormore.

CEMS； SO2； return to zero； cross interference

TM314

： B

： 1007-1881（2012）11-0034-04

2012-02-27

卢毓东（1977－）， 男， 江苏扬州人， 工程师， 硕士，从事电力系统环保技术工作。