660MW超超临界机组脱硝烟气排放连续监测系统改造

臧旭东

(望亭发电厂，江苏 苏州 215155)

0 引言

江苏省是“酸雨控制区”中的重点省份，在《江苏省“十一五”环境保护和生态建设规划》中，明确提出了“严格控制新建火电厂氮氧化物排放”、“开展氮氧化物污染治理工作。燃煤火电厂采用低氮燃烧技术，研究开发和推广清洁燃烧技术和烟气脱硝技术”等工作目标。脱硝是控制电厂氮氧化物排放的有效措施之一，因此，望亭发电厂#3，#4 660MW超超临界燃煤机组新建时同步安装了脱硝装置，与此同时，安装了烟气排放连续监测系统CEMS(Continuous Emission Monitoring System)，对脱硝前、后烟气NOx等污染物进行实时连续监测，通过分散控制系统DCS(Distributed Control System)对脱硝后烟气NOx进行闭环自动控制，最后DCS将监测数据通过火电厂厂级监控信息系统SIS(Supervisory Information System)上传到环保局和电力监管办公室。

由于直插式分析仪是新一代的分析仪表，维护量低，望亭发电厂#3，#4机组脱硝时在CEMS的前期使用中体现了响应及时、无滞后、测量精度高的特点。随着时间的推移，直插式分析仪不适应性的问题开始逐渐凸现出来，主要是空气预热器的磨损及声波吹灰器的频繁使用，对2台机组脱硝进、出口NOx等污染物的测量产生了致命的影响，因此，不得不重新考虑信号测量方面的解决方案。

1 改造前脱硝NO x测量系统现状

1．1 脱硝工艺

望亭发电厂660MW超超临界机组脱硝工艺采用的是选择性催化剂还原法SCR(Selective Catalytic Reduction)烟气脱硝技术，“选择性”的意思是指用喷氨有选择地进行还原反应，在这里只选择NOx进行还原。基本反应如下:

SCR装置位置，位于锅炉出口和空气预热器之间;温度，300～400℃(是脱硝反应的最佳温度区);压力，微正压;粉尘质量浓度，30～50 g/m3;脱硝效率，＞80%;NH3逃逸控制范围，＜2．5mg/m3。

工艺原理如图1所示。

1．2 脱硝CEMS的配置

在脱硝系统中，CEMS主要有2种应用，一是用于环保监测，二是用于脱硝工艺控制。

一般来说，SCR，CEMS基本用途如下:

(1)气态污染物分析系统。分析对象:NOx及O2。系统构成:采样探头、采样管线、样品预处理单元、分析仪表。

(2)NH3浓度监测系统。分析对象，NH3;系统构成，探头和中央控制单元。

1．3 NO x常见分析方法及测量原理

目前常用NOx的分析方法有稀释法(稀释比难以控制，误差较大)、直接抽取法、直接测量系统测量法3种。

NOx测量原理同SO2，测线方法为非分散红外法(NDIR)，即化学荧光法，利用污染物分子吸收特征波长的光，来区分不同种类的污染物，只是吸收的红外线波长不同:SO2为7．3μm，NOx为5．3μm。

该原理符合朗伯－比耳定律:光透过介质的透光率(即透过光和入射光的强度比)与吸收光强度成幂指数下降。

O2测量一般采用电化学法即化学反应方法进行测量，化学能通过电极转化为电能。

图1 选择性催化剂还原工艺原理

2 GM31直插式NO x分析仪的特点及存在的问题

2．1 直接测量法的特点

直接测量法是指分析仪直接安装在烟道上，测量光可直接穿过烟道对被测量的烟气进行检测。直接测量系统采用的分析原理主要是差分吸收光谱原理，对于不同波长的光吸收来说，分子在有些波长吸收能量，而在有些波长则不吸收能量，但方法原理仍符合朗伯－比耳定律。

由于计算是通过吸收峰来进行且由谱线的峰值和谷值来反映的，而粉尘只是对整条谱线起着衰减的效果。若粉尘密度太大，以至于发出的光回不来或衰减到一个极低的水平，那么，吸收谱线将不能分辨，所以这种测试方法不适用烟气检测。

直接测量系统结构简单，安装方便，测量范围和精度可以保证。

2．2 #3，#4机组NO x测量系统存在问题

由于#3，#4机组脱硝系统中NOx测量安装点在省煤器出口及空气预热器入口，未经过除尘，因此粉尘质量浓度高达30～50 g/m3。安装位置受限，只能将分析仪器安装在非直管段。由于粉尘大，造成磨损严重，使探头、探杆滤芯保护片运行数月后就完全损坏，探头测量时间不到半年就出现故障，无法继续使用。虽然考虑过采取在烟道处加装导流板、探头加装防磨层等措施，但仍无济于事。

3 抽取式一拖一改造方案

3．1 直插式与抽取式两者的比较

直插式分析仪是新一代分析仪表，它虽有响应及时、无滞后的优点，但它的缺点也很明显:集成度高，一旦某一部件损坏则会使整个测量系统瘫痪。

抽取式分析系统是老一代产品，使用广泛，国内大部分工程均采用抽取式分析系统，可适用于各种恶劣工况，价格便宜。其缺点是响应时间慢(约55 s)、数据容易损失和维护量大，抽取式分析系统需要每日进行巡检，由于抽取式分析系统技术成熟，电厂有丰富的维护经验。

抽取式测量系统是分立式的，由于磨损及其他因素，需要考虑后续备品备件，费用较高。光源是消耗品，使用寿命为1年，成本约1万元。抽取式测量系统对烟道的流场要求特别高，要有严格的、一定长度的直管段，以避免烟尘对探头的削切。

望亭发电厂技术人员经过调查研究，反复比较，决定对#3，#4机组660MW超超临界机组脱硝系统的NOx测量系统进行抽取式改造，用抽取式分析仪表来代替直插式分析仪表。以磨损最为严重的脱硝入口NOx测量系统抽取式改造为例，介绍实施改造的具体过程。

3．2 抽取式系统改造方案

根据现场勘查，在现场为每套系统配置1个彩钢板分析仪小屋，小屋位于取样点附近，小屋内部带有照明、通风扇、空调、进线槽、配电箱、仪表空气接入阀门及分析仪机柜。小屋外到取样点应有走线槽(取样管线外置和探头加热电缆线)，取样管线连接分析仪机柜和取样探头，取样探头旁边有反吹扫仪表空气阀门。抽取式系统改造方案具体布置如图2所示(以西克麦哈克公司生产的抽取式测量系统为例)。

抽取式系统组成有采样探头、采样管线、样品预处理单元和分析仪表。

3．2．1 采样探头

采样单元的作用是将烟道中气体取出并输送到预处理单元。在此期间不能发生堵塞和形成酸露，也不能产生化学反应。

功能:过滤、加热、反吹。

组成:略。

采样探杆:ø35mm不锈钢管，伸进烟道约1m处，样气通过此管进入采样器。

过滤器:过滤精度为3～5μm，烟道中尘埃绝大部分被挡在过滤器之外。

电加热管:为防止采样单元产生凝结水后影响测量准确度而设置。电加热温度要求控制在180℃左右。

法兰对接:采样单元法兰与工艺管口法兰相对接，完成采样单元安装。3．2．2 采样管线

采用电伴热形式，中间样气管采用聚四氟乙烯耐腐蚀软管。采样管内温度控制在140～160℃，使得烟气中的水以蒸汽状态存在，防止水结露与SO2生成酸。

3．2．3 样品预处理单元

样品预处理单元主要是将烟道中的气体按照分析仪器能够接受的压力、温度、流量、含水量、含尘量及干净程度进行测量和处理，主要完成以下7项工作。

(1)样品抽取。用取样泵将烟道中气体抽取，送至分析仪器测量NOx，O2的含量。

(2)汽水分离。样气温度下降出现游离水，汽水分离器将气、水分开，然后将水排出。

(3)冷凝除水。压缩机制冷器除水，蠕动泵排水。

(4)精密过滤。为了进一步除尘，应保证整个过滤精度在0．5μm以下。

(5)标定。用标准气体定期对分析仪进行标定，以保证测量精度。

(6)快速回流。在满足仪器所需流量的情况下，为提高分析效果，减少滞后所采取的措施。

(7)流量调节。保证仪器的进样流量大于2 L/min。

3．2．4 吹扫单元

吹扫单元具有自动定期气体反吹系统功能，保证探头清洁，防止探头及管线堵塞。

(1)金属固定支架外壳。将采样单元各部件有机地连接在一起，以达到防雨、防尘之目的。

图2 抽取式系统改造方案布置图

(2)反吹系统。反吹系统由可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller)进行控制。

3．2．5 分析仪表

目前，CEMS分析仪表一般从国外原装进口，在国内进行系统集成。分析仪表均有零点自动校准、量程漂移小、采用微流量传感器、精度高、维护量小的特点，同时具有报警、出错提示、信号限制、泵维护、编码信息、菜单式操作等功能，测量范围和输出信号均可调的性能。

3．3 抽取式系统的维护经验

由于烟气CEMS组成复杂、烟气成分特殊，如果不进行定期维护，很容易出现腐蚀、堵塞和数据漂移等问题，使整个测量系统瘫痪，从而因环保监管给企业带来不必要的经济损失。因此，为了确保脱硝CEMS数据的准确性和代表性，必须保证脱硝CEMS日常运行的质量，才能保证脱硝CEMS正常、稳定运行，持续提供有效的检测数据，从而满足环保部门的监管要求。

CEMS的日常维护工作主要包括探头滤芯，分析仪内各种过滤器滤芯、分子筛、密封圈等易耗品应定期更换;采样管线及测点要定期反吹和检查;应经常检查冷凝装置的工作情况;定期校验分析仪并确保标气始终在有效期内使用。数据采集装置和DCS历史数据的检查也要纳入正常定期巡检范围之内。一旦运行人员发现数据有问题，热工人员要及时处理解决。

由于环保部门要求CEMS定期反吹时不允许将NOx信号显示参数自动闭锁，所以，要通过控制逻辑实现如下功能，即在 CEMS定期反吹时，将控制CEMS出口NOx的喷氨自动回路进行输出指令保持，以防止反吹扫期间因信号瞬间紊乱引起DCS控制失常。

另外，还需加强和CEMS厂家的经常沟通和保持联系，充分依托厂家的技术优势有利于系统的正常投运。

4 结论

经过脱硝CEMS的抽取式改造，彻底解决了原直插式的磨损问题，在维护人员的精心维护下，系统运行正常至今。