烟气排放连续监测系统的供电可靠性分析

摘要：随着国家对环境保护越来越重视，政府有关部门对火力发电企业的固定污染源烟气排放的监管日趋严格，排放标准也在逐步提高。因此，寻求一种更为可靠的CEMS供电方式迫在眉睫。现以提高某发电厂CEMS的供电可靠性为出发点，通过分析、对比几种CEMS供电方案的优缺点，最终确定并成功应用了一种可靠的CEMS供电方案。

关键词：CEMS;供电可靠性;厂用电;交流保安电源;UPS

0 引言

为积极贯彻《中华人民共和国环境保护法》和《中华人民共和国大气污染防治法》，加强对固定污染源烟气排放的监测监管力度，提高固定污染源烟气排放连续监测管理水平[1]，中华人民共和国环境保护部于2017年底发布了《固定污染源烟气（SO2、NOx、颗粒物）排放连续监测技术规范》（HJ 75—2017）及《固定污染源烟气（SO2、NOx、颗粒物）连续排放监测系统技术要求及检测方法》（HJ 76—2017）等技术标准，对烟气排放连续监测系统（以下简称CEMS）的技术性能、运行要求等加以规范。同时，各地环保部门明确要求：必须在火力发电企业烟囱上安装CEMS，以实现对出口烟气中SO2、NOx、颗粒物排放进行连续的监测监管。因此，为了实现对火力发电企业固定污染源烟气排放进行连续的监测监管，对CEMS连续运行的稳定性和数据传输的准确性提出了更高的要求。想要保障CEMS连续运行的稳定性和数据传输的准确性，火力发电企业及其设计单位必须认真研究、分析CMES的供电需求，设计一种安全、可靠的供电方案，从而避免因CEMS供电故障造成设备停运、监测数据丢失、环保数据传送中断等，导致火力发电企业的电价补贴受到影响，甚至受到政府有关部门的行政处罚。

本文主要针对某发电厂已有发电机组进行超低排放改造的同时，对比分析在烟囱上新增CEMS的各种供电方案，最终确定并成功实施其中一种安全、可靠的CEMS供电方案。

1 工程概况

某发电厂#3和#4发电机组（2×660 MW）已有配套建设的脱硫系统采用单元制配置，一炉一塔的石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统的设计排放性能指标为：粉尘排放浓度≤25 mg/Nm3，SO2排放浓度≤50 mg/Nm3。该发电厂在2017年进行了脱硫、除尘超低排放一体化改造，改造要求设计排放性能指标为：烟囱出口的粉尘排放浓度≤5 mg/Nm3，SO2排放浓度≤35 mg/Nm3。

在超低排放改造前，每套脱硫系统原烟气和净烟气各安装了一套CEMS，分别安装在脱硫系统原烟道和净烟道上。超低排放改造后，脱硫系统原烟道和净烟道安装的CEMS利旧，作为内部考核用;在烟囱上新增一套CEMS，以满足超低排放监测要求，将监测数据上传至当地环保部门实时监管，并作為发电厂废气排污费、脱硫电价、脱硝电价、除尘电价及超低排放电价补贴的核算依据。因此，烟囱上新增的CEMS供电可靠性要求更高。

2 CEMS系统组成及结构

CEMS是指连续监测固定污染源颗粒物和（或）气态污染物排放浓度和排放量所需要的全部设备[1]。

2.1    CEMS系统组成

CEMS由颗粒物监测单元和（或）气态污染物SO2和（或）NOx监测单元、烟气参数监测单元、数据采集与处理单元组成，如图1所示。系统测量烟气中颗粒物浓度、气态污染物SO2和（或）NOx浓度、烟气参数（包括温度、压力、流速或流量、湿度、含氧量等），同时计算烟气中污染物的排放速率和排放量，显示（可支持打印）和记录各种数据和参数，形成相关图表，并通过数据、图文等方式传输至管理部门[2]。

2.2    CEMS系统结构

CEMS系统结构主要包括样品采集和传输装置、预处理设备、气体分析仪器、数据采集和传输设备以及其他辅助设备等。根据CEMS测量方式和原理的不同，CEMS由上述全部或部分结构组成[2]。

3 有CEMS供电解决方案

该发电厂固定污染源烟气排放连续监测系统采用抽取式CEMS，CEMS用电负载主要有：分析仪表1套、就地工控机1套、数采仪1套、环保数据平台1套、烟气抽取管路伴热带1套、烟尘仪表1套、湿度仪表1套。已有的CEMS供电方式采用脱硫系统热工配电柜提供的电源供电，热工配电柜虽然采用一路厂用电电源和一路交流保安电源两路电源供电，两路电源采用双电源自动切换装置（ATS）实现了自动切换，但两路电源切换时间较长（约1～2 s），无法实现对CEMS的不间断供电。已有的CEMS供电方案如图2所示。一旦正常电源进线出现故障，在切换到备用电源时，将造成CEMS重要设备、分析仪表重启;CEMS重启后需要执行初始化程序，其间将中断数据的采集、分析和传输。

根据《火力发电厂厂用电设计技术规程》（DL/T 5153—2014），按照CEMS内部负荷的性质和重要性进行分类，将CEMS内部负荷分为交流不停电负荷（0I类负荷[3]）和交流保安负荷（0III类负荷[3]）;0I类负荷包括：分析仪表（1 kW）、就地工控机（0.5 kW）、数采仪（0.5 kW）、环保数据平台（0.5 kW），合计2.5 kW;0III类负荷包括：烟气抽取管路伴热带（3.5 kW）、烟尘仪表（3 kW）、湿度仪表（0.5 kW），合计7 kW。

为了提高已有的CEMS供电可靠性，提出了以下两个方案：

方案一：按CEMS负荷的性质和重要性分组供电，0I类负荷为一组，0III类负荷为另一组。0III类负荷供电方式保持不变，仍由原热工配电柜提供电源供电;0I类负荷由新增在线式UPS装置[4]供电，在CEMS配电箱进线断路器上增加一只微型断路器（iC65H-C25A/2P），为在线式UPS装置提供AC220 V电源输入，在线式UPS装置输出为0I类负荷供电，容量选择为5 kVA。CEMS供电改造方案一如图3所示。

方案二：基本思路同方案一，按CEMS负荷的性质和重要性分组供电，0I类负荷为一组，0III类负荷为另一组。0III类负荷供电方式保持不变，仍由原热工配电柜提供电源供电;0I类负荷由电气专业UPS装置供电，在CEMS配电箱上增加一只微型断路器（iC65H-C25A/2P），作为0I类负荷分组的电源输入。CEMS供电改造方案二如图4所示。

上述两个改造方案相较于原CEMS供电方案，供电可靠性均有提高;两个改造方案作为对内部考核的CEMS供电，均能满足要求。经核查，CEMS配电箱内尚有预留空间，可增加微型断路器，因此，上述两个改造方案均可实现。方案一仅需增加一台携式UPS装置及接线，对外部几乎没有任何改造要求，实施难度较低;方案二需要从电气专业UPS装置取电，需要核算电气专业UPS装置容量，并增加敷设UPS电源电缆，改造工作量较大。经对比，最终选择并实施方案一作为本次原烟气和净烟气CEMS的供电改造方案，运行效果良好。

4 新增烟囱CEMS供电方案

新增烟囱CEMS系统组成及负荷与原烟气和净烟气CEMS基本相同，但烟囱CEMS数据作为环保部门进行实时烟气排放监测监管的重要依据，影响到发电厂废气排污费、脱硫电价、脱硝电价、除尘电价及超低排放电价补贴。因此，烟囱上新增的CEMS以更高的供电可靠性作为供电方案的选择依据。

烟囱CEMS的供电方案也在上述两个CEMS供电改造方案中选择，基本供电方案不再赘述。通过分析比较，方案一虽然实施起来简单，但考虑到在线式UPS装置的可靠性不如电气专业UPS装置，在线式UPS装置是串联在供电回路中，一旦发生故障将会造成整个CEMS的0I类负荷失电，CEMS将无法正常工作，反而无形中增加故障隐患。相比较在线式UPS装置而言，脱硫系统电气专业UPS装置采用电厂专用型UPS装置，采用三路电源进线，分别为一路UPS主机交流主电源输入由交流保安电源提供，一路UPS主机直流电源输入由220 V直流系统提供，一路UPS交流旁路電源输入由脱硫PC段提供[5];主机交流主电源与直流电源间、主机电源与旁路电源间均能实现不间断电源切换，供电更加安全、可靠，电气专业UPS装置系统如图5所示。因此，方案二作为烟囱CEMS供电的首选方案。

由于烟囱CEMS为本次改造新增设备，电源电缆敷设不会增加改造难度和施工工程量。经查阅原脱硫系统设计资料，原脱硫系统UPS计算负荷为21 kVA，按不大于60%负载率选择的UPS装置额定容量为40 kVA;查阅原脱硫系统运行数据后发现，改造前UPS实际运行输出电流最大为80 A，对应输出功率为15.4 kVA;仍按不大于60%负载率核算，UPS装置尚有8.6 kVA的容量裕度，完全满足本次新增烟囱CEMS所需UPS容量的要求，同时，UPS装置馈线柜内尚有备用馈线回路。因此，最终选定并实施方案二作为烟囱CEMS的供电方案，运行效果良好。

5 结语

随着我国对环境保护越来越重视以及环保标准体系的不断完善，各火力发电企业也更加重视烟气污染源的达标排放。因此，除了需要更加重视烟气排放连续监测系统（CEMS）本身的质量外，还应重点关注提高CEMS的供电可靠性。可靠的CEMS供电方案可以保障CEMS安全、稳定运行，环保数据传送真实、有效。

[参考文献]

[1] 固定污染源烟气（SO2、NOX、颗粒物）排放连续监测技术规范：HJ 75—2017[S].

[2] 固定污染源烟气（SO2、NOX、颗粒物）连续排放监测系统技术要求及检测方法：HJ 76—2017[S].

[3] 火力发电厂厂用电设计技术规程：DL/T 5153—2014[S].

[4] 电力工程交流不间断电源系统设计技术规程：DL/T 5491—2014[S].

[5] 中国电力工程顾问集团有限公司.电力工程设计手册火力 发电厂电气一次设计[M].北京：中国电力出版社，2018.

收稿日期：2020-06-24

作者简介：王勇（1981—），男，上海人，工程师，注册电气工程师（供配电），主要从事燃煤电厂及垃圾焚烧厂烟气脱硫、脱硝、除尘等大气污染防治工作。