CEMS系统在安岳天然气净化有限公司的应用

2022-02-08张晓云

内蒙古科技与经济 2022年10期

周洪，张晓云

(1.中石油安岳天然气净化有限公司，四川安岳 642350；2.中石油天然气净化总厂，重庆 400020)

CEMS系统是对排放烟气中气态污染物和颗粒物能进行排放总量和浓度连续监测并将数据实时传输至管理部门的装置，也是环保排放监测和工艺过程检测的重要设备[1]。为实时监控天然气净化装置排放尾气的各项指标，安岳天然气净化有限公司在净化工艺设备上安装了6套CEMS系统，分别是：一、二列天然气净化装置的后端尾气处理装置及A/B/C/D 4个锅炉各一套，用于监测连续排放的废气指标。该监测系统为SCS-900UV型，可测量SO2、NO、NO2、O2、流速、温度、压力等参数。

1 CEMS系统组成

安岳天然气净化有限公司使用的CEMS系统主要由气态污染物SO2和NOX监测子系统、烟气参数(温度、压力、流速)监测子系统、固体颗粒物监测子系统及控制单元组成(图1)。系统测量烟气中气态污染物SO2、NOX浓度、烟气的温度、压力、流速或流量、湿度、含氧量等，同时计算烟气中污染物排放速率和排放量，显示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]。该系统主要包括样品采集和传输装置、预处理设备、分析仪器、数据采集和传输设备以及其他辅助设备等。样品采集和传输装置主要包括采样探头、传输管线、流量控制设备和采样泵等，采样探头是一种能自行加热并实施温控的采样装置，该装置与样品气接触的部分全部采用1Cr18Ni9Ti不锈钢材料加工制成，高温条件下抗腐蚀性能力强；预处理设备主要包括样品过滤设备和除湿冷凝设备、NOX转换器等，为防止颗粒物污染物分析仪，在气体样品进入分析仪之前设置精细过滤器，过滤器能过滤(0.5μm～2 μm)粒径以上的颗粒物，除湿冷凝器由冷枪和排水蠕动泵组成，自动收集和排放冷凝液，设定温度为2℃，NOX转换器将多种NOX转换为NO，进入MODEL 1080-UV紫外差分分析仪进行测量；分析仪器用于对采集的污染源烟气样品进行测量分析；数据采集和传输设备用于采集、处理、存储监测数据，并能按中心计算机指令传输监测数据和设备工作状态信息，具备数字信号和模拟信号双输出功能；辅助设备主要包括尾气排放装置、反吹净化及其控制装置、稀释零空气预处理以及冷凝液排放装置等。

2 CEMS系统工作原理及特点

2.1 CEMS系统工作原理

2.1.1 气态污染物监测子系统。安岳天然气净化有限公司使用的CEMS系统气态污染物监测子系统采用直接抽取法进行测量。其中SO2、NOX浓度分析采用紫外吸收光谱分析原理，以物质对紫外光谱的吸收为基础，测量相关波段紫外光强度的衰减幅度进而计算相应气体的浓度。样气经过浮子流量计流入分析仪气体池，紫外光源发出的紫外光经准直透镜准之后进入气体池，经样气吸收后的紫外光通过聚焦透镜聚焦后耦合进光纤并传输到光谱仪中，经过光栅对(200 nm～350 nm)之间的紫外光进行分光、电荷耦合元件(CCD)接收光信号进行光电转换，得到待测气体的紫外吸收光谱，然后由软件算法反演计算出待测气体的浓度值。SO2、NOX测量范围均为0～1 000mg/m3；氧含量分析采用电化学法原理：根据燃料池工作时，氧气在阴极与电解液的分界面被转换成电流，并且所产生的电流与氧气的浓度成正比，O2测量范围为0～25%。

2.1.2 烟气参数监测子系统。烟气参数监测子系统采用差压原理的皮托管流量计，测量仪表主要有：铂电阻温度变送器、压力变送器、皮托管流速计。铂电阻温度变送器由铂电阻插入烟道中测量烟气温度变化，电阻值由转换模块转换成相应的电流信号(4 mA～20 mA)传送给SCS-900 UV型在线烟气连续监测系统的电脑和DCS系统中控显示。西门子压力变送器是将取压管插入烟道中测量烟气的压力变化，压力值由转换模块转换成相应的电流信号(4 mA～20 mA)传送给SCS-900 UV型在线烟气连续监测系统的电脑和DCS系统中控显示。皮托管流速计探头插入烟道中，使全压和背压探头中心轴线处于过流断面中心且与流线方向一致，全压探头测孔正面应对来流，检测流体总压，并将其传递给差压变送器；同时背压探头测孔拾取节流静压也将其传递给变送器，变送器读取总静压差值并将其转换成相应的电流信号(4 mA～20 mA)传送给SCS-900UV型在线烟气连续监测系统的电脑和DCS系统中控显示。烟气参数监测子系统的流速测量范围为2 m/s～40 m/s，温度测量范围为0～300℃，压力测量范围为(-10 kPa～+10 kPa)。

2.1.3 固体颗粒物监测子系统。烟气中固体颗粒物监测子系统使用射流泵从烟道中抽取一定体积烟气，作为样气在加热腔中被加热到140℃，使水滴和气雾蒸发，随后样气进入测量室，数据处理单元根据测量单元的测量信号等参数计算颗粒物浓度。测量尾气通过回流法兰流回烟道中，射流泵通过风机进行驱动，同时风机把一定流量的空气吹入测量单元，保护其光学镜片。对安岳净化公司这种低颗粒浓度烟气的监测，测量单元采用光学前散射。

2.1.4 数据采集、处理和控制子系统。安岳净化公司的CEMS控制子系统PAS-DAS软件是SDL公司根据国家环保标准，并针对SDL的CEMS系统硬件开发的数据采集和数据处理系统，可实时显示烟气监测系统的各项污染物参数的数值和整套系统的运行状况。整个系统由传感器单元、控制装置(PLC)、现场主控站组成。传感器单元监测的数据信号和采集的样气通过通信线路和采样管线传输至测控单元，测控单元将获得的模拟信号转换为数字信号同样气分析结果一起保存至PLC中。PAS-DAS系统通过通信线路获取PLC中的各类监测数据和系统状态信号，通过计算和统计后显示在用户界面上同时保存至数据库管理系统中。数据传输分为两路，一路以4 mA～20 mA标准信号送至DCS，另一路以485通信的方式送至DCS，双路输出保证了中控操作人员的实时监控，便于工艺人员对尾气处理装置的及时调整。

2.2 SCS-900UV型CEMS系统特点

安岳天然气净化有限公司安装的SCS-900UV型烟气排放连续监测系统相对其他天然气净化厂在用CEMS的特点如下：①样气入冷凝器前装有温度变送器，可监测样气温度；②样气入冷凝器前装有烟气湿度传感器，排放流量测算更加准确；③系统具备完整的全流程校准功能，可测试出采样系统管路有无堵塞、轻微泄漏、管路材质是否有吸附、烟气含水量是否吸收样气中的SO2；④建有专用防爆分析小屋，屋内配有空调，有效稳定设备工作环境温度；⑤配有专用的人工参比取样孔，避免参比取样孔在插入皮托管后采用毛巾进行封堵，烟囱为负压，容易吸入空气，导致比对的O2偏高，气态污染物测量值偏低，导致校验不合格问题。

3 CEMS监测系统应用中出现的问题及解决方法

安岳天然气净化有限公司现场安装的SCS-900UV型CEMS系统投用两年多，运行良好，但也出现过如下问题。

3.1 CEMS系统测量SO2值偏低

CEMS系统在运行中出现一列装置尾气CEMS测量SO2值偏低，经现场检查分析发现：监测探头电伴热接线虚接，无220 VAC，电伴热停后，样气温度低，导致滤芯及管路大量含水，样气中的SO2溶于水中，SO2测量值偏低。因此，采用仪表风吹滤芯，使得滤孔透气良好；同时搭接好电伴热线后恢复至220VAC，探头电伴热温度逐渐升至140℃，恢复取样，滤芯干燥，样气含水少，SO2测量值恢复正常。

3.2 CEMS系统测量O2值异常

尾气处理装置正常运行时，曾出现CEMS系统监测O2含量为21%。经现场查看各管路、蠕动泵、取样探头、冷凝器，发现冷凝器的冷枪旁及冷凝器下有大量的蓝色冷凝液，拆出冷枪，冷枪玻璃杯体裂，冷枪接头破裂，导致取样管直接与大气相通，氧分析值为大气中的氧含量。更换冷枪后，测量O2含量恢复正常。

3.3 CEMS系统监测尾气流速严重偏高

尾气处理装置正常运行时，其中一列装置CEMS系统监测尾气流速严重偏高，从日常的4 m/s突然升高至28 m/s。经现场检查反吹三通电磁阀，发现正压侧电磁阀内漏仪表风关闭不严，导致变送器测量的是仪表风与皮托管负压侧之间的压差，而仪表风压力远大于尾气的压力，所以流速会严重偏高，因此，更换三通电磁阀后尾气流速恢复正常。

3.4 CEMS系统测量SO2和NOx值为零

CEMS系统在运行中出现一列装置尾气CEMS测量SO2和NOX值均为零。现场检查转子流量计流量为0，拆开取样管未见有样气抽入，而抽气取样泵工作正常；取出取样探头，发现探头滤芯上附着杂质颗粒，堵塞了探头滤芯，没有样气流入测量室，从而使分析仪测量数据为0。用仪表风反复吹扫滤芯，使其干净(堵塞严重的直接更换滤芯)，滤芯通畅后，取样正常，测量值恢复正常。

3.5 IIA锅炉CEMS分析仪的转子流量计卡在顶部，无法调样气流量

A台锅炉CEMS运行中出现分析仪的转子流量计卡在顶部，无法调样气流量。经检查分析发现NOX转换器中转化剂漏出后渗入MODEL 1080-UV分析仪转子流量计，转子上附着过多的转化剂后卡死在流量计顶端，导致无法调节样气流量。因此，拆开MODEL 1080-UV紫外差分分析仪，取出转子流量计，用仪表风吹扫转子流量计、分析仪管路、测量池。同时，在NOX转换器出口与MODEL 1080-UV分析仪入口之间加装膜式粉尘过滤器，防止NOX转换器中的转化剂渗入MODEL 1080-UV分析仪卡死转子。