燃气轮机CEMS系统概述

望亭发电厂两台燃机的烟气排放连续监测系统（CEMS）由2013年底竣工投用以来，经过一年多的连续运行，系统性能稳定，各项监测数据正常，现将两台燃机的CEMS系统概述如下：

一、系统简介

望亭发电厂两台燃机的CEMS系统是采用南京国电环保科技有限公司研制生产的SPEP-2000型烟气排放连续监测系统，对燃机排放烟气进行连续、实时的跟踪监测。

1、系统组成.（1）烟尘监测子系统；（2）气态污染物监测子系统；（3）烟气排放参数监测子系统；（4）系统控制及数据采集处理子系统

2、系统特点.（1）功能丰富，具有手/自动取样、吹扫、校准、故障自诊断和报警等功能（2）系统控制柜模块化设计，操作简便，维护方便；（3）日常维护少，可长期无人值守；（4）采用直接抽取采样法连续监测气态污染物浓度；（5）采用M&C采样探头技术，过滤面积大，滤芯更换方便；（6）采用PLC设计，系统的稳定性、可靠性高；（7）气态污染物的监测采用德国西门子分析仪器；（8）DAS数据采集系统功能齐全，操作直观简便；（9）多种数据输出方式，支持网络扩建，支持系统扩展；（10）可方便的与环保单位联网，实现数据远/上传

3、主要功能.（1）连续监测排放烟气中的烟尘浓度，SO2、NO、CO、CO2，烟气温度，烟气压力、烟气流速、氧量、烟气湿度（2）数据采集系统（DAS）对系统进行监控，对监测数据储存、处理和管理

二、系统结构

SPEP-2000型烟气排放连续监测系统由烟尘监测子系统、气态污染物监测子系统、烟气排放参数监测子系统、控制及数据采集处理子系统组成。

三、工作原理

SPEP-2000型烟气排放连续监测系统的气态污染物监测采用直接抽取法：样气经过采样探头的加热保温与2u的过滤除去颗粒物，再经加热管线的加热保温，到预处理单元处理迅速除水后输送到分析设备中，连续检测出烟气中的二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳浓度，分析仪器再将相应的测量参数的干基信号以4—20mA的形式送到控制柜的PLC；烟尘浓度及烟气排放参数监测是将一次表安装在现场，现场信号以4—20mA的信号送到控制柜的PLC，进行模数转换，再以通讯的方式与DAS系统进行连接，由DAS系统进行数据处理。数据的上传方式是通过PLC输出信号到燃机DCS控制系统，再通过MIS网上传到集团公司。以下分别介绍烟尘监测子系统、气态污染物监测子系统、烟气排放参数监测子系统和系统控制及数据采集处理子系统的工作原理。

1、烟尘监测子系统.烟尘监测子系统采用的是国电环保SPEP-2000D型烟尘仪，该烟尘仪基于烟尘粒子的背向散射原理，用于对固定污染源颗粒污染物进行在线连续测量。（1）技术特点.1）采用激光背散射原理，不怕烟道的机械振动及烟气温度不均造成的折射率不均造成的光束摆动2）单端安装，无需光路对中3）仪器设计贯彻“无工具”现场安装思路，最大限度的降低场安装的复杂度，仪器及防雨系统的安装仅电器连接需要一支螺丝刀，不必带连接螺栓、螺母，10分钟内即可完成安装，最大限度的减少由于现场安装调试带来的诸多问题4）采用4—20mA工业标准电流输出，连接方便，整体功耗很小，约5瓦左右

（2）系统原理及构成.光学部分包括激光光源及功率控制、光电传感、散射光接收部分。激光器发出的650nm束以一个微小的角度射入排放源，激光束与烟尘粒子作用产生散射光，背向散射光通过接受系统进入传感器转变成电信号进行处理。电路部分实现光电转换、激光束的调制、信号放大、解调、光源的功率控制、V/I转换功能。标准器用于产生一稳定的光信号，对仪器零点及跨度校准。系统原理图如下图所示：

2、气态污染物监测子系统.（1）工作原理.系统采用加热抽取原理，用国电环保SPEP-2000H型电加热采样探头抽取烟气，采样流速≥2L/min，烟气在进入采样探头前经过滤器去除颗粒物，经过加热、保温等环节，样气被导入到预处理单元除湿，然后送入ULTRAMAT23型气体分析仪中进行分析，连续检测出烟气中的二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳和二氧化碳浓度。因为烟气中的水分已被除去，所以系统提供的是干烟气的二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳和二氧化碳浓度。2）系统组成.气态污染物监测子系统包括：烟气采样单元、样气预处理单元、分析单元三部分组成。下面介绍各部分的原理及特点：1）烟气采样单元.烟气采样单元主要由SPEP-2000H电加热采样探头和伴热采样管线组成。SPEP-2000H电加热采样探头适用于在高尘、高温和高湿度的环境中连续抽取气体，特别适合用于烟道气在线分析中的采样。电加热采样探头的独特设计使得安装操作极为简便，并且性能可靠、维护方便，在更换过滤器时不需要使用工具，并且不必拆除采样管线，避免了杂质渗入到样气系统中。特制的加热器可以对整个过滤腔进行温度调节，保证温度不会降至零点以下。伴热管线由输气管、电热带、隔热层、护套四部分组成，可使采样气体在输送过程中恒定在120℃，避免结露而影响测量精度。2）样气预处理单元.样气预处理单元主要包括冷凝器、精过滤器和空气净化系统，冷凝器主要目的是除去烟气中的水分，通过精过滤器进一步过滤样气中微量水粒和微小尘埃后，烟气被导入ULTRAMAT 23型气体分析仪中進行分析。冷凝器体积小重量轻，运转平稳，露点稳定性好，并且冷凝器的制冷功率较大，在热交换器中，气体冷却速度快，减少了二氧化硫等气体在结露水中的溶解量，提高了测量精确度，减少了结露水对器件的腐蚀。空气净化系统包括仪用空气和减压过滤器，仪用空气压力要求0.4—0.8MPa，出口配置有水分离器、油分离器和压力表，净化后的吹扫空气用于吹扫探头和样气管路。3）分析单元.分析单元采用西门子公司的ULTRAMAT 23型气体分析仪，该分析仪采用非分散红外发射吸收原理，依据不同波长其发射衰减程度的不同进行不同浓度气体的测量。其基本特点是：a）由于可采用环境空气进行自动标定，所以分析仪实际可做到免维护，且零点和量程都是在线标定b）在规定范围内每种组分可有两个量程，所有量程都是线性的，用量程识别功能的自动量程c）自动纠正环境压力波动d）气体流量监测，当流量<1L/min给出报警信号e）维护请求报警f）每种组分可任意设置上下限报警g）大屏幕背光LCD显示测量值，简单快速编程和分析仪调试，通过菜单实现编程输入、功能测试和标定h）三个二进位输入、取样泵开关、触发自动标定、几个设备同步，八个继电器输出可任意配置，包括：故障、维护请求、维护切换上下限、限制、量程识别和外部电磁阀等。ULTRAMAT 23红外单元操作模式原理如下图：

3、烟气排放参数监测子系统.烟气排放参数监测子系统包括烟气流速、烟气温度、烟气压力、烟气湿度和烟气含氧量等辅助参数的实时连续监测。（1）烟气流速连续监测.烟气流速采样装置为南京国电环保公司研制的SP2000-PTG型皮托管流量计。该流量计是一种利用压力传感器、皮托管等测出烟气的动压和静压，动压与被测烟气流速呈一定的比例关系，从而可定量烟气流速。测量系统由皮托管、差压变送器和PLC组成。（2）烟气压力连续监测.系统采用3051 AP/G型压力变送器连续监测压力。变送器即将压力信号转换成4—20mA的二线制输出的电信号。（3）烟气湿度连续监测.系统采用SPEP-2000M型氧化锆测量系统，该氧化锆探头安装在CEMS小室的控制柜内，采用气体流通池加热保温到150℃，测氧传感器加热到700℃的氧化锆原理测量烟气中的湿氧含量。利用测量出的湿氧与干氧（U23分析仪器电化学法测出的干氧）从而计算出烟气的绝对湿度。（4）烟气含氧量连续监测.烟气含氧量采用西门子公司的ULTRAMAT 23型气体O2（干氧）分析仪来测量。ULTRAMAT 23型气体O2（干氧）分析仪中的氧气传感器依据燃料室原理操作，氧气在阴极和电解液之间的边界层被转化，不同的氧气浓度相应产生不同的电流，从而测出烟气中的含氧量。（5）烟气温度连续监测.温度监测采用PT100热电阻进行测量，再通过WZPB1-23U型转换器转换为标准4—20mA电流信号输出。

4、系统控制及数据采集处理子系统.系统控制及数据采集处理子系统由硬件系统（可编程控制器和工控机）和软件系统（数据采集系统）组成，可编程控制器PLC是CEMS系统的数据采集控制单元。（1）硬件系统.硬件系统由两台互为冗余的工控机为操作站，一个SPEP-2000型烟气连续监测系统柜为控制站，操作站与控制站间采用RS485通讯口连接。硬件系统具有以下特点：1）自动控制烟气抽取，对采样点循环采样.2）执行分析仪的零点和满量程校准3）自动执行反吹4）显示烟气排放连续监测系统的状态，包括采样、处理、分析、报警、等待、校准、反吹、手动或自动状态以及标准气体浓度值5）电气控制单元报警包括采样探头温度报警、加热管线温度报警、分析仪故障报警、样气湿度报警、冷凝器高温报警和系统故障等6）与网络交换系统数据，可提供实时数据的DAS接口，通过激活其控制指令，将实时数据传输给数据采集系统（2）软件系统.软件以WindowsXP为操作系统，具有如下功能和特点：1）全中文显示界面，多级画面，操作直观简便2）实时显示系统状态和故障监控3）实时显示系统监测参数，有实时棒图、实时曲线等多种形式4）具备监测参数实时曲线显示和历史曲线显示画面5）具备监测参数报表查询、打印功能6）具备系统参数设置功能7）可根据不同口令，在不同模式下（操作员、系统管理员等）进行切换登录，确保系统参数安全

四、系统操作说明

1、开停CEMS系统系统供电按照设备类型分别设置断路器.在开机时将相应的空气开关（如总电源、电伴热、配电箱、浊度仪、U23、蠕动泵、冷凝器、PLC、泵阀、风扇、照明等）合上，在达到预热的时间，系统则可正常工作。

2、系统运行模式.1）系统分为自动和手动两种运行方式，通过仪表柜操作面板“自动/手动”按钮进行切换。系统正常应处于自动状态，手动状态是在系统检修维护时采用的方式。2）在自动方式下有三种工作模式：取样模式、吹扫模式、校验模式。3）在手动方式下有4种模式：停止模式（所有按钮均未按下）、取样模式、吹扫模式、校验模式（零气、标气1、标气2）。4）操作面板有显示运行状态的指示灯：零气、校验、手动/自动、取样、吹扫。这几个指示灯和相应的按钮开关是带灯自锁按钮。5）有两个故障指示灯：系统故障、分析仪故障。

3、数据采集系统（DAS）操作说明.数据采集系统（DAS）实现对整个烟气连续排放监测系统状态和参数监控，并对系统进行管理、记录、报表和打印。它的操作通过鼠标键盘在工控机上完成。双击工控机桌面上CEMS.EXE图标，自动加载数据采集系统和应用软件，进入监控系统主画面，主要有：系统状态、报警一览表、实时棒图、实时曲线、历史曲线、系统校验系数设置、系统数据报表查询、系统量程设置等功能模块供运行和维护人员浏览、查阅和设置。

五、系统维护及故障处理

1、系统日常维护.SPEP-2000型烟气排放连续监测系统应做好如下日常维护工作：1）检查ULTRAMAT 23型气体分析仪的运行状态，检查是否有故障或维护报警指示2）检查ULTRAMAT 23型气体分析仪上的流量计指示，应在0.8—2L/min；3）检查保护过滤器滤芯应干净，玻璃杯内无水滴；4）检查蠕动泵转动排水正常，应能看到水柱由冷凝器排水管进入蠕动泵内排出；5）检查吹扫气源供气压力在0.4—0.7MPa之間；6）检查取样泵应正常运转无异声；7）检查控制柜上有无系统故障与分析仪故障指示；8）检查冷凝器正常制冷温度指示应在1—5℃之间；9）检查加热管线正常加热温度指示应在110—150℃之间。

2、故障处理.一般常见的故障主要有：取样探头温度报警、伴热管线温度报警、冷凝器报警、湿度报警、样气流量低、精过滤器变色快、PLC与DAS系统通讯故障、温度不正常、压力无显示、U23分析仪维护请求报警、U23分析仪报警，出现“F”等，都可通过查阅SPEP-2000型烟气排放连续监测系统操作维护手册，根据不同的报警码及故障现象找到相对应的故障处理方法进行故障处理。

六、结语

通过加装烟气排放连续监测系统，对两台燃机烟囱排放烟气中二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等污染物连续在线监测，并通过SIS进行数据上传，从而完成两台燃机CEMS系统与集团公司的联网工作。

（作者单位：江苏华电望亭发电厂）

作者简介

朱俊（1982～），男，汉族，江苏苏州人，助理工程师，本科，江苏华电望亭发电厂燃控班副班长，从事9FA燃机检修和维护方面的技术工作。