火電廠污染源自動監(jiān)控中CEMS流量測量問題的研究

王燕楓++楊清

摘要： 系統(tǒng)介紹了火電廠污染源自動監(jiān)控工作中流量測量問題的技術(shù)及政策背景，闡述了矩陣式流量計的工作原理，結(jié)合流量監(jiān)測改造項目應(yīng)用實例，對其技術(shù)特點(diǎn)、優(yōu)勢及應(yīng)用效果進(jìn)行了分析、論證。通過實例對比發(fā)現(xiàn)，矩陣式面測量流量監(jiān)測方法較傳統(tǒng)測量方法有明顯優(yōu)勢，流量監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確、代表性好、趨勢性強(qiáng)。

Abstract： This paper systematically introduces the technology and policy background of flow measurement in the automatic monitoring of the pollution source in the thermal power plant， expounds the work principle of matrix flowmeter， and combining with the flow monitoring renovation project， analyzes and convinces the technical characteristics， advantages and application effect. Through the example comparison， it is found that the flow monitoring method with matrix measurement has obvious advantages compared with the traditional measurement method， whose flow monitoring results are accurate， representative and have a strong trend.

關(guān)鍵詞： 火電廠；CEMS（煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)）；流量測量；矩陣式流量計

Key words： thermal power plant；CEMS （continuous emission monitoring system）；flow measurement；matrix flowmeter

中圖分類號：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）05-0122-03

0 引言

我國火電廠數(shù)量眾多，污染物排放量巨大。目前，全國共1361家火電廠（包括自備電廠），共計4276臺機(jī)組?；痣姀S在全國均有分布，其中占比居于全國前八的省份共占 56.5%，詳見表1。根據(jù)“十二五”環(huán)境統(tǒng)計業(yè)務(wù)系統(tǒng)[1]，2015年火電廠煙塵、二氧化硫以及氮氧化物的排放量分別是381.7萬噸、660.7萬噸和646.5萬噸，占當(dāng)年廢氣污染物總排放量的比例依次為 22.5%、38.9%和 38.1%。

煙氣污染物排放量以濃度與流量的乘積計，煙氣濃度測量技術(shù)目前已十分成熟，而煙氣流量監(jiān)測還存在一些問題[2]?！豆潭ㄎ廴驹礋煔馀欧胚B續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[3]（HJ/T 75-2007）等對CEMS采樣斷面位置有明確的限制：對于流速的測定，要求盡可能避開彎頭、斷面等急劇變化的部位，并與這些部位的距離滿足“前四后二”的要求[4]。實際生產(chǎn)中，受制于場地、經(jīng)濟(jì)性等因素，煙道普遍較短，且多變徑、彎頭，流速流量監(jiān)測存在如下問題：煙氣高溫、高濕、高塵，內(nèi)部流場紊亂，加之煙氣、強(qiáng)振動，含酸、含漿液，環(huán)境較為惡劣，傳統(tǒng)點(diǎn)測量及線測量式流量測量方法的效果較差[5]。

1 煙氣流量自動監(jiān)控政策背景

煙氣流量自動監(jiān)控數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到污染源自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性，是國家污染源排放監(jiān)管的重要依據(jù)。國務(wù)院辦公廳[6]《關(guān)于轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)保部“十二五”主要污染物總量減排考核辦法的通知》（國辦發(fā)[2013]4號）要求污染源自動監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸有效率達(dá)到75%，對考核結(jié)果未通過的，實行“一票否決”。其中，數(shù)據(jù)傳輸有效率為數(shù)據(jù)傳輸率和數(shù)據(jù)有效率的乘積，要保證總體的數(shù)據(jù)有效性，就要重點(diǎn)解決煙氣流量自動監(jiān)控數(shù)據(jù)這一傳統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)。

新形勢下，十三五環(huán)保費(fèi)改稅啟動，以污染物自動監(jiān)控排放量數(shù)據(jù)作為計稅依據(jù)，可提高執(zhí)法效力，對CEMS流速測量的準(zhǔn)確性提出了更高的監(jiān)管和技術(shù)要求。由于火電廠煙氣流量一直以來主要以傳統(tǒng)點(diǎn)測量、線測量形式為主，監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差、代表性弱等突出問題長期存在，而矩陣式流量計在實際應(yīng)用中可有效解決以上問題，引起國家層面關(guān)注，環(huán)保部[7]《關(guān)于加強(qiáng)“十二五”主要污染物總量減排監(jiān)測體系建設(shè)運(yùn)行情況考核工工作的通知》（環(huán)發(fā)[2013]98號）文件要求，對普遍存在的煙氣流速（流量）測量不準(zhǔn)等問題應(yīng)按技術(shù)規(guī)范要求調(diào)整采樣點(diǎn)位，不具備調(diào)整條件的，換裝矩陣式流速儀等新型設(shè)備。江蘇省作為全國火電機(jī)組最多的省份，也是全國范圍內(nèi)較早試點(diǎn)安裝矩陣式流速儀的省份，試點(diǎn)開始以來，收效良好，目前CEMS煙氣流量測量規(guī)范性改進(jìn)工作正有序推進(jìn)，污染源自動監(jiān)控數(shù)據(jù)有效性穩(wěn)中有升。

2 煙氣流量自動監(jiān)控技術(shù)介紹

2.1 火電廠煙氣流量自動監(jiān)控技術(shù)要求

火電廠煙氣流量監(jiān)測點(diǎn)位通常都設(shè)置在矩形煙道上?！豆潭ㄎ廴驹礋煔馀欧胚B續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 75-2007）、《固定污染源排放煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法》（HJ/T 76-2007）、《固定污染源排氣中顆粒物測定與其態(tài)污染物采樣方法》[8]（GB/T 16157-1996）對煙氣流速流量測量采樣點(diǎn)位和數(shù)目做出了明確規(guī)定。

為保證采樣位置斷面流場均勻、穩(wěn)定，規(guī)范要求，采樣位置應(yīng)優(yōu)先選擇在垂直管段，應(yīng)避開煙道彎頭和斷面急劇變化的部位，采樣位置應(yīng)設(shè)置在距彎頭、閥門、變徑管下游方向不小于4倍直徑（或當(dāng)量直徑）和距上述部件上游方向不小于2倍直徑（或當(dāng)量直徑）處，此即采樣位置選擇的“前四后二”原則，如圖1所示。

為保證采樣點(diǎn)處測得的煙氣流速具備代表性、準(zhǔn)確性，規(guī)范要求將煙道截面分成適當(dāng)數(shù)量的等面積小塊，各塊中心即為測點(diǎn)取樣位置，如圖2所示。

此外，煙道內(nèi)的煙氣高溫、高濕、高塵，強(qiáng)振動，含酸、含漿液，環(huán)境較為惡劣，監(jiān)測設(shè)備的防磨、防堵、防腐蝕性能必須滿足長期穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

2.2 現(xiàn)有流量自動監(jiān)控技術(shù)現(xiàn)狀

流速測量儀器很多，但適用于燃煤電廠煙道高溫、高濕、含塵等惡劣環(huán)境的測量儀器并不多，主要有[9]皮托管流量計、巴類流量計、熱平衡流量計、超聲波流量計及矩陣式流量計等。表2給出了這幾種類型的流量計的技術(shù)特點(diǎn)對比。

3 矩陣式流量測量應(yīng)用

3.1 矩陣式流量測量原理

矩陣式流量計基于壓差法流速（量）測量原理[10]。測量裝置安裝在煙道內(nèi)，當(dāng)煙道內(nèi)內(nèi)有煙氣流動時，迎風(fēng)面受氣流沖擊。在此處氣流的動能轉(zhuǎn)換成壓力，因而迎面管內(nèi)壓力較高，其壓力稱為“全壓”；背風(fēng)側(cè)由于不受氣流沖壓，管內(nèi)的壓力為風(fēng)管內(nèi)的靜壓力，其壓力稱為“靜壓”。全壓和靜壓之差稱為差壓，其大小與管內(nèi)風(fēng)速（量）有關(guān)，風(fēng)速（量）越大，差壓越大；風(fēng)速（量）小，差壓也小。因此，只有測量出差壓的大小，再找出差壓與風(fēng)速（量）的對應(yīng)關(guān)系，才能正確地測出管內(nèi)風(fēng)速（量）。

矩陣式流量計布點(diǎn)原理及結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

實際煙道型式多樣，且多尺寸巨大，測點(diǎn)前后直管段長度無法滿足“前四后二”的采樣要求，煙道內(nèi)流場分布不均勻，單點(diǎn)流速無法準(zhǔn)確代表整個煙道截面的平均流速，為準(zhǔn)確測量煙氣風(fēng)量，在大風(fēng)道截面上采用等截面多點(diǎn)測量流速[12，13]，將許多個測點(diǎn)等截面有機(jī)地組裝在一起，正壓側(cè)與正壓側(cè)相連，負(fù)壓側(cè)與負(fù)壓側(cè)相連，正、負(fù)壓側(cè)各引出一根總的引壓管，分別與差壓變送器的正、負(fù)端相連，測得截面的平均速度，然后計算出風(fēng)量。

實際工程應(yīng)用中，流量測點(diǎn)的布點(diǎn)原則嚴(yán)格遵循GB/T 16157-1996布點(diǎn)要求，并結(jié)合具體鍋爐及煙道型式、生產(chǎn)工況，通過模擬計算予以調(diào)整、優(yōu)化。

3.2 應(yīng)用實例分析

2015年，由于原有的點(diǎn)式流速儀存在煙氣流量與鍋爐入口風(fēng)量差額較大、與機(jī)組負(fù)荷相比趨勢性差的現(xiàn)象，南京某電廠對其300MW機(jī)組脫硫凈煙氣煙道流量監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造，安裝了矩陣式流量計，圖4，圖5分別為改造前后機(jī)組負(fù)荷與煙氣流量的月度小時數(shù)據(jù)監(jiān)控曲線（相關(guān)數(shù)據(jù)來源于江蘇省電力企業(yè)鍋爐煙氣在線監(jiān)控系統(tǒng)）。

由圖4可知，2015年3月，機(jī)組負(fù)荷基本在210MW與300MW范圍內(nèi)、250MW上下浮動，但是相對于負(fù)荷的變化，煙氣流量無明顯變化，變化趨勢未能與負(fù)荷的變化趨勢保持跟隨性、一致性。此外，在月初、月中，出現(xiàn)兩次負(fù)荷下降但煙氣流量不降反升的“反趨勢”現(xiàn)象，嚴(yán)重背離實際生產(chǎn)工況。

2016年3月，機(jī)組負(fù)荷大體上較為平穩(wěn)，基本在250MW與270MW范圍內(nèi)浮動，但也經(jīng)歷過兩次負(fù)荷拉升至290MW左右又迅速回落至正常水平的過程。由圖5可見，當(dāng)負(fù)荷較為穩(wěn)定時，煙氣流量跟隨負(fù)荷變化趨勢，也較為平穩(wěn)的在一定范圍內(nèi)波動；當(dāng)負(fù)荷發(fā)生較大拉升、回落時，流量靈敏跟隨隨著負(fù)荷變化的趨勢而變化，較為真實的反映了機(jī)組運(yùn)行及煙氣流量的實際情況。

表3給出了該機(jī)組在改造前后機(jī)組負(fù)荷與鍋爐送風(fēng)量、煙氣排放量的月度統(tǒng)計數(shù)據(jù)。由表3可見，兩個月機(jī)組總負(fù)荷大體一致，生產(chǎn)工況較為接近，具備可比性。由于脫硫、脫硝等工藝環(huán)節(jié)有少量新風(fēng)送入，凈煙氣煙道煙氣量總體上要大于鍋爐送風(fēng)量，但在流量測量改造之前，凈煙氣監(jiān)測月總排放量及MW負(fù)荷均排放量均大幅低于鍋爐送風(fēng)水平，出現(xiàn)了“倒掛”現(xiàn)象；該問題在改造之后得到解決，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，凈煙氣監(jiān)測月總排放量及MW負(fù)荷均排放量均接近于鍋爐送風(fēng)水平，但在其基準(zhǔn)水平上略有增加，真實反映了實際工況。

結(jié)合以上分析可知，傳統(tǒng)點(diǎn)測量式流量監(jiān)測方法存在趨勢性差、總量不準(zhǔn)確等突出問題，而矩陣式面測量方法有效解決了這些問題，流量監(jiān)測結(jié)果真實、準(zhǔn)確、趨勢性強(qiáng)，作為排污計量的依據(jù)，真實、客觀、相對準(zhǔn)確。

4 結(jié)論與展望

結(jié)合國家節(jié)能減排政策與污染源自動監(jiān)控的實際工作，對火電廠污染源自動監(jiān)控工作中流量測量問題的技術(shù)、政策背景做了系統(tǒng)介紹，闡述了矩陣式流量計的工作原理，并結(jié)合流量監(jiān)測改造項目的應(yīng)用實例，對其技術(shù)特點(diǎn)、優(yōu)勢及應(yīng)用效果進(jìn)行了分析、論證。通過實例對比發(fā)現(xiàn)，矩陣式面測量流量監(jiān)測方法較傳統(tǒng)測量方法有明顯優(yōu)勢，流量監(jiān)測結(jié)果相對準(zhǔn)確、代表性好、趨勢性強(qiáng)。

建議將矩陣式面測量流量監(jiān)測方法寫入相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，并規(guī)范相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品的認(rèn)證和準(zhǔn)入，促使該項技術(shù)的良性推廣和應(yīng)用，完善現(xiàn)有污染源自動監(jiān)控?zé)煔饬髁繙y量技術(shù)，以提高CEMS自動監(jiān)控數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可用度。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國環(huán)境監(jiān)測總站.“十二五”環(huán)境統(tǒng)計[EB/OL].http：//www.cnemc.cn/，2016-6-15/2016-10-10.

[2]馮真禎.燃煤電廠矩形煙道煙氣流速確定方法研究[D].導(dǎo)師：朱林.南京信息工程大學(xué)，2011.

[3]國家環(huán)境保護(hù)局.固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范 （HJ/T 75-2007）[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2007.

[4]國家環(huán)境保護(hù)總局.固定污染源排放煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求檢測辦法（HJ/T 76-2007）[S].2007.

[5]朱正林，辛洪祥.發(fā)電廠大流量短管風(fēng)煙測量系統(tǒng)性能優(yōu)化[J].南京工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2015（01）：12-15.

[6]國務(wù)院.關(guān)于轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)保部“十二五”主要污染物總量減排考核辦法的通知[EB/OL].http：//www.gov.cn/，2013-1-5/2016-10-10.

[7]國家環(huán)保部.關(guān)于加強(qiáng)“十二五”主要污染物總量減排監(jiān)測體系建設(shè)運(yùn)行情況考核工工作的通知[EB/OL].http：//www.zhb.gov.cn/，2013-8-28/2016-10-10.

[8]國家環(huán)境保護(hù)局.固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法（GB/T 16157-1996）[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1996.

[9]左家翰.火力發(fā)電廠煙氣質(zhì)量流量實時檢測方法研究[D].導(dǎo)師：段泉圣.華北電力大學(xué)，2015.

[10]陳健.新型煙氣流速測量裝置淺析[J].環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2015（04）：62-63.

[11]黃偉，張建玲，梁志明，胡曉輝.多點(diǎn)式測風(fēng)裝置在600MW超臨界鍋爐上的應(yīng)用[J].湖南電力，2005（S2）：46-48.

[12]王萬林，齊小娟.火電廠煙氣排放流量測量方法研究[J].浙江電力，2009（06）：17-19.