熱電廠連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)CEMS煙氣污染物測(cè)量不確定度研究

梁天琪，徐 鴻，鄭天林，張光學(xué)

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.杭州尊邦科技有限公司，浙江 杭州 310018)

1 引 言

以煤為主的熱電廠能源消耗模式是造成空氣污染的主要原因之一。從源頭遏制污染排放已經(jīng)成為環(huán)保行業(yè)的工作重點(diǎn)。把控電廠運(yùn)行過程、嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)和控制煙氣污染物濃度，使其達(dá)到環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為排污企業(yè)的重要任務(wù)。目前某熱電廠執(zhí)行當(dāng)?shù)氐摹跺仩t大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，即SO2排放濃度≤35 mg/Nm3，NOx≤50 mg/Nm3，顆粒物≤5 mg/Nm3。煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)已經(jīng)廣泛運(yùn)用到熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)的日常運(yùn)營(yíng)中，并且與生態(tài)環(huán)境部門聯(lián)網(wǎng)，將排放數(shù)據(jù)時(shí)均值實(shí)時(shí)上傳。熱電廠CEMS系統(tǒng)需按照技術(shù)規(guī)范和技術(shù)要求進(jìn)行定期的標(biāo)定和檢測(cè)，以保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性與可靠性。

不確定度分析與評(píng)定是衡量CEMS系統(tǒng)準(zhǔn)確性與可靠性的重要依據(jù)[1～3]，不確定度可以評(píng)價(jià)測(cè)量結(jié)果的可信度和被接受性[4,5]。測(cè)試儀器特性以及測(cè)試工況變化等因素都會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果的不確定度有重要影響。本文根據(jù)對(duì)某熱電廠實(shí)施超低排放改造后進(jìn)行的性能檢測(cè)和技術(shù)評(píng)估，對(duì)CEMS系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行不確定度分析。

2 熱電廠超低排放改造

某熱電廠現(xiàn)有3臺(tái)130 t/h循環(huán)流化床鍋爐，均已完成超低排放技術(shù)改造。目前鍋爐煙氣處理主要工藝為低氮燃燒+SNCR脫硝、靜電除塵、布袋除塵、石灰石-石膏濕法脫硫、濕式電除塵(與脫硫塔一體化)。

圖1為該電廠進(jìn)行超低排放改造后煙氣處理工藝流程圖。為監(jiān)測(cè)煙氣污染物排放，在總排氣管C(煙囪)安裝了在線監(jiān)測(cè)CEMS系統(tǒng)，本文將對(duì)CEMS系統(tǒng)的煙氣污染物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的不確定度進(jìn)行研究與評(píng)定。

圖1 煙氣凈化系統(tǒng)工藝流程及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位Fig.1 Flue gas purification system process and monitoring points

CEMS由稀釋采樣系統(tǒng)、氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、顆粒物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、煙氣參數(shù)測(cè)量子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集控制傳輸系統(tǒng)等組成。

稀釋采樣系統(tǒng)為煙道外稀釋系統(tǒng)，采樣頭伴熱(150～160 ℃)從煙道抽取煙氣，用經(jīng)過除水及預(yù)處理系統(tǒng)凈化后的潔凈空氣以1:100比例稀釋后，送入CEMS煙氣分析儀。因煙氣溫度遠(yuǎn)高于露點(diǎn)溫度，稀釋后的煙氣送入分析儀管線不需伴熱。進(jìn)入CEMS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)小屋煙氣分析儀的煙氣溫度要低于30～50 ℃。

CEMS中煙氣分析儀采用MCA10多組分煙氣分析儀，測(cè)量原理為高溫紅外法。最低檢測(cè)限如下：0.5 mg/Nm3(SO2),1 mg/Nm3(NOx),分辨率為0.01 mg/m3。

在線監(jiān)測(cè)CEMS系統(tǒng)安裝在總排口C(煙囪)處，已完成168 h的調(diào)試，投入正常運(yùn)行工作。日常運(yùn)行維護(hù)工作每周進(jìn)行一次，零點(diǎn)漂移、量程漂移間隔為24 h，連續(xù)標(biāo)定3天。標(biāo)定過程所使用標(biāo)準(zhǔn)氣體均為國(guó)家二級(jí)物質(zhì)，其濃度值相對(duì)擴(kuò)展不確定度為2.0%。

3 煙氣污染物不確定度影響因素分析

3.1 煙氣污染物的不確定度來源

不確定度分為A和B兩大類。A類不確定度即測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度由貝塞爾公式計(jì)算得到；B類不確定度主要依據(jù)儀器的設(shè)備參數(shù)和校準(zhǔn)銘牌得到，但由于CEMS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)煙氣是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，不同的影響因素也會(huì)隨著測(cè)量過程工況變化而不斷變化。因此需要在系統(tǒng)運(yùn)行過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析，從而對(duì)污染物的不確定度的影響因素有更精確的反饋。煙氣污染物的不確定度來源可見圖2。

圖2 煙氣污染物不確定度來源Fig.2 Source of uncertainty for flue gas pollutants

由圖2可知，零點(diǎn)漂移、量程漂移和示值誤差引入的不確定度主要由CEMS儀器特性決定[6～8]；測(cè)量誤差引入的不確定度主要由參比法決定；標(biāo)準(zhǔn)氣體組分濃度引入的不確定度主要由標(biāo)定過程使用的標(biāo)準(zhǔn)氣體決定；測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度由實(shí)際煙氣連續(xù)多次測(cè)量引入。由原理可知，電壓波動(dòng)、溫度變化、過量空氣系數(shù)等因素亦會(huì)引入不確定度組分，由于CEMS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)煙氣過程十分穩(wěn)定，上述因素對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響相對(duì)較小，因此在此次監(jiān)測(cè)過程中忽略其引入的不確定度。

3.2 測(cè)定結(jié)果的數(shù)學(xué)模型

測(cè)定煙氣污染物濃度，由CEMS系統(tǒng)示數(shù)直接讀出。其數(shù)學(xué)模型為：

c=x

(1)

式中：x為儀器顯示總排口煙氣污染物濃度，mg/m3；c為總排口實(shí)測(cè)煙氣污染物濃度，mg/m3，實(shí)際煙氣濃度為標(biāo)準(zhǔn)干煙氣濃度。

在上述模型中，儀器設(shè)備的零點(diǎn)漂移、量程漂移、示值誤差、測(cè)量誤差和標(biāo)準(zhǔn)氣體組分濃度互相獨(dú)立，沒有相關(guān)性[9，10]，故相關(guān)系數(shù)為0，靈敏系數(shù)對(duì)各組分都為1。由不確定度的計(jì)算方法可得合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度公式為：

(2)

3.3 煙氣污染物不確定度影響因素分析

3.3.1 CEMS零點(diǎn)漂移、量程漂移分析

將SO2零氣(經(jīng)過濾不含顆粒物的待測(cè)氣體的清潔干空氣或高純氮?dú)?通入SO2氣體分析儀，將儀器校準(zhǔn)調(diào)零，并記錄穩(wěn)定讀數(shù)Z0。待儀器運(yùn)行24小時(shí)后通入零氣，分析儀調(diào)零并記錄穩(wěn)定讀數(shù)Zn。上述操作持續(xù)3天，根據(jù)式(3)計(jì)算零點(diǎn)漂移誤差ΔZ。

ΔZ=Zn-Z0

(3)

式中：ΔZ為待測(cè)分析儀運(yùn)行24 h后零點(diǎn)變化值，即零點(diǎn)漂移誤差,mg/m3；Zn為待測(cè)分析儀運(yùn)行24 h后通入零點(diǎn)氣體的測(cè)量值,mg/m3；Z0為待測(cè)分析儀通入零點(diǎn)氣體的初始測(cè)量值,mg/m3。

計(jì)算量程漂移是將高濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體(滿量程的80%～100%)通入儀器，將儀器校準(zhǔn)到該氣體濃度值L0，運(yùn)行24小時(shí)后再通入該標(biāo)準(zhǔn)氣體，記錄穩(wěn)定讀數(shù)Ln，該操作持續(xù)3天，根據(jù)式(4)計(jì)算量程漂移誤差ΔL。

ΔL=Ln-L0

(4)

式中：ΔL為待測(cè)分析儀運(yùn)行24 h后量程變化值，即量程漂移誤差,mg/m3；Ln為待測(cè)分析儀運(yùn)行24 h后通入量程校準(zhǔn)氣體的測(cè)量值,mg/m3；L0為待測(cè)分析儀通入量程校準(zhǔn)氣體的初始測(cè)量值,mg/m3。

系統(tǒng)零點(diǎn)、量程漂移誤差計(jì)算結(jié)果如表1所示。表2、表3中NO、NO2零點(diǎn)、量程漂移誤差檢測(cè)方法與SO2一致。

表1 SO2分析儀零點(diǎn)、量程漂移檢測(cè)

表2 NO分析儀零點(diǎn)、量程漂移檢測(cè)

表3 NO2 分析儀零點(diǎn)、量程漂移檢測(cè)

3.3.2 CEMS示值誤差分析

系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，進(jìn)行零點(diǎn)、量程校準(zhǔn)。待儀器校準(zhǔn)后，依次通入低、中、高3種濃度的SO2標(biāo)準(zhǔn)氣體，濃度值穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)，重復(fù)操作3次取平均值，按照式(5)計(jì)算出分析儀示值誤差的值。

(5)

系統(tǒng)示值誤差計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 SO2 分析儀示值誤差檢測(cè)Tab.4 Indication error detection of SO2 analyzer mg·m-3

表5、表6中NO、NO2濃度的示值誤差檢測(cè)方法與SO2一致。

表5 NO分析儀示值誤差檢測(cè)Tab.5 Indication error detection of NO analyzer mg·m-3

表6 NO2 分析儀示值誤差檢測(cè)Tab.6 Indication error detection of NO2 analyzer mg·m-3

3.3.3 CEMS測(cè)量誤差分析

本文使用參比法[11]評(píng)估CEMS測(cè)量誤差，采用高溫傅里葉移動(dòng)式紅外煙氣分析儀(MCS100ft)測(cè)量排放煙氣中污染物濃度，其采樣孔位于CEMS監(jiān)測(cè)點(diǎn)位同一斷面的下游位置，保證二者處于同一條件下(溫度、壓力、濕度)[12]。

系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，待零點(diǎn)、量程校準(zhǔn)后，將高溫傅里葉移動(dòng)式紅外煙氣分析儀與待測(cè)CEMS同時(shí)測(cè)量SO2的濃度，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)每5分鐘記錄一次平均值；將分析儀和CEMS每5分鐘測(cè)量的數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)對(duì)。系統(tǒng)的測(cè)量誤差可根據(jù)式(6)、式(7)得出。

(6)

(7)

式中：n為測(cè)量次數(shù)；Sd為數(shù)據(jù)對(duì)差的標(biāo)準(zhǔn)偏差，mg/m3；f=n-1;tf,0.95可查得，當(dāng)f=8時(shí)，查得其值為2.306。

系統(tǒng)的測(cè)量誤差計(jì)算結(jié)果如表7所示。測(cè)得參比法測(cè)量SO2濃度時(shí)測(cè)量誤差為1.36 mg/m3。

表7 SO2測(cè)量誤差檢測(cè)

表8、表9中NO、NO2濃度的測(cè)量誤差檢測(cè)方法與SO2一致。

表8 NO測(cè)量誤差檢測(cè)

表9 NO2測(cè)量誤差檢測(cè)

4 CEMS測(cè)量煙氣污染物標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

4.1 零點(diǎn)、量程漂移引入的不確定度分量

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，SO2煙氣分析儀的零點(diǎn)、量程漂移誤差為0.11 mg/m3和0.70 mg/m3。根據(jù)評(píng)定方法[13]：

(8)

式中：α為各類影響因素的實(shí)測(cè)誤差值；k為包含因子。

NO零點(diǎn)漂移、量程漂移引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為0.10 mg/m3、0.75 mg/m3；NO2零點(diǎn)漂移、量程漂移引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為0.01 mg/m3、0.12 mg/m3。

4.2 示值誤差引入的不確定度分量

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，SO2煙氣分析儀的示值誤差絕對(duì)值最大值為0.38 mg/m3。按照均勻分布評(píng)定，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

NO、NO2分析儀的示值誤差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.64 mg/m3、0.12 mg/m3。

4.3 測(cè)量誤差引入的不確定度分量

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，SO2煙氣分析儀的測(cè)量誤差為1.36 mg/m3。按照均勻分布評(píng)定，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

測(cè)量NO、NO2濃度引入的測(cè)量誤差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為1.14 mg/m3、0.13 mg/m3。

4.4 標(biāo)準(zhǔn)氣體組分濃度引入的不確定度分量

標(biāo)定過程中使用的SO2、NO、NO2標(biāo)準(zhǔn)氣體按國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，濃度值相對(duì)擴(kuò)展不確定度為2.00%，包含因子k=2。檢測(cè)過程所使用的SO2低濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度為16.8 mg/m3，中濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度為34.1 mg/m3，高濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度為67.3 mg/m3。選取其中引入不確定度最大的一個(gè)作為標(biāo)準(zhǔn)氣體組分濃度引入的不確定度[14]。因此，SO2標(biāo)準(zhǔn)氣體組分濃度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

NO和NO2標(biāo)準(zhǔn)氣體組分濃度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.88 mg/m3和 0.10 mg/m3。

4.5 測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量

測(cè)量重復(fù)性是由于連續(xù)多次測(cè)量實(shí)際煙氣引入的。表10為短時(shí)間內(nèi)連續(xù)多次測(cè)量煙氣實(shí)際濃度的值。

表10 煙氣測(cè)量濃度值Tab.10 Flue gas measurement concentration mg·m-3

根據(jù)貝塞爾公式[15],計(jì)算得測(cè)量重復(fù)性引入的SO2、NO和NO2的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.12 mg/m3、0.07 mg/m3和0.09 mg/m3。

5 結(jié)果與討論

根據(jù)熱電廠數(shù)據(jù)的測(cè)量、分析和計(jì)算，得到煙氣污染物各組分的不確定度。將各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定結(jié)果匯總于表11。

表11 煙氣污染物不確定度分量匯總Tab.11 Summary of uncertainty components of flue gas pollutants mg·m-3

根據(jù)上述分量結(jié)合式(2)可得SO2、NO、NO2的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為1.14 mg/m3、1.75 mg/m3、0.25 mg/m3。取置信概率為95%，包含因子為k=2，則擴(kuò)展不確定度為：

U=k×uc

(9)

根據(jù)式(9)可得SO2、NO、NO2的擴(kuò)展不確定度分別為2.28 mg/m3、3.50 mg/m3、0.50 mg/m3。

影響CEMS測(cè)量煙氣污染物時(shí)的不確定度分量中，測(cè)量誤差對(duì)其不確定度的影響最大。測(cè)量誤差由參比方法計(jì)算得出，參比法使用的高溫傅里葉移動(dòng)式紅外煙氣分析儀是將煙氣直接抽取輸送至分析儀進(jìn)行分析檢測(cè)，屬于直接抽取式；該電廠安裝的CEMS測(cè)量煙氣為稀釋抽取法，對(duì)煙氣采樣方式不同，致使監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)存在偏差，引入的不確定度分量較大。

6 結(jié) 論

(1) 分析了某熱電廠影響CEMS系統(tǒng)測(cè)量煙氣污染物不確定度來源，計(jì)算了零點(diǎn)漂移、量程漂移、示值誤差、測(cè)量誤差、標(biāo)準(zhǔn)氣體組分濃度和測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量。由于參比法與CEMS對(duì)煙氣監(jiān)測(cè)的采樣方式不同，使測(cè)量誤差引入的不確定度分量最大。

(2) 在包含因子k=2，置信概率為95%時(shí)，SO2、NO、NO2的擴(kuò)展不確定度分別為2.28 mg/m3、3.50 mg/m3、0.50 mg/m3。