CEMS系統(tǒng)在安岳天然氣凈化有限公司的應(yīng)用

周 洪，張曉云

(1.中石油安岳天然氣凈化有限公司，四川 安岳 642350；2.中石油天然氣凈化總廠，重慶 400020)

CEMS系統(tǒng)是對排放煙氣中氣態(tài)污染物和顆粒物能進行排放總量和濃度連續(xù)監(jiān)測并將數(shù)據(jù)實時傳輸至管理部門的裝置，也是環(huán)保排放監(jiān)測和工藝過程檢測的重要設(shè)備[1]。為實時監(jiān)控天然氣凈化裝置排放尾氣的各項指標，安岳天然氣凈化有限公司在凈化工藝設(shè)備上安裝了6套CEMS系統(tǒng)，分別是：一、二列天然氣凈化裝置的后端尾氣處理裝置及A/B/C/D 4個鍋爐各一套，用于監(jiān)測連續(xù)排放的廢氣指標。該監(jiān)測系統(tǒng)為SCS-900UV型，可測量SO2、NO、NO2、O2、流速、溫度、壓力等參數(shù)。

1 CEMS系統(tǒng)組成

安岳天然氣凈化有限公司使用的CEMS系統(tǒng)主要由氣態(tài)污染物SO2和NOX監(jiān)測子系統(tǒng)、煙氣參數(shù)(溫度、壓力、流速)監(jiān)測子系統(tǒng)、固體顆粒物監(jiān)測子系統(tǒng)及控制單元組成(圖1)。系統(tǒng)測量煙氣中氣態(tài)污染物SO2、NOX濃度、煙氣的溫度、壓力、流速或流量、濕度、含氧量等，同時計算煙氣中污染物排放速率和排放量，顯示和記錄各種數(shù)據(jù)和參數(shù)，形成相關(guān)圖表，并通過數(shù)據(jù)、圖文等方式傳輸至管理部門[2]。該系統(tǒng)主要包括樣品采集和傳輸裝置、預(yù)處理設(shè)備、分析儀器、數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備以及其他輔助設(shè)備等。樣品采集和傳輸裝置主要包括采樣探頭、傳輸管線、流量控制設(shè)備和采樣泵等，采樣探頭是一種能自行加熱并實施溫控的采樣裝置，該裝置與樣品氣接觸的部分全部采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼材料加工制成，高溫條件下抗腐蝕性能力強；預(yù)處理設(shè)備主要包括樣品過濾設(shè)備和除濕冷凝設(shè)備、NOX轉(zhuǎn)換器等，為防止顆粒物污染物分析儀，在氣體樣品進入分析儀之前設(shè)置精細過濾器，過濾器能過濾(0.5μm～2 μm)粒徑以上的顆粒物，除濕冷凝器由冷槍和排水蠕動泵組成，自動收集和排放冷凝液，設(shè)定溫度為2℃，NOX轉(zhuǎn)換器將多種NOX轉(zhuǎn)換為NO，進入MODEL 1080-UV紫外差分分析儀進行測量；分析儀器用于對采集的污染源煙氣樣品進行測量分析；數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備用于采集、處理、存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)，并能按中心計算機指令傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)和設(shè)備工作狀態(tài)信息，具備數(shù)字信號和模擬信號雙輸出功能；輔助設(shè)備主要包括尾氣排放裝置、反吹凈化及其控制裝置、稀釋零空氣預(yù)處理以及冷凝液排放裝置等。

2 CEMS系統(tǒng)工作原理及特點

2.1 CEMS系統(tǒng)工作原理

2.1.1 氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)。安岳天然氣凈化有限公司使用的CEMS系統(tǒng)氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)采用直接抽取法進行測量。其中SO2、NOX濃度分析采用紫外吸收光譜分析原理，以物質(zhì)對紫外光譜的吸收為基礎(chǔ)，測量相關(guān)波段紫外光強度的衰減幅度進而計算相應(yīng)氣體的濃度。樣氣經(jīng)過浮子流量計流入分析儀氣體池，紫外光源發(fā)出的紫外光經(jīng)準直透鏡準之后進入氣體池，經(jīng)樣氣吸收后的紫外光通過聚焦透鏡聚焦后耦合進光纖并傳輸?shù)焦庾V儀中，經(jīng)過光柵對(200 nm～350 nm)之間的紫外光進行分光、電荷耦合元件(CCD)接收光信號進行光電轉(zhuǎn)換，得到待測氣體的紫外吸收光譜，然后由軟件算法反演計算出待測氣體的濃度值。SO2、NOX測量范圍均為0～1 000mg/m3；氧含量分析采用電化學(xué)法原理：根據(jù)燃料池工作時，氧氣在陰極與電解液的分界面被轉(zhuǎn)換成電流，并且所產(chǎn)生的電流與氧氣的濃度成正比，O2測量范圍為0～25%。

2.1.2 煙氣參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)。煙氣參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)采用差壓原理的皮托管流量計，測量儀表主要有：鉑電阻溫度變送器、壓力變送器、皮托管流速計。鉑電阻溫度變送器由鉑電阻插入煙道中測量煙氣溫度變化，電阻值由轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號(4 mA～20 mA)傳送給SCS-900 UV型在線煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的電腦和DCS系統(tǒng)中控顯示。西門子壓力變送器是將取壓管插入煙道中測量煙氣的壓力變化，壓力值由轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號(4 mA～20 mA)傳送給SCS-900 UV型在線煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的電腦和DCS系統(tǒng)中控顯示。皮托管流速計探頭插入煙道中，使全壓和背壓探頭中心軸線處于過流斷面中心且與流線方向一致，全壓探頭測孔正面應(yīng)對來流，檢測流體總壓，并將其傳遞給差壓變送器；同時背壓探頭測孔拾取節(jié)流靜壓也將其傳遞給變送器，變送器讀取總靜壓差值并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號(4 mA～20 mA)傳送給SCS-900UV型在線煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的電腦和DCS系統(tǒng)中控顯示。煙氣參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)的流速測量范圍為2 m/s～40 m/s，溫度測量范圍為0～300℃，壓力測量范圍為(-10 kPa～+10 kPa)。

2.1.3 固體顆粒物監(jiān)測子系統(tǒng)。煙氣中固體顆粒物監(jiān)測子系統(tǒng)使用射流泵從煙道中抽取一定體積煙氣，作為樣氣在加熱腔中被加熱到140℃，使水滴和氣霧蒸發(fā)，隨后樣氣進入測量室，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)測量單元的測量信號等參數(shù)計算顆粒物濃度。測量尾氣通過回流法蘭流回?zé)煹乐?，射流泵通過風(fēng)機進行驅(qū)動，同時風(fēng)機把一定流量的空氣吹入測量單元，保護其光學(xué)鏡片。對安岳凈化公司這種低顆粒濃度煙氣的監(jiān)測，測量單元采用光學(xué)前散射。

2.1.4 數(shù)據(jù)采集、處理和控制子系統(tǒng)。安岳凈化公司的CEMS控制子系統(tǒng)PAS-DAS軟件是SDL公司根據(jù)國家環(huán)保標準，并針對SDL的CEMS系統(tǒng)硬件開發(fā)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可實時顯示煙氣監(jiān)測系統(tǒng)的各項污染物參數(shù)的數(shù)值和整套系統(tǒng)的運行狀況。整個系統(tǒng)由傳感器單元、控制裝置(PLC)、現(xiàn)場主控站組成。傳感器單元監(jiān)測的數(shù)據(jù)信號和采集的樣氣通過通信線路和采樣管線傳輸至測控單元，測控單元將獲得的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號同樣氣分析結(jié)果一起保存至PLC中。PAS-DAS系統(tǒng)通過通信線路獲取PLC中的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)信號，通過計算和統(tǒng)計后顯示在用戶界面上同時保存至數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)傳輸分為兩路，一路以4 mA～20 mA標準信號送至DCS，另一路以485通信的方式送至DCS，雙路輸出保證了中控操作人員的實時監(jiān)控，便于工藝人員對尾氣處理裝置的及時調(diào)整。

2.2 SCS-900UV型CEMS系統(tǒng)特點

安岳天然氣凈化有限公司安裝的SCS-900UV型煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)相對其他天然氣凈化廠在用CEMS的特點如下：①樣氣入冷凝器前裝有溫度變送器，可監(jiān)測樣氣溫度；②樣氣入冷凝器前裝有煙氣濕度傳感器，排放流量測算更加準確；③系統(tǒng)具備完整的全流程校準功能，可測試出采樣系統(tǒng)管路有無堵塞、輕微泄漏、管路材質(zhì)是否有吸附、煙氣含水量是否吸收樣氣中的SO2；④建有專用防爆分析小屋，屋內(nèi)配有空調(diào)，有效穩(wěn)定設(shè)備工作環(huán)境溫度；⑤配有專用的人工參比取樣孔，避免參比取樣孔在插入皮托管后采用毛巾進行封堵，煙囪為負壓，容易吸入空氣，導(dǎo)致比對的O2偏高，氣態(tài)污染物測量值偏低，導(dǎo)致校驗不合格問題。

3 CEMS監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用中出現(xiàn)的問題及解決方法

安岳天然氣凈化有限公司現(xiàn)場安裝的SCS-900UV型CEMS系統(tǒng)投用兩年多，運行良好，但也出現(xiàn)過如下問題。

3.1 CEMS系統(tǒng)測量SO2值偏低

CEMS系統(tǒng)在運行中出現(xiàn)一列裝置尾氣CEMS測量SO2值偏低，經(jīng)現(xiàn)場檢查分析發(fā)現(xiàn)：監(jiān)測探頭電伴熱接線虛接，無220 VAC，電伴熱停后，樣氣溫度低，導(dǎo)致濾芯及管路大量含水，樣氣中的SO2溶于水中，SO2測量值偏低。因此，采用儀表風(fēng)吹濾芯，使得濾孔透氣良好；同時搭接好電伴熱線后恢復(fù)至220VAC，探頭電伴熱溫度逐漸升至140℃，恢復(fù)取樣，濾芯干燥，樣氣含水少，SO2測量值恢復(fù)正常。

3.2 CEMS系統(tǒng)測量O2值異常

尾氣處理裝置正常運行時，曾出現(xiàn)CEMS系統(tǒng)監(jiān)測O2含量為21%。經(jīng)現(xiàn)場查看各管路、蠕動泵、取樣探頭、冷凝器，發(fā)現(xiàn)冷凝器的冷槍旁及冷凝器下有大量的藍色冷凝液，拆出冷槍，冷槍玻璃杯體裂，冷槍接頭破裂，導(dǎo)致取樣管直接與大氣相通，氧分析值為大氣中的氧含量。更換冷槍后，測量O2含量恢復(fù)正常。

3.3 CEMS系統(tǒng)監(jiān)測尾氣流速嚴重偏高

尾氣處理裝置正常運行時，其中一列裝置CEMS系統(tǒng)監(jiān)測尾氣流速嚴重偏高，從日常的4 m/s突然升高至28 m/s。經(jīng)現(xiàn)場檢查反吹三通電磁閥，發(fā)現(xiàn)正壓側(cè)電磁閥內(nèi)漏儀表風(fēng)關(guān)閉不嚴，導(dǎo)致變送器測量的是儀表風(fēng)與皮托管負壓側(cè)之間的壓差，而儀表風(fēng)壓力遠大于尾氣的壓力，所以流速會嚴重偏高，因此，更換三通電磁閥后尾氣流速恢復(fù)正常。

3.4 CEMS系統(tǒng)測量SO2和NOx值為零

CEMS系統(tǒng)在運行中出現(xiàn)一列裝置尾氣CEMS測量SO2和NOX值均為零。現(xiàn)場檢查轉(zhuǎn)子流量計流量為0，拆開取樣管未見有樣氣抽入，而抽氣取樣泵工作正常；取出取樣探頭，發(fā)現(xiàn)探頭濾芯上附著雜質(zhì)顆粒，堵塞了探頭濾芯，沒有樣氣流入測量室，從而使分析儀測量數(shù)據(jù)為0。用儀表風(fēng)反復(fù)吹掃濾芯，使其干凈(堵塞嚴重的直接更換濾芯)，濾芯通暢后，取樣正常，測量值恢復(fù)正常。

3.5 IIA鍋爐CEMS分析儀的轉(zhuǎn)子流量計卡在頂部，無法調(diào)樣氣流量

A臺鍋爐CEMS運行中出現(xiàn)分析儀的轉(zhuǎn)子流量計卡在頂部，無法調(diào)樣氣流量。經(jīng)檢查分析發(fā)現(xiàn)NOX轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)化劑漏出后滲入MODEL 1080-UV分析儀轉(zhuǎn)子流量計，轉(zhuǎn)子上附著過多的轉(zhuǎn)化劑后卡死在流量計頂端，導(dǎo)致無法調(diào)節(jié)樣氣流量。因此，拆開MODEL 1080-UV紫外差分分析儀，取出轉(zhuǎn)子流量計，用儀表風(fēng)吹掃轉(zhuǎn)子流量計、分析儀管路、測量池。同時，在NOX轉(zhuǎn)換器出口與MODEL 1080-UV分析儀入口之間加裝膜式粉塵過濾器，防止NOX轉(zhuǎn)換器中的轉(zhuǎn)化劑滲入MODEL 1080-UV分析儀卡死轉(zhuǎn)子。

4 結(jié)束語

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)是凈化廠煙氣排放監(jiān)測的重要裝置，針對安岳天然氣凈化有限公司安裝的SCS-900UV型煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題進行了原因分析，并提出解決措施，為系統(tǒng)運行維護積累了經(jīng)驗，也提高了在線監(jiān)測系統(tǒng)的準確性和穩(wěn)定性。