燃氣輪機CEMS系統概述

　　望亭發電廠兩臺燃機的煙氣排放連續監測系統（CEMS）由2013年底竣工投用以來，經過一年多的連續運行，系統性能穩定，各項監測數據正常，現將兩臺燃機的CEMS系統概述如下： 
　　一、系統簡介 
　　望亭發電廠兩臺燃機的CEMS系統是采用南京國電環保科技有限公司研制生產的SPEP-2000型煙氣排放連續監測系統，對燃機排放煙氣進行連續、實時的跟蹤監測。 
　　1、系統組成.（1）煙塵監測子系統；（2）氣態污染物監測子系統；（3）煙氣排放參數監測子系統；（4）系統控制及數據采集處理子系統 
　　2、系統特點.（1）功能豐富，具有手/自動取樣、吹掃、校準、故障自診斷和報警等功能（2）系統控制柜模塊化設計，操作簡便，維護方便；（3）日常維護少，可長期無人值守；（4）采用直接抽取采樣法連續監測氣態污染物濃度；（5）采用M&C采樣探頭技術，過濾面積大，濾芯更換方便；（6）采用PLC設計，系統的穩定性、可靠性高；（7）氣態污染物的監測采用德國西門子分析儀器；（8）DAS數據采集系統功能齊全，操作直觀簡便；（9）多種數據輸出方式，支持網絡擴建，支持系統擴展；（10）可方便的與環保單位聯網，實現數據遠/上傳 
　　3、主要功能.（1）連續監測排放煙氣中的煙塵濃度，SO2、NO、CO、CO2，煙氣溫度，煙氣壓力、煙氣流速、氧量、煙氣濕度（2）數據采集系統（DAS）對系統進行監控，對監測數據儲存、處理和管理 
　　二、系統結構 
　　SPEP-2000型煙氣排放連續監測系統由煙塵監測子系統、氣態污染物監測子系統、煙氣排放參數監測子系統、控制及數據采集處理子系統組成。 
　　三、工作原理 
　　SPEP-2000型煙氣排放連續監測系統的氣態污染物監測采用直接抽取法：樣氣經過采樣探頭的加熱保溫與2u的過濾除去顆粒物，再經加熱管線的加熱保溫，到預處理單元處理迅速除水后輸送到分析設備中，連續檢測出煙氣中的二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳濃度，分析儀器再將相應的測量參數的干基信號以4―20mA的形式送到控制柜的PLC；煙塵濃度及煙氣排放參數監測是將一次表安裝在現場，現場信號以4―20mA的信號送到控制柜的PLC，進行模數轉換，再以通訊的方式與DAS系統進行連接，由DAS系統進行數據處理。數據的上傳方式是通過PLC輸出信號到燃機DCS控制系統，再通過MIS網上傳到集團公司。以下分別介紹煙塵監測子系統、氣態污染物監測子系統、煙氣排放參數監測子系統和系統控制及數據采集處理子系統的工作原理。 
　　1、煙塵監測子系統.煙塵監測子系統采用的是國電環保SPEP-2000D型煙塵儀，該煙塵儀基于煙塵粒子的背向散射原理，用于對固定污染源顆粒污染物進行在線連續測量。（1）技術特點.1）采用激光背散射原理，不怕煙道的機械振動及煙氣溫度不均造成的折射率不均造成的光束擺動2）單端安裝，無需光路對中3）儀器設計貫徹“無工具”現場安裝思路，最大限度的降低場安裝的復雜度，儀器及防雨系統的安裝僅電器連接需要一支螺絲刀，不必帶連接螺栓、螺母，10分鐘內即可完成安裝，最大限度的減少由于現場安裝調試帶來的諸多問題4）采用4―20mA工業標準電流輸出，連接方便，整體功耗很小，約5瓦左右 
　　（2）系統原理及構成.光學部分包括激光光源及功率控制、光電傳感、散射光接收部分。激光器發出的650nm束以一個微小的角度射入排放源，激光束與煙塵粒子作用產生散射光，背向散射光通過接受系統進入傳感器轉變成電信號進行處理。電路部分實現光電轉換、激光束的調制、信號放大、解調、光源的功率控制、V/I轉換功能。標準器用于產生一穩定的光信號，對儀器零點及跨度校準。系統原理圖如下圖所示： 
　　2、氣態污染物監測子系統.（1）工作原理.系統采用加熱抽取原理，用國電環保SPEP-2000H型電加熱采樣探頭抽取煙氣，采樣流速≥2L/min，煙氣在進入采樣探頭前經過濾器去除顆粒物，經過加熱、保溫等環節，樣氣被導入到預處理單元除濕，然后送入ULTRAMAT23型氣體分析儀中進行分析，連續檢測出煙氣中的二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳和二氧化碳濃度。因為煙氣中的水分已被除去，所以系統提供的是干煙氣的二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳和二氧化碳濃度。2）系統組成.氣態污染物監測子系統包括：煙氣采樣單元、樣氣預處理單元、分析單元三部分組成。下面介紹各部分的原理及特點：1）煙氣采樣單元.煙氣采樣單元主要由SPEP-2000H電加熱采樣探頭和伴熱采樣管線組成。SPEP-2000H電加熱采樣探頭適用于在高塵、高溫和高濕度的環境中連續抽取氣體，特別適合用于煙道氣在線分析中的采樣。電加熱采樣探頭的獨特設計使得安裝操作極為簡便，并且性能可靠、維護方便，在更換過濾器時不需要使用工具，并且不必拆除采樣管線，避免了雜質滲入到樣氣系統中。特制的加熱器可以對整個過濾腔進行溫度調節，保證溫度不會降至零點以下。伴熱管線由輸氣管、電熱帶、隔熱層、護套四部分組成，可使采樣氣體在輸送過程中恒定在120℃，避免結露而影響測量精度。2）樣氣預處理單元.樣氣預處理單元主要包括冷凝器、精過濾器和空氣凈化系統，冷凝器主要目的是除去煙氣中的水分，通過精過濾器進一步過濾樣氣中微量水粒和微小塵埃后，煙氣被導入ULTRAMAT 23型氣體分析儀中進行分析。冷凝器體積小重量輕，運轉平穩，露點穩定性好，并且冷凝器的制冷功率較大，在熱交換器中，氣體冷卻速度快，減少了二氧化硫等氣體在結露水中的溶解量，提高了測量精確度，減少了結露水對器件的腐蝕。空氣凈化系統包括儀用空氣和減壓過濾器，儀用空氣壓力要求0.4―0.8MPa，出口配置有水分離器、油分離器和壓力表，凈化后的吹掃空氣用于吹掃探頭和樣氣管路。3）分析單元.分析單元采用西門子公司的ULTRAMAT 23型氣體分析儀，該分析儀采用非分散紅外發射吸收原理，依據不同波長其發射衰減程度的不同進行不同濃度氣體的測量。其基本特點是：a）由于可采用環境空氣進行自動標定，所以分析儀實際可做到免維護，且零點和量程都是在線標定b）在規定范圍內每種組分可有兩個量程，所有量程都是線性的，用量程識別功能的自動量程c）自動糾正環境壓力波動d）氣體流量監測，當流量 　　3、煙氣排放參數監測子系統.煙氣排放參數監測子系統包括煙氣流速、煙氣溫度、煙氣壓力、煙氣濕度和煙氣含氧量等輔助參數的實時連續監測。（1）煙氣流速連續監測.煙氣流速采樣裝置為南京國電環保公司研制的SP2000-PTG型皮托管流量計。該流量計是一種利用壓力傳感器、皮托管等測出煙氣的動壓和靜壓，動壓與被測煙氣流速呈一定的比例關系，從而可定量煙氣流速。測量系統由皮托管、差壓變送器和PLC組成。（2）煙氣壓力連續監測.系統采用3051 AP/G型壓力變送器連續監測壓力。變送器即將壓力信號轉換成4―20mA的二線制輸出的電信號。（3）煙氣濕度連續監測.系統采用SPEP-2000M型氧化鋯測量系統，該氧化鋯探頭安裝在CEMS小室的控制柜內，采用氣體流通池加熱保溫到150℃，測氧傳感器加熱到700℃的氧化鋯原理測量煙氣中的濕氧含量。利用測量出的濕氧與干氧（U23分析儀器電化學法測出的干氧）從而計算出煙氣的絕對濕度。（4）煙氣含氧量連續監測.煙氣含氧量采用西門子公司的ULTRAMAT 23型氣體O2（干氧）分析儀來測量。ULTRAMAT 23型氣體O2（干氧）分析儀中的氧氣傳感器依據燃料室原理操作，氧氣在陰極和電解液之間的邊界層被轉化，不同的氧氣濃度相應產生不同的電流，從而測出煙氣中的含氧量。（5）煙氣溫度連續監測.溫度監測采用PT100熱電阻進行測量，再通過WZPB1-23U型轉換器轉換為標準4―20mA電流信號輸出。 
　　4、系統控制及數據采集處理子系統.系統控制及數據采集處理子系統由硬件系統（可編程控制器和工控機）和軟件系統（數據采集系統）組成，可編程控制器PLC是CEMS系統的數據采集控制單元。（1）硬件系統.硬件系統由兩臺互為冗余的工控機為操作站，一個SPEP-2000型煙氣連續監測系統柜為控制站，操作站與控制站間采用RS485通訊口連接。硬件系統具有以下特點：1）自動控制煙氣抽取，對采樣點循環采樣.2）執行分析儀的零點和滿量程校準3）自動執行反吹4）顯示煙氣排放連續監測系統的狀態，包括采樣、處理、分析、報警、等待、校準、反吹、手動或自動狀態以及標準氣體濃度值5）電氣控制單元報警包括采樣探頭溫度報警、加熱管線溫度報警、分析儀故障報警、樣氣濕度報警、冷凝器高溫報警和系統故障等6）與網絡交換系統數據，可提供實時數據的DAS接口，通過激活其控制指令，將實時數據傳輸給數據采集系統（2）軟件系統.軟件以WindowsXP為操作系統，具有如下功能和特點：1）全中文顯示界面，多級畫面，操作直觀簡便2）實時顯示系統狀態和故障監控3）實時顯示系統監測參數，有實時棒圖、實時曲線等多種形式4）具備監測參數實時曲線顯示和歷史曲線顯示畫面5）具備監測參數報表查詢、打印功能6）具備系統參數設置功能7）可根據不同口令，在不同模式下（操作員、系統管理員等）進行切換登錄，確保系統參數安全 
　　四、系統操作說明 
　　1、開停CEMS系統系統供電按照設備類型分別設置斷路器.在開機時將相應的空氣開關（如總電源、電伴熱、配電箱、濁度儀、U23、蠕動泵、冷凝器、PLC、泵閥、風扇、照明等）合上，在達到預熱的時間，系統則可正常工作。 
　　2、系統運行模式.1）系統分為自動和手動兩種運行方式，通過儀表柜操作面板“自動/手動”按鈕進行切換。系統正常應處于自動狀態，手動狀態是在系統檢修維護時采用的方式。2）在自動方式下有三種工作模式：取樣模式、吹掃模式、校驗模式。3）在手動方式下有4種模式：停止模式（所有按鈕均未按下）、取樣模式、吹掃模式、校驗模式（零氣、標氣1、標氣2）。4）操作面板有顯示運行狀態的指示燈：零氣、校驗、手動/自動、取樣、吹掃。這幾個指示燈和相應的按鈕開關是帶燈自鎖按鈕。5）有兩個故障指示燈：系統故障、分析儀故障。 
　　3、數據采集系統（DAS）操作說明.數據采集系統（DAS）實現對整個煙氣連續排放監測系統狀態和參數監控，并對系統進行管理、記錄、報表和打印。它的操作通過鼠標鍵盤在工控機上完成。雙擊工控機桌面上CEMS.EXE圖標，自動加載數據采集系統和應用軟件，進入監控系統主畫面，主要有：系統狀態、報警一覽表、實時棒圖、實時曲線、歷史曲線、系統校驗系數設置、系統數據報表查詢、系統量程設置等功能模塊供運行和維護人員瀏覽、查閱和設置。 
　　五、系統維護及故障處理 
　　1、系統日常維護.SPEP-2000型煙氣排放連續監測系統應做好如下日常維護工作：1）檢查ULTRAMAT 23型氣體分析儀的運行狀態，檢查是否有故障或維護報警指示2）檢查ULTRAMAT 23型氣體分析儀上的流量計指示，應在0.8―2L/min；3）檢查保護過濾器濾芯應干凈，玻璃杯內無水滴；4）檢查蠕動泵轉動排水正常，應能看到水柱由冷凝器排水管進入蠕動泵內排出；5）檢查吹掃氣源供氣壓力在0.4―0.7MPa之間；6）檢查取樣泵應正常運轉無異聲；7）檢查控制柜上有無系統故障與分析儀故障指示；8）檢查冷凝器正常制冷溫度指示應在1―5℃之間；9）檢查加熱管線正常加熱溫度指示應在110―150℃之間。 
　　2、故障處理.一般常見的故障主要有：取樣探頭溫度報警、伴熱管線溫度報警、冷凝器報警、濕度報警、樣氣流量低、精過濾器變色快、PLC與DAS系統通訊故障、溫度不正常、壓力無顯示、U23分析儀維護請求報警、U23分析儀報警，出現“F”等，都可通過查閱SPEP-2000型煙氣排放連續監測系統操作維護手冊，根據不同的報警碼及故障現象找到相對應的故障處理方法進行故障處理。 
　　六、結語 
　　通過加裝煙氣排放連續監測系統，對兩臺燃機煙囪排放煙氣中二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等污染物連續在線監測，并通過SIS進行數據上傳，從而完成兩臺燃機CEMS系統與集團公司的聯網工作。