概述
根据最新的火电厂环保排放标准，提高了烟气排放标准，并且取消了烟气脱硫系统的旁路，使得烟气脱硫系统成为火电厂烟气排放的唯一通道。烟气连续监测仪表CEMS 能否正常运行关系到烟气脱硫系统的运行以及环保部门对电厂尾气排放总量的控制指标。本文将着重介绍燃煤电厂超低排放湿法烟气脱硫的烟气连续监测仪表CEMS。
图1 环保CEMS烟气监测系统
烟气连续监测CEMS系统由颗粒物监测单元和气态污染物监测单元、烟气参数监测单元、数据采集与处理单元组成。CEMS系统测量烟气中烟尘浓度、气态污染物度，烟气参数（温度、压力、流速或流量、湿度、含氧量或二氧化碳浓度等），同时计算烟气中污染物排放量，通过CEMS 数据采集系统显示和打印各种参数、图表，并通过数据、图文等方式传输至管理部门。
燃煤电厂超低排放湿法烟气脱硫系统CEMS 系统包括脱硫装置入口和出口，脱硫装置入口一般监测SO2、O2、温度、压力、流量、烟尘等；脱硫装置出口监测烟气SO2、O2、NOx、温度、压力、流量、烟尘、湿度等。
采样及分析方法
烟气采样方法有直接抽取法、稀释抽取法和直接测量法。目前CEMS 系统多采取直接抽取法。
SO2 分析常用的分析方法有：非分散红外吸收法、紫外吸收法、稀释紫外荧光法、电导法、恒电位电解法等。非分散红外吸收法是以对非分散性IR 辐射的吸收为基础的。测量相关波段红外线的衰减幅度即可测量相应气体的浓度。紫外吸收法通过SO2 对紫外特征光谱的吸收原理进行测定。稀释紫外荧光法是采取稀释抽取+ 紫外荧光法。
氮氧化物NOx 的分析方法主要有：非分散性红外吸收法（NDIR 法）、恒电位电解法和稀释- 化学发光法等。非分散性红外吸收法用选择性监测器测定NO，利用5.3μm 波长的红外线吸收量的变化量，求出NO 浓度。对于NO2，则要用还原式变换器还原成NO 在测定。紫外吸收法是以光电变换形式测定NO 或NO2 对紫外线吸收量的变化量，求出NO 或NO2 浓度。非分光红吸收收法缺点是灵敏度较底，但其适用于NO 较高浓度检测，但是若需要测量NO2 时要增加钼转化器。紫外吸收法可以同时分别检测NO 和NO2，从而得到NO2 总量。
检测O2 大多采用电化学氧化锆法或热磁法测量烟气中O2，也有采用电化学原电池法测量O2，氧化锆法分为直插式和抽出式，直插式是氧化锆探头直接插入烟道，测量的是湿烟气中的湿氧，抽出式通常是在烟气干燥、净化后进行干氧测量，也可以交替测量湿烟气中的湿氧。氧气传感器是根据一个燃料池的工作原理来工作的。氧气在阴极与电解液的分界面被转换成电流，并且所产生的电流与氧气的浓度成正比。
选型及测量
CEMS系统气态污染物的测试量程应设置双量程或多量程，低量程范围一般在相应污染物排放限值的1.5～2倍，高量程范围一般为原烟气的1.5～2倍，污染源正常排放时使用低量程，污染物排放浓度超过低量程上限值时仪器自动切换成高量程。
图2 CEMS固定污染源排放烟气连续监测及测量
单从CEMS系统选型来说，可以选用离散式单组分分析仪，也可以选用多组分分析仪（最多可以选用四组分分析仪）或者模块化多组分分析仪。考虑到CEMS的成本等因素，目前国内电厂的主流选型一般是选用多组分分析仪。多组分分析仪的优点是，当系统出现故障时，只需处理单台分析仪，而不需要应对多台不同的分析仪，也不需要准备多套备品备件。缺点是一旦这台分析仪故障，所有组分的分析将中止，会导致整套CEMS 不可用。
对于烟尘测量，目前采取的方法是抽取法，它从排放的烟气中抽取一定量的气尘浓度。其产生的测量信号强弱取决于排放烟气中的粉尘浓度。散射光信号，散射的信号强度与烟尘浓度成正比，因此可以计算出烟道中的粉尘浓度。经过持续加热以及空气稀释后，在测量池内通过光学原理（前散射）测量粉前散射测量原理：发射光源穿过烟道，照射烟尘粒子，被照射的烟尘粒子将散射光信号，散射的信号强度与烟尘浓度成正比，因此可以计算出烟道中的粉尘浓度。目前基本采用的是进口品牌。
需要安装在烟道变径处，有的在烟道拐弯处，流量测量准确度不理想。根据环保部相关文件：对普遍存在的烟气流速（流量）测量不准等问题应按技术规范要求调整采样点位，不具备调整条件的，换装矩阵式流速仪等新型设备。目前在电厂的改造工程中，有一部分电厂已经在采用矩阵式流量计测量烟气流量。矩阵式流速仪是基于类孔板原理，测量装置直接安装在烟道上，烟气流量测量探头插入烟道，一般布置在距离烟道顶部500mm 以下和烟道底部500mm 以上区域。当烟气在烟道内部流动时，迎风面的取压管压力较高，其压力成为动压，背风侧的取压管由于不受气流冲击，其管内的压力相对较小，成为静压，动压和静压之差成为差压。差压的大小与烟气流速有关，烟气流速越块，差压值越大；反之，烟气流速越慢，差压值越小。根据差压值和流速有对应的函数关系，通过测量差压值准确地测量烟气流量。由于烟道截面面积比较大，烟道直管段较短，单个测点无法准确测量出烟气流量。故采取在烟道截面上布置多个测点的测量方式。目前，在30 万机组和60 万机组的烟气脱硫过程中，根据烟道的大小，一般布置32个测点、48 个测点或者64 个测点。这些测点一般采取分组测量差压值，把测点的正压侧相连在一起，负压侧的测点连在一起，采用差压变送器测得烟气流量。
CEMS系统应在就地设置CEMS 小屋，小屋面积不小于3*3平方米，高度不小于3米。内应有空调和冬季采暖设备，室内温度应保持在（10～30）℃，湿度应≤60%，空调应具有来电自动重启功能，站房内应安装排风扇。CEMS系统仪器设备的工作电源应有良好的接地措施，接地电缆应采用大于4平方毫米的独芯护套电缆，接地电阻小于4欧姆，且不能和避雷接地线共用。