中石油宁夏石化公司电仪部 750026
摘要：本文对CEMS系统构成做了基本简述，并主要针对宁夏石化公司化肥业务脱硫装置烟气入口二氧化硫、氮氧化物、颗粒物CEMS系统的运行现状进行了综述，在此基础上对CEMS在实际应用中出现的故障进行剖析，简述解决思路和技改措施。
关键词：CEMS；烟气监测；采样探头
CEMS是英文Continuous Emission Monitoring System的缩写，是指对大气污染源排放的气态污染物和颗粒物进行浓度和排放总量连续监测并将信息实时传输到环保部门的装置系统，被称为"烟气在线监控系统"，亦称"烟气排放连续监测系统"。CEMS分别由气态污染物监测子系统、颗粒物监测子系统、烟气参数监测子系统和数据采集处理与通讯子系统组成。气态污染物监测子系统主要用于监测气态污染物SO2、NOx等的浓度和排放总量;颗粒物监测子系统主要用来监测烟尘的浓度和排放总量;烟气参数监测子系统主要用来测量烟气流速、烟气温度、烟气压力、烟气含氧量、烟气湿度等,用于排放总量的积算和相关浓度的折算;数据采集处理与通讯子系统由数据采集器和计算机系统构成,实时采集各项参数。
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图1 CEMS
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图2 预处理系统功能图
燃煤锅炉烟尘连续自动监测系统（CEMS)自2009年在宁夏石化公司首次启用，化肥区域总计安装使用7套。本文主要以1#、2#燃煤锅炉烟气脱硫装置入口CEMS系统为研究对象，该系统为宇星科技发展（深圳）有限公司生产的YX-OCMS-CE系列产品，系统自投用以来，对烟气中NOX、SO2、流速、温度及压力和设备（除尘、脱硫、锅炉燃烧工况）运行状态的监控、故障诊断等起到了关键作用。作为国家级安全环保部门对烟气排放指标数据的上传监测依据，宁夏石化确保完成对大气污染的综合治理目标，CEMS在线监测系统起到了积极的作用。
1、CEMS系统简介
CEMS系统主要运用烟气红外采样、后散射烟尘浓度测量、皮托管烟气流速测量及计算机网络通讯技术，实现了固定污染源污染物排放浓度和排放总量的在线连续监测。它主要由固态颗粒物连续监测子系统、气态污染物连续监测子系统（SO2、NOX）、烟气含氧量、烟气流量、压力、温度，湿度等烟气参数连续监测子系统、数据处理与远程通讯系统组成。
2、气态污染物连续监测系统
系统包括：.取样探头 、恒功率伴热带、反吹控制箱、一、二级过滤器一、二级制冷器 、 排水箱、红外气体分析仪（SO2、NOX、O2等）、PLC控制系统等如图所
3. 烟尘连续监测子系统
3.1 烟尘浓度监测仪
烟尘浓度监测仪（注：见图3）基于激光背散射原理,不怕烟道的机械振动及烟气温度不均造成的折射率不均，从而造成的光束摆动。单端安装,无需对中，采用标准0-20/4-20mA工业标准电流输出,连接方便，仪器整体功耗非常小,大约5w左右，在特殊的要求条件下测量区大小适用范围广。
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图3 烟尘分析仪图4 一体化温压流传感器
3.2 烟气流速、压力温度变送器
YX-VPT一体化温压流传感器（注：见图4）用于烟气温度、压力、流速(流量)等烟气参数的测量。它采用S型毕托管配合压力、差压传感器来测量烟气压力、流速。使用PT100热电阻来测量烟气温度。经过温度压力补偿，使流量测量结果更加精确，达到符合国家相关环境保护标准规定的测量数据。
4.数据处理与远程通讯子系统
4.1 数据采集器
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图5 YX-GIR红外气体分析仪、YX-OCMS-CE污染源排放过程工况监控系统
4.2 手动自动校准工作方式
自动执行每天定时进行零气标定,每周定时对SO2、NOx、O2分析仪进行跨度标定。手动时可操作零标,跨标操作。
4.3 自动清扫: 定时自动清扫流速探头。
4.4 反吹: 吹扫激光测尘仪。
4.5 自动排水: 每天进行自动排水。
4.6 通讯:实时与本地显示屏通讯,实时与上位机通讯,接受上位机各种操作指令,将实时数据与工作状态传送给上位机。
4.7 软件具有友好的窗口式操作界面，可操作性强。
5、脱硫入口CEMS系统运行现状
宁夏石化烟气脱硫装置自2009年建成投运以来，烟气连续监测系统（CEMS)已经过十年时间的服役，设备老旧，监测数据偏差大，系统运行稳定性差，分析仪表维护人员先后更换过分析仪、工控机、制冷器、粉尘仪、采样箱、滤芯、过滤器、温控器、流速变送器、24V稳压电源等备件，且更换备件全部来自化肥、炼油业务其它YX-CEMS系统的维修备件，经常出现无备件更换的状况。
现阶段采样滤芯堵塞频率增加，尝试对自动吹扫控制系统改变吹扫周期、增加吹扫频次、加大吹扫风压力，但效果不佳。即使更换新的采样滤芯，运行两三天时间滤芯堵塞现象还是反复出现，给维护人员带来极大的困扰，也无法给环保部门上传准确有效的数据。2017年4月，宁夏石化公司与聚光科技（杭州）有限公司银川分公司签订了维保合同关系，维保单位经过几个月的维护保运后，对设备进行了评估，先后给宁夏石化公司、自治区环保部门以呈批件形式（注：见图6）致函说明系统存在的问题，要求更新设备，以确保CEMS系统的长效稳定运行。
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图6 维保单位评估件
6、CEMS采样系统滤芯堵塞故障原因分析
CEMS系统采样探头在抽气泵的作用下，被测样气由插入样品管壁内的采样管进入装置的腔体，经粉尘过滤器流向样品气输出口。样品气的温度始终处于较高的状态（温控器最高温控设定值为130℃），保证样品气中的水不能发生冷凝，改善过滤器的工作条件。为确保在此过程中不发生冷凝，设置的温控值，应比其露点值高出20～30℃。装置中除样气输出口外，还设有内外反吹。其中反吹：（清扫）是指用清洁的压缩空气，吹扫附在筒形过滤器外表面的浮尘，将其吹扫回烟道内。采样管线为￠35×1000mm316不锈钢管插入烟道内取样，取样腔有温控器加热防止烟气水分凝结，取样管烟气水分应以水蒸气的形式进入取样腔，不能在取样管内凝结积液，否则，水与烟气SO2反应化合物堵塞取样管线。
脱硫一系列烟气入口CEMS系统自2017年4月份以前，由于环境气体SO2的腐蚀原因，对吹扫箱电磁阀、温控器进行过更换，烟尘仪和流速、温压变送器按照维护规程进行定期校验和皮托管的清理工作，系统能够稳定的分析上传NOX、SO2、O2等环保数据。近年来滤芯堵塞现象频繁出现，由于更换滤芯增加运行成本,维护人员通过清洗滤芯来解决这一问题。但是，2017年6月一化肥装置小修后，滤芯堵塞的频率大大增加，甚至在维护完成后第二天再次发生同样的堵塞情况，使得CEMS系统分析数据漂移，环保数据无法正常上传。
采样探头堵塞主要是烟气湿度大，使得烟气中SO2与水反应生成硫化物，硫化物结晶堵塞采样滤芯所致。
1#、2#锅炉烟气排烟温度DCS显示（0102-TI-628/648），脱硫入口烟气温度PLC显示157℃（0108-TI-1）。烟气温度满足工艺厂控指标，取样系统控制箱温控器控制在130℃左右，满足采样管线烟气水分不至于冷凝。
那么，烟气中水分从何而来？从整个工艺流程上来看，一化肥装置有1#、2#两台220T/H燃煤锅炉、3#锅炉为200T/H燃气锅炉，3#炉作为备用锅炉在两台燃煤锅炉检修期间投运为装置供汽。在备用期间，3#炉引风机(0102-B1-2)出口与烟道之间由电动闸板阀控制，防止烟气倒流进入炉膛导致烟气中硫化物腐蚀炉壁。目前电动闸板阀有内漏现象，无法起到隔离的作用，对3#炉炉壁已经造成腐蚀。，2017年5月装置小修期间，工艺通过设备变更审批在烟道与引风机之间加装水封罐（注：见图7），利用水封防止烟气倒流。水封罐的增加使得烟道烟气中露点增高，导致CEMS系统采样管线堵塞的频率急剧增大。至此，烟气中带水这一问题找到了根源。
7、采样管防凝的技改攻关
烟道中心点温度大约160℃，为烟道温度最高点。经测量烟道壁温度为130℃，而采样探头的位置正处于烟道壁处。温度的突然降低会使烟气中水分在取样口处发生凝结，直接与烟气中SO2发生化学反应，结晶生成硫化物堵塞滤芯。但由于该处采样探杆与炉壁是出厂时焊接一体的，无法进行更换，故采用在取样管与取样腔滤芯之间加装水分沉降罐。烟气通过采样管进入取样腔滤芯前将烟气中水分进行沉降，实现烟气干燥的目的
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图7工艺设备变更加装水封罐图8 烟道水分沉降罐
7.1采时完善取样腔保温，防止采样温控器温度的流失。水分沉降罐安装后，对CEMS分析仪环保数据跟踪观察两周时间，滤芯堵塞的问题有一定改善，但效果并不理想，仍然影响分析数据的上传，水分沉降罐无法从根本上达到烟气中水分分离的目的。样探杆的延伸改造该系统取样管线直径Φ35，材质为316L不锈钢管，一化肥烟气烟道为3500×3400mm，经过对取样管线插入深度的测量，除去滤芯取样腔安装法兰脖颈长度和烟道壁厚度，取样管实际插入烟道深度为600mm，由于靠近烟道壁温度比较低，烟气中水分不是以水蒸气的形式而是凝结成液态水积存与采样管中，与烟气中SO2反应生成结晶物堵塞管线，影响分析仪对NOX、SO2、O2等烟气流量温度的采样分析。技术人员决定从探杆插入深度上制定技改方案。
在原有采样管线基础上，利用其孔径范围大的特点（Φ35），在原有采样管插入一根Φ12的316L不锈钢管作为测样管(注：见图9），一端延伸至烟道中心位置，另一端延伸至滤芯入口。原有采样管线作为加热管，过滤腔为新加采样管线起到持续保温的作用，防止烟气温度流失。采样管插入深度的增加，使烟道中心温度高的采样气体通过过滤腔直接进入滤芯，防止烟气由于湿度增大堵塞取样管线或采样滤芯，保证了脱硫入口CEMS烟气连续监测系统的稳定运行。
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取样系统采样管改造后，经过两个多月的运行跟踪，监测系统分析仪各分析数据区域稳定，滤芯堵塞现象有效减少，环保数据上传及时准确。此次技改，解决了烟气带水的问题，保证了测量数据的精准可靠，也为脱硫出口、锅炉脱硝CEMS系统的维护积累了宝贵的经验。
8、结束语
CEMS系统采样管防凝技术改造成功地消除了CEMS采样系统滤芯堵塞的问题，有效减少了维护人员的作业量，并且保证了该系统测量数据精准可靠，满足环保达标要求。为CEMS系统生产厂家的产品进一步优化提供了有效参考依据，带来了一定的经济效益。
参考文献：
【1】王强 杨凯《烟气排放连续监测系统(CEMS)监测技术及应用》2015
【2】王森《烟气排放连续监测系统(CEMS)》2014
作者简介：郭庆伟，男，1963年出生，大专学历，中石油宁夏石化电仪部 电话13629507237.
王瑾璇，女，1985年出生，中国石油大学（北京）自动化专业，现在中国石油宁夏石化公司电仪部从事仪表维护工作。