摘 要：本文以在辽宁阜新2X200MW燃煤发电机组上的应用为例，介绍了一个以分析仪器结合计算机应用技术为基础的、较为大型的烟气成分实时在中接监测系统的设计。
关键词：燃煤电厂 烟气成分 在线连续监测系统 设计
1 引言
随着我国电力工业发展，高参数、大容量火电机组相继投入运行，燃煤所带来的环境污染问题亦日趋成为一个紧要解决的问题，人们对电厂烟气连续监测的重要性也有了进一步认识和重视。我国火电厂烟气连续监测系统是由1986年广东沙角B发电厂从日本引进开始的，前些年我国引进的烟气连续监测系统大多安装在合资、独资及华能系统的电厂，而且一般都是随进口锅炉或主机一同进入的。近二、三年来，由于国家强制性排放标准GB13223—1996的颁布实施，安装烟气连续监测系统的电厂增长较快，且有不少是单独购置的。随着国家对火电厂大气污染物排放及监测要求的日益严格，烟气连续监测系统在火电厂的应用发展很快。我们希望通过这种技术，既能提高燃煤电厂的供电效率，又能解决燃煤所带来的环境污染问题。
2 烟气成分在线连续监测系统的构成
系统构成框图如图1所示。整个系统在功能上可分为SO2分析子系统，粉尘浓度和烟气质量流量/温度、湿度、压力测量仪器仪表部分，以及计算机监控子系统三大部分。SO2分析子系统和PC—PLC上、下位机计算机监控子系统是整个系统的关键部分。
整个系统实现对烟气的连续取样；自动在线测量与分析烟气的粉尘浓度、质量流量、温湿度、压力、SO2组分的浓度；对这些参数进行在线连续数据采集、显示、运算、存储、作图、打印；对SO2成分分析取样点进行程控切换、对取样探头进行程控反吹扫；此外，系统还实现SO2分析仪和测尘仪的手动/自动校准。
3 SO2分析子系统的设计
为节省投资，对阜新发电厂的两台锅炉设计共用一台SO2分析仪。SO2分析子系统的设计如图2所示。
SO2浓度分析子系统在功能上由烟气取样、反吹扫、气样预处理、气样分析、分析仪校准、程序控制及信号输出七部分组成。其中，SO2分析仪采用德国H&B公司九十年代水平的微机智能型Uras14红外线分析仪；程序控制由Siemens公司的S7—200型PLC实现，完成“单探头1”(仅对＃1水平烟道采样)、“单探头2”(仅对＃2烟道采样)、“双探头”(对＃1、＃2烟道交替采样)三种采样模式间的切换以及反吹扫的程序控制。
分析子系统既要保证对烟气中SO2等组分浓度达到足够的分析精度和分析速度，又要满足精密的分析仪对工作条件的严格要求，并保证取样探头和样气输送管路长期、畅通和稳定地工作。
3.1 选用Uras 14红外线分析仪
对烟气成分分析仪选型时，要充分考虑烟气的工况条件和燃煤电厂烟气排放标准及环保方面的要求，选择适用的、精度足够高、分析速度足够快且具有自动校准功能的分析仪。为了节省投资，还要求分析仪应具有多用性及可扩展性，例如，文中介绍的Uras14红外线分析仪不仅能在线分析烟气中SO2组分的浓度，还可同时在线分析CO、SO2及NOx等组分的浓度。分析仪应具有显示直观、操作/设置方便的特点。另外，为了实现分析仪与其它系统或网络的开放连接，还应要求分析仪具有支持多种通信协议的通信功能。
文中介绍的Uras14红外线分析仪具有以下几个方面的优良性能，非常适合燃煤电厂的烟气分析：
·模块化的组件结构，中央单元最多可连接3块分析组件，从而最多可同时分析6种气体组分的浓度(每块分析组件可同时分析2种气体组分)，所以该分析仪具备极强的多用性和可扩展性；
·中央单元与分析组件通过系统总线连接，而系统总线最长可达350米，使得中央单元与分析组件在布置上具有灵活性；
·中央单元允许最多可插装5块智能I/O板，十分方便模拟量/开关量的输入、输出及扩展，且模拟量的输入/输出均为带隔离的4～20mA标准信号；
联想DP协议的RS485和RS232C接口，使得分析仪能方便地与外部系统通信；
·宽大的背光图形化显示屏，分辨率达320X240象素；数值加水平棒图显示，并带有相应的物理量单位；既显示气体组分浓度，还可显示烟气的流量、温度、湿度和压力等参数；最多可同时显示6种气体组分浓度；
·菜单驱动式用户界面，加上软键和数字键，让操作员能方便自如地初始化、设置及操作分析仪；
·分析仪内部配置有“校正池”，无标准气即可自动校准分析仪；具有自诊断功能、状态和故障指示。
总之，Uras14红外线分析仪的上述诸多优点使之非常适用于燃煤电厂的烟气在线分析，表现出分析精度高、分析速度快、自动校正，稳定可靠、工作寿命长等优良性能。
3.2 SO2分析子系统的设计要点
设计SO2分析系统时，应充分考虑Uras14红外线分析仪的工作条件要求和燃煤电厂烟气的工况条件，要严格满足分析系统清洁、干燥、畅通的工作条件，既要保证分析系统具有较高的分析精度、较快的分析速度，又要保证系统具备良好的防堵、防腐、耐磨等性能，从而使系统能长期、稳定、可靠、准确地运行。结合实际的设计过程和系统的现场运行情况，总结出燃煤电厂烟气分析系统的设计要点如下：
(1)针对燃煤电厂烟气粉尘浓度高、温度高、流量大的工况条件，设计中选用耐磨、耐腐蚀、使用寿命长、能有效防堵的烟气取样探头。
(2)Uuas14型SO2分析仪比较精密和昂贵，为了保证分析仪的工作条件、测量精度和使用寿命，取样探头和气样预处理装置中对气样先后进行了三次过滤及冷凝处理，保证最终进入分析仪的气样为无尘、无水、露点为3□的干气。
(3)为了有效地防止取样探头和导气管路的粉尘堵塞，分析系统应设计有反吹扫装置及功能，用压缩空气对导气管路及取样探头进行定时反吹扫。
(4)针对可能出现的堵塞，系统应设计有气样流量报警装置。当取样探头、导气管或过滤器出现堵塞时，样气流量下降。当样气流量小于设定值时，报警装置即发出报警，提醒运行人员及时清除堵塞。
(5)为了避免样气中所含水分在样气输送过程中冷凝或结冻(冬季高纬度地区)，从而防止易溶组分(如SO2)的溶解而降低分析精度，取样探头应设计有电加热器，从取样探头出口至分析仪表柜入口的导气管应采用电伴热管线，将样气加热至130～150′C。
总之，先进的Uras14红外线分析仪与针对燃煤电厂烟气含尘量高等工况而专门设计的具有良好防堵性能的取样探头、样气预处理装置以及反吹扫柜的结合，成功地解决了燃煤电厂烟气在线监测中普遍存在的分析精度低、分析速度慢、取样探头及样气输送管路易堵、设备使用寿命短、部件维修更换不便等方面的问题。
4 计算机监控子系统的设计
计算机监控子系统总体上设计为“上下位计算机”结构(图1)。
硬件上，上位机选用联想PC计算机，放置于环境较为理想的工作站内；下位机选用SiemensS7系列的Micro Win可在PC机上完成对PLC的编程及装；运用组态王可完成流程图、趋势图、报表、报警、打印等操作界面的组态，以及PC-PLC的通信组态；数据处理应用程序利用Excel来存储趋势图数据及输出报表。
功能上，PLC主要完成对烟气粉尘浓度、质量流量、温度、湿度、压力、SO2组分浓度等模拟量的连续采样，并完成对取样点切换装置和反吹扫装置的程序控制，以及数据的上传任务(图2)；PC机主要完成PLC程序下装，流程、趋势、报警、报表显示和报表打印，以及采样；工作方式设置等任务。此外，上位机还可配置成支持多种通信协议，方便地实现与其它系统的通信连接，从而将监测数据提供给电厂的其它系统使用。
总之，以PC-PLC上-下位机结构设地的计算机监控系统能很好地实现燃煤电厂烟气成分及参数的实时在线连续监测与控制，系统具有布置灵活、扩展容易、支持多种通信协议、显示直观、操作方便、稳定可靠、长期运行等良好性能。
5 结论
本文在设计烟气成分在线连续监测系统时，充分考虑了燃煤电厂烟气的工况条件，特别是选用了分析精度高、分析速度快、具有自动校正功能的Uras14红外线分析仪，并合理设计了烟气取样、气样预处理、反吹扫等装置系统，从而实现了整个监测系统的长期、畅通、可靠、准确运行，成功地解决了燃煤电厂烟气成分在线监测中普遍存在的分析精度低、分析速度慢、取样探头及样气输送管路易堵、设备使用寿命短、部件维修更换不便等方面的问题，从而为燃煤电厂进一步实现烟气达标排放创造了条件。
