矩阵式烟气取样技术在不均匀流场烟气测量上的应用
孙成永 张鹏 王娜
摘要：火电厂烟道属于大截面烟道，由于锅炉结构的限制，烟道流场分布不均匀。尤其是脱硝出口烟道，普遍存在着催化还原反应不均匀、烟道直管段短的问题，烟气浓度场分布不均匀。在流场不均的烟道，单点取样测量的烟气数据不能代表烟气的实际参数，不能作为生产运行调节的参考依据。本文通过对比几种应用于烟气取样的典型取样技术，提出了适用于不均匀流场烟道的矩阵取样技术，为火电厂烟气取样分析提供指导。
关键词：大截面烟道；流场不均；矩阵取样
中图分类号：X701.2 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）03-0244-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.03.147
Abstract： Flue section of thermal power plant is large cross section . Due to the limitation of boiler structure.Non-uniform of the flow field distribution is ubiquity .Especially the export smoke cross of denitrification. The problem of catalytic reaction is not uniform and straight pipe section of flue is short is ubiquity.Consistency gas is maldistribution .Uneven distribution of flue in the flow field ，the gas data of single point sampling measurement doesnt represent the actual data.It can not be used as a reference for production operation adjustment. In this paper ， by comparing several kinds of typical probe technologies which are applied to gas probe. Optimized configuration solution of gas probe technologies ，is put forward to suit for gas probe technologies， and a reference is provided in the selection of gas probe system for the gas probe of thermal power plants.
Key words： Large section flue； Uneven flow field； Atrix sampling
燃煤机组烟气脱硝改造，由于场地空间限制，脱硝出口烟道较短，而且存在多处变径和拐角；火电厂烟道属于大截面烟道，烟道尺寸在幾米到十几米，流场不均普遍存在。由于烟道流场分布不均，脱硝出口NOX和NH3的浓度分布也不均匀。在运行过程中，脱硝出口NOX和NH3浓度的测量数据存在基本不变化或者波动较大的情况，不响应系统工况变化，还存在脱硝出口与脱硫出口所测NOX浓度偏差较大的情况。这些测量数据不但不能为生产运行提供指导，反倒给运行人员带来困扰，给脱硝系统投自动也带来较大障碍[1]。
这些问题都是在流场分布不均的烟道上，采用传统的单点取样方式所带来的。在不均匀流场，一个点的测量数据不能代表整个烟道的烟气浓度参数，该点的测量数据也失去了使用价值和意义。当前，NOX和NH3的浓度检测已经有较为先进的化学发光技术，测量精度可达到PPB级，导致NOX和NH3测量不准的主要原因集中在取样方式上。因此，研究一种能适用于不均匀流场、能充分反映烟道实际浓度的烟气取样技术就具有比较现实的意义[2]。
1 烟气不均匀性和取样技术现状分析
1.1 烟气不均匀性分析
为分析烟气流场的分布情况，对某电厂300MW机组脱硝出口烟气NOX和NH3的浓度分布进行了测试。烟道为10m×4m矩形烟道，在烟道AB侧分别取2个取样点，一共取A、B、C、D四个点的NOX和NH3浓度测量数据进行分析，取样示意图如图1所示。
在负荷工况基本保持不变的情况下，分别对四个点的NOX和NH3浓度进行连续测量，测量持续时间为2小时，测量数据整理成曲线分别如图2和图3所示。
由图2和图3的测量曲线可看出，无论是NOX还是NH3，其浓度分布都是不均匀的。其中A取样点的数据较为稳定，但NOX的测量值比实际烟气浓度值偏高，基本都超过了排放限值50mg/m3；而NH3基本接近于0，无较大波动。其他三个取样点所测量的数据波动较大，也无规律可循。由此可见，不同取样点的测量浓度相差达到几倍甚至几十倍，如若采用单点取样方式，无论是在哪一个点取样进行烟气监测，其测量值都不能代表烟气浓度的实际值[3]。
1.2 烟气取样技术现状分析
传统的烟气取样方式为单点取样，探杆长度一般为1.5m，样气经烟气预处理系统滤尘、除水后进入分析仪进行检测。取样示意图如图4所示。
脱硝改造实施后，因单点取样不能满足运行对测量数据的要求，从而产生了三点取样。探杆长度1.5m，在同侧烟道的不同位置安装3个取样探杆，使用取样泵将样气抽出进入混合箱混合，再经过预处理滤尘、除水后进入分析仪检测。取样示意图如图5所示。
从图4和图5可以看出，无论是单点取样点还是三点取样，在大截面不均匀的流场里，其测量数据都不具备代表性，不能真实反映烟气实际污染物浓度。
2 矩阵式烟气取样的技术原理
矩阵式烟气取样装置是将烟道断面划分为若干个等面积的矩形小块，各块中心即为取样点。通过多个取样点的合理布置，用以实现大截面烟道的全截面烟气混合取样。烟气经各支管取样后，在烟道外汇流到一混合母管，混合母管连接至空气预热器后端。矩阵取样装置取样示意图如图6所示。
由图6可以看出，烟气测量单元安装在矩阵取样装置混合后的母管上，所测量的烟气为若干取样点取样后混合的烟气，其测量值可代表烟道内烟气污染物的实际浓度。
3 矩阵式烟气取样技术的应用效果
某电厂300MW机组在A侧脱硝反应器出口安装了矩阵式烟气取样装置，装置投入运行2个月后，收集脱硝出口NOX和NH3的历史数据进行分析，数据曲线如图7所示。
由图7中NOX和NH3的历史数据曲线可看出，采用矩阵式烟气取样装置所测量的数据曲线平滑穩定，能真实反映整个烟道内的污染物浓度。而且数据无急剧的阶跃变化，有利于脱硝自动的投入。
4 结论
采用单点或三点烟气取样方式所测量的烟气浓度数据不能代表大截面不均匀流场烟道的实际污染物浓度。
矩阵式烟气取样装置采用多点取样、混合测量的方式，可有效解决单点测量不具代表性的问题，其测量数据可代表烟气污染物的实际浓度。安装矩阵式烟气取样装置后脱硝系统可投入自动，有利于脱硝系统优化运行[4]。矩阵式烟气取样装置有耐腐蚀、耐磨、反吹和自清灰设计，母管有加热和保温设计，有效防止了装置堵塞和磨损，大大降低了维护量。
参考文献
[1]张振义，邹磊.火电厂净烟气烟道流场特性分析及流量测点选择[J].江苏电机工程，2014，33（04）：75-77.
[2]王秋红.烟气排放连续监测系统（CEMS）在燃煤锅炉上的应用[J].中国仪器仪表，2010（S1）：58-60.
[3]毛奕升，吴智鹏，张孝天.火电厂SCR脱硝系统喷氨优化调整及烟气取样方法改进[J].中国电力，2017，50（04）：167-171.
[4]张迎飞，陈亮.烟气排放连续监测系统（CEMS）的设计应用[J].仪器仪表用户，2016，23（06）：45-47.
收稿时间：2017-12-29
作者简介：孙成永（1983-），男，硕士研究生，工程师，研究方向为能源电力节能与环保。
摘要：火电厂烟道属于大截面烟道，由于锅炉结构的限制，烟道流场分布不均匀。尤其是脱硝出口烟道，普遍存在着催化还原反应不均匀、烟道直管段短的问题，烟气浓度场分布不均匀。在流场不均的烟道，单点取样测量的烟气数据不能代表烟气的实际参数，不能作为生产运行调节的参考依据。本文通过对比几种应用于烟气取样的典型取样技术，提出了适用于不均匀流场烟道的矩阵取样技术，为火电厂烟气取样分析提供指导。
关键词：大截面烟道；流场不均；矩阵取样
中图分类号：X701.2 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）03-0244-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.03.147
Abstract： Flue section of thermal power plant is large cross section . Due to the limitation of boiler structure.Non-uniform of the flow field distribution is ubiquity .Especially the export smoke cross of denitrification. The problem of catalytic reaction is not uniform and straight pipe section of flue is short is ubiquity.Consistency gas is maldistribution .Uneven distribution of flue in the flow field ，the gas data of single point sampling measurement doesnt represent the actual data.It can not be used as a reference for production operation adjustment. In this paper ， by comparing several kinds of typical probe technologies which are applied to gas probe. Optimized configuration solution of gas probe technologies ，is put forward to suit for gas probe technologies， and a reference is provided in the selection of gas probe system for the gas probe of thermal power plants.
Key words： Large section flue； Uneven flow field； Atrix sampling
燃煤机组烟气脱硝改造，由于场地空间限制，脱硝出口烟道较短，而且存在多处变径和拐角；火电厂烟道属于大截面烟道，烟道尺寸在幾米到十几米，流场不均普遍存在。由于烟道流场分布不均，脱硝出口NOX和NH3的浓度分布也不均匀。在运行过程中，脱硝出口NOX和NH3浓度的测量数据存在基本不变化或者波动较大的情况，不响应系统工况变化，还存在脱硝出口与脱硫出口所测NOX浓度偏差较大的情况。这些测量数据不但不能为生产运行提供指导，反倒给运行人员带来困扰，给脱硝系统投自动也带来较大障碍[1]。
这些问题都是在流场分布不均的烟道上，采用传统的单点取样方式所带来的。在不均匀流场，一个点的测量数据不能代表整个烟道的烟气浓度参数，该点的测量数据也失去了使用价值和意义。当前，NOX和NH3的浓度检测已经有较为先进的化学发光技术，测量精度可达到PPB级，导致NOX和NH3测量不准的主要原因集中在取样方式上。因此，研究一种能适用于不均匀流场、能充分反映烟道实际浓度的烟气取样技术就具有比较现实的意义[2]。
1 烟气不均匀性和取样技术现状分析
1.1 烟气不均匀性分析
为分析烟气流场的分布情况，对某电厂300MW机组脱硝出口烟气NOX和NH3的浓度分布进行了测试。烟道为10m×4m矩形烟道，在烟道AB侧分别取2个取样点，一共取A、B、C、D四个点的NOX和NH3浓度测量数据进行分析，取样示意图如图1所示。
在负荷工况基本保持不变的情况下，分别对四个点的NOX和NH3浓度进行连续测量，测量持续时间为2小时，测量数据整理成曲线分别如图2和图3所示。
由图2和图3的测量曲线可看出，无论是NOX还是NH3，其浓度分布都是不均匀的。其中A取样点的数据较为稳定，但NOX的测量值比实际烟气浓度值偏高，基本都超过了排放限值50mg/m3；而NH3基本接近于0，无较大波动。其他三个取样点所测量的数据波动较大，也无规律可循。由此可见，不同取样点的测量浓度相差达到几倍甚至几十倍，如若采用单点取样方式，无论是在哪一个点取样进行烟气监测，其测量值都不能代表烟气浓度的实际值[3]。
1.2 烟气取样技术现状分析
传统的烟气取样方式为单点取样，探杆长度一般为1.5m，样气经烟气预处理系统滤尘、除水后进入分析仪进行检测。取样示意图如图4所示。
脱硝改造实施后，因单点取样不能满足运行对测量数据的要求，从而产生了三点取样。探杆长度1.5m，在同侧烟道的不同位置安装3个取样探杆，使用取样泵将样气抽出进入混合箱混合，再经过预处理滤尘、除水后进入分析仪检测。取样示意图如图5所示。
从图4和图5可以看出，无论是单点取样点还是三点取样，在大截面不均匀的流场里，其测量数据都不具备代表性，不能真实反映烟气实际污染物浓度。
2 矩阵式烟气取样的技术原理
矩阵式烟气取样装置是将烟道断面划分为若干个等面积的矩形小块，各块中心即为取样点。通过多个取样点的合理布置，用以实现大截面烟道的全截面烟气混合取样。烟气经各支管取样后，在烟道外汇流到一混合母管，混合母管连接至空气预热器后端。矩阵取样装置取样示意图如图6所示。
由图6可以看出，烟气测量单元安装在矩阵取样装置混合后的母管上，所测量的烟气为若干取样点取样后混合的烟气，其测量值可代表烟道内烟气污染物的实际浓度。
3 矩阵式烟气取样技术的应用效果
某电厂300MW机组在A侧脱硝反应器出口安装了矩阵式烟气取样装置，装置投入运行2个月后，收集脱硝出口NOX和NH3的历史数据进行分析，数据曲线如图7所示。
由图7中NOX和NH3的历史数据曲线可看出，采用矩阵式烟气取样装置所测量的数据曲线平滑穩定，能真实反映整个烟道内的污染物浓度。而且数据无急剧的阶跃变化，有利于脱硝自动的投入。
4 结论
采用单点或三点烟气取样方式所测量的烟气浓度数据不能代表大截面不均匀流场烟道的实际污染物浓度。
矩阵式烟气取样装置采用多点取样、混合测量的方式，可有效解决单点测量不具代表性的问题，其测量数据可代表烟气污染物的实际浓度。安装矩阵式烟气取样装置后脱硝系统可投入自动，有利于脱硝系统优化运行[4]。矩阵式烟气取样装置有耐腐蚀、耐磨、反吹和自清灰设计，母管有加热和保温设计，有效防止了装置堵塞和磨损，大大降低了维护量。
参考文献
[1]张振义，邹磊.火电厂净烟气烟道流场特性分析及流量测点选择[J].江苏电机工程，2014，33（04）：75-77.
[2]王秋红.烟气排放连续监测系统（CEMS）在燃煤锅炉上的应用[J].中国仪器仪表，2010（S1）：58-60.
[3]毛奕升，吴智鹏，张孝天.火电厂SCR脱硝系统喷氨优化调整及烟气取样方法改进[J].中国电力，2017，50（04）：167-171.
[4]张迎飞，陈亮.烟气排放连续监测系统（CEMS）的设计应用[J].仪器仪表用户，2016，23（06）：45-47.
收稿时间：2017-12-29
作者简介：孙成永（1983-），男，硕士研究生，工程师，研究方向为能源电力节能与环保。
