高 遠，許國強，佘國金，肖明成，孫榮岳

（1.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 211102；2.南京工程學院，江蘇 南京 211167）

引 言

充分掌握發(fā)電企業(yè)碳排放水平是發(fā)電行業(yè)實現“碳達峰、碳中和”的關鍵[1]。目前，碳排放量的核算主要有3種方法：排放因子法、質量平衡法和實測法[2]。排放因子法目前應用最為廣泛[3]，但是存在可靠性不高、數據收集效率較低、時效性嚴重滯后等問題[4]。質量平衡法要求有完備的基礎數據記錄，我國目前統計現狀很難滿足。實測法計算結果準確，中間環(huán)節(jié)少，非常適用于計算連續(xù)穩(wěn)定的排放口的碳排放量[5]?；痣姍C組碳排放量的連續(xù)監(jiān)測采用實測法，一般是通過機組煙囪排口處的煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統（CEMS）來實現[6]。CEMS系統是連續(xù)監(jiān)測固定污染源顆粒物和（或）氣態(tài)污染物排放濃度及排放量所需要的環(huán)境監(jiān)測設備，由顆粒物監(jiān)測單元和（或）氣態(tài)污染物監(jiān)測單元、煙氣參數監(jiān)測單元、數據采集與處理單元組成。為了防止煙氣中的顆粒物、水蒸氣等成分對CEMS系統造成不利影響，煙氣在進入分析儀表前需要進行預處理[7]。常規(guī)的CEMS預處理裝置直接從煙囪或煙道中抽取樣氣，濾除顆粒物、除濕后，再進入分析儀表測量污染物濃度。這種常規(guī)的CEMS預處理裝置系統比較復雜、部件較多、容易堵塞或漏氣[8]，不能有效做到對CEMS系統提前預警，無法實現對堵塞、漏氣部件的準確判斷。

本文設計開發(fā)了一種CEMS預處理運行預警裝置，通過對預處理裝置中各個關鍵點壓力及溫度等參數進行實時監(jiān)測，可以在系統發(fā)生堵塞、漏氣等故障時，第一時間將故障詳細信息推送給項目運維人員，提高CEMS系統監(jiān)測碳排放量的可靠性。

1 CEMS預警系統工作原理

圖1 CEMS預警系統工作原理示意圖

1.1 數據采集模塊

選取4個采樣點采集煙氣溫度和壓力值，以全面監(jiān)測系統采樣管路堵塞、漏氣等故障，4個采樣點分別設置在采樣探頭出口、伴熱管出口、冷凝器出口和采樣泵出口，采樣點編號及對應位置如表1所示。由于煙囪排口處煙氣溫度在130℃左右，經冷凝器急冷后在15℃左右，在此溫度區(qū)間內，熱電阻溫度計可以準確測量其溫度，且體積小、成本低、精度高，因此選取PT100型熱電阻溫度計測量煙氣溫度。

表1 采樣點編號及對應位置

1.2 數據傳輸模塊

數據傳輸模塊將數據采集模塊采集到的溫度、壓力數據傳輸到溫壓采集前端上，采集前端通過無線發(fā)送的方式將數據發(fā)送出去。LoRa技術由美國Semtech公司在2013年提出，是一種新興的低功耗局域網無線擴頻技術，該技術有傳輸距離遠、成本低、可擴展性強、功耗低和靈敏度高等優(yōu)點，所以CEMS預警裝置采用的無線發(fā)送方式為LoRa技術。服務器側的LoRa網關負責接收采集前端發(fā)送過來的數據，經解析處理后，確定數據發(fā)送的點位，同時重新打包上傳至上位機。

1.3 數據分析及預警模塊

上位機在收到數據傳輸模塊發(fā)送過來的數據后，將數據顯示在組態(tài)屏上，并對其進行分析，判定溫度和壓力是否處于正常范圍。如果超過一定時間都處于不正常狀態(tài)，則進行報警，界面數值顯示背景變?yōu)榧t色。同時通過4G模塊向指定用戶手機發(fā)送短信提醒某段壓力或溫度不正常。CEMS預警系統主要性能指標如表2所示。

新時代寧波土地儲備工作的幾點思考（傅鼎一） ............................................................................................5-22

表2 CEMS預警系統主要性能指標

2 數據更新速率及數據丟失情況

溫壓采集前端設備與LoRa網關采用MODBUS協議通訊，通訊方式為“一問一答”模式。由于不同采集設備之間的距離不同，數據的問詢時間不一樣，但返回的數據卻有可能同時到達網關，導致數據撞車并互相干擾，無法收到正確數據。目前的做法是拉長問詢的發(fā)送間隔來避免撞車。實際測試中，設定每3 s采集1次流通池的溫度、壓力數據。以伴熱管前端的溫壓采集為例，測試了CEMS預警系統的數據丟包率，連續(xù)測試2組10 min和1組40 min，丟包率隨測試時間的變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可知，測試初始階段，由于數據量較少，丟包率波動較大，但最大值也未超過6%；隨著測試時間的延長，數據量越來越大，丟包率也趨于穩(wěn)定；2組10 min連續(xù)通信測試平均丟包率在3%左右，1組40 min連續(xù)通信測試丟包率為1.25%?？傮w來看，通信成功率不會隨著時間的延長而降低，且成功率較高，可滿足需求。

圖2 丟包率隨測試時間的變化規(guī)律

3 系統現場溫壓數據采集測試

在停爐時改變測試條件，測試不同模擬條件下CEMS預警系統采樣時溫度和壓力的變化規(guī)律。

3.1 現場測試條件

4個溫壓采集點中，1#、2#測點為高溫區(qū)域，采用不銹鋼流通池，可設置加熱溫度；3#、4#測點為常溫或低溫區(qū)域，采用四氟流通池。CEMS系統正常運行設置參數：伴熱管溫度150℃、探頭溫度150℃、采樣流量60 L/h、冷凝器溫度4℃，停爐狀態(tài)，煙氣為室外空氣，溫度約26.29℃。為了不影響2#測點溫度T2，對其只保溫、不設置加熱；為了防止冷凝，1#測點設置加熱溫度110℃。為了保證系統嚴密，在測試開始前對系統進行了氣密性測試，發(fā)現氣密性良好，不存在漏氣點。

3.2 溫度測試

3.2.1 伴熱管溫度的影響

伴熱管溫度對測點溫度的影響如圖3所示。由圖3可知：1#測點在伴熱管之前，所以其T1不受伴熱管溫度影響；3#、4#測點在冷凝器之后，經冷凝器冷卻，其T3、T4也不受伴熱管溫度影響；2#測點在伴熱管出口位置，其T2隨伴熱管溫度的升高而升高：當伴熱管溫度由110℃升高到170℃時，T2由43.7℃升高到50.2℃。對圖3中T2隨伴熱管溫度變化曲線進行線性擬合，結果如式（1）所示，其中擬合方差R2為0.985，表明擬合結果準確，擬合結果表明，T2與伴熱管溫度成線性相關，在設置報警閾值時，可以通過式(1)對T2進行修正。

圖3 伴熱管溫度對測點溫度的影響

3.2.2 探頭溫度的影響

探頭溫度對測點溫度的影響如圖4所示。由圖4可知：1#測點流通池設置的加熱溫度為110℃，在探頭溫度較低時，能有效加熱煙氣，消除探頭溫度變化對T1的影響，所以在探頭溫度低于140℃時，T1基本不隨探頭溫度變化而變化，當探頭溫度高于140℃后，隨探頭溫度升高，T1線性升高；由于2#測點前有較長的伴熱管線，能實現對煙氣的有效加熱，故能消除探頭溫度變化對T2的影響，因此T2基本沒受到探頭溫度變化的影響；同理，后續(xù)布置的3#、4#測點溫度T3和T4也不受探頭溫度變化的影響。

圖4 探頭溫度對測點溫度的影響

3.2.3 冷凝器溫度的影響

由于1#、2#測點布置在冷凝器之前，所以理論上其溫度變化對T1、T2沒有影響，測試過程未記錄。冷凝器溫度對測點溫度的影響如圖5所示。由圖5可知，冷凝器溫度變化對T4基本沒有產生影響；隨冷凝器工作溫度的升高，3#測點溫度略微提升，當冷凝器不工作、直接抽空氣時（等同于冷凝器在25℃下工作），T3持續(xù)升高，且高于環(huán)境溫度。所以，如果冷凝器不工作，可以通過T3變化判定并設置報警上限進行報警。

圖5 冷凝器溫度對測點溫度的影響

3.3 壓力測試

3.3.1 CEMS正常運行和維護狀態(tài)下壓力測試

在CEMS系統維護狀態(tài)（系統不工作）和采樣狀態(tài)下（包含停爐和起爐兩個運行狀態(tài)）分別測試各測點的壓力，結果如表3所示。由表3可知，在維護狀態(tài)時，各測點壓力與大氣壓相等；在停爐采樣狀態(tài)時，由于沿程阻力作用，從1#測點至3#測點，壓力逐漸降低，在經過采樣泵壓縮后，壓力應高于大氣壓，才能將煙氣排入空氣，所以4#測點壓力經采樣泵壓縮后高于大氣壓。起爐采樣狀態(tài)時，煙道內為微正壓，所以壓力與停爐采樣狀態(tài)相比略高。

表3 CEMS系統維護狀態(tài)和采樣狀態(tài)下各測點壓力 kPa

3.3.2 煙氣流量對測點壓力的影響

1#測點采樣探頭出口位置非?？拷鼰焽柚械臒煔庵鳉饬鳎云鋲毫1不受煙氣流速的影響。調節(jié)旁路針閥開度以改變流量計流量，分析煙氣流量對2#～4#測點壓力的影響，結果如圖6所示。由圖6可知，煙氣流量減小，表明管道氣阻增加，此時P2～P4均逐漸降低。采用y=a+bx對圖6中的曲線進行擬合，得到的擬合常數如表4所示。由表4可知，擬合方差R2在0.984 7～0.994 0，表明擬合結果準確；煙氣流量與P2～P4測點壓力呈線性相關，在設置報警閾值時，可通過擬合結果對閾值進行修正。

表4 擬合常數

圖6 煙氣流量對測點壓力的影響

3.3.3 模擬堵塞條件下測點壓力變化

分別在1#測點前、伴熱管后2#測點前加裝針閥，通過調節(jié)針閥開度來模擬堵塞，分析管路發(fā)生堵塞時各測點壓力的變化規(guī)律。1#測點前堵塞對測點壓力的影響如圖7所示。由圖7可知，當1#測點前發(fā)生堵塞時，4個測點壓力均降低，并且堵塞越嚴重降低幅度越大，P1～P3降幅更明顯；當管路完全堵塞時，管道無法從煙道采集煙氣樣品，形成一段密閉空間，并在采樣泵的作用下形成真空，所以在完全堵塞的條件下，P1～P3相同，為31.1 kPa；4#測點由于布置在采樣泵之后，與1#～3#測點相比多了一個壓縮過程，因此其壓力變化幅度不大，在管路完全堵塞的條件下，其壓力僅從106.4 kPa下降至101.0 kPa。伴熱管后2#測點前堵塞對測點壓力的影響如圖8所示。由圖8可知，當伴熱管后2#測點前發(fā)生堵塞時，其對P2～P4影響與1#測點前發(fā)生堵塞類似，但由于堵塞位置在1#測點后，所以對P1未產生影響。

圖7 1#測點前堵塞對測點壓力的影響

圖8 伴熱管后2#測點前堵塞對測點壓力的影響

3.3.4 模擬漏氣條件下測點壓力變化

模擬探頭與伴熱管間、伴熱管與冷凝器間、采樣泵前后全漏狀態(tài)時測點壓力的變化，結果如表5所示。由表5可知，當漏氣點位置出現在探頭與采樣泵之間時，漏氣點前的測點壓力變?yōu)榇髿鈮?，由于整個樣品采集管路的沿程阻力降低，因此漏氣點后的測點壓力會有一定幅度提高，例如采樣泵前漏氣時，在漏點之前的1#～3#測點壓力均為大氣壓，漏氣點之后的4#測點壓力升高至112.84 kPa；當漏氣點位置出現在采樣泵時，由于采樣泵后管道沿程阻力降低，其工作效率更高，所以漏氣點之前的測點壓力會有所降低，漏氣點之后的測點壓力恢復至大氣壓。當系統發(fā)生漏氣故障時，可以基本斷定漏氣點位置處于恢復至大氣壓力的測點與壓力變化但未變至大氣壓力的測點的中間管路。

表5 模擬管路漏氣結果 kPa

3.4 討論

可以發(fā)現，在系統測試條件改變時，1#、4#測點壓力和溫度變化幅度相對較小，在設置報警閾值時，應重點考慮設置范圍。如果太過寬泛，起不到預警效果，如果范圍過窄，則可能導致系統不夠穩(wěn)定。停爐狀態(tài)下，CEMS預警系統采樣時溫度和壓力的變化規(guī)律基本已經明晰，在機組運行狀態(tài)下，變化規(guī)律應基本相同，但是實測壓力和溫度值會存在一定差別。所以，下一步應在機組運行狀態(tài)下測試各測點的壓力和溫度值，并根據本文研究得到的規(guī)律進行修正，設置報警閾值，實現對CEMS系統采樣管路堵塞和漏氣的精準預測。

4 結 論

4.1 設計開發(fā)了一種CEMS預處理運行預警裝置，對CEMS系統運行過程中的溫度和壓力進行監(jiān)測，數據采用LoRa技術實現遠距離無線傳輸，經上位機分析后能實現對系統堵塞、漏氣等故障的預警，同時通知指定用戶。

4.2 數據采集傳輸過程中，存在數據丟失問題。數據采集初期，丟包率存在一定波動，隨測試時間延長趨于穩(wěn)定。40 min連續(xù)通信測試丟包率為1.25%，滿足系統需求。

4.3 伴熱管溫度、探頭溫度和冷凝器溫度對相鄰的下一個測點溫度會產生一定影響，對其他測點溫度影響不大。

4.4 煙氣流量與測點壓力呈線性相關。當系統管路發(fā)生堵塞時，布置在堵塞位置下游的測點壓力均降低，并且堵塞越嚴重，降低幅度越大。當漏氣點位置出現在探頭與采樣泵之間時，漏氣點前的測點壓力變?yōu)榇髿鈮?，漏氣點后的測點壓力會有一定幅度提高。當漏氣點位置出現在采樣泵時，所有漏氣點之前的測點壓力會有所降低，漏氣點之后的測點壓力恢復至大氣壓。