张 岩，秦逸轩，陈 聪，谭城军，史 斌

（浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

随着国家对环保事业的日益重视，不仅需要环保设施能正常投用，环境监测工作也需要做得更为系统、全面和规范，污染源的在线环境监测成为监测工作的重中之重。火电厂作为环境监测的重点对象，污染源在线自动监测数据采集传输仪是污染源自动监控系统的重要组成部分，在环保部门监控中心和污染源现场监控端之间发挥着承上启下的作用，对于监控数据的采集及传输具有十分重要的意义。环保部门已经对数据采集传输仪的技术性能及污染源CEMS（Continuous E-mission Monitoring System，连续监测系统）的技术要求发布了相应的标准[1，2]，火电厂在线仪表的测量准确度也日益完善，但在实际应用中普遍存在因信号传递的问题或未按环境监测要求折算、换算导致监测数据存在偏差[3]，不能正确反映污染源的实际排放情况。

1 数据传输的技术要求

1.1 传输流程及数据类型

CEMS至数据采集传输仪的信号传输流程如图1所示，就地的污染物、颗粒物及烟气参数监测仪表测定的数据经CEMS自身的数据采集系统处理后传送至数据采集传输仪，再传送至环境监测传输网络。传输的数据类型包括模拟量和开关量2种[1]，数据采集传输仪要求至少具备8个模拟量输入通道，支持4～20 mA电流输入或4～5 V电压输入。还要求至少具备4个开关量输入通道，用于接入污染治理设备的工作状态信号。而作为重要传输内容的模拟量数据在实际应用中最容易出现数据传输的偏差。

1.2 模拟量数据采集及传输项目

根据火力发电厂的排污特性及相应的排污标准[4]，由火电厂CEMS传送环境监测用的数据必须包含以下7项内容：排放烟气中的烟气温度、烟气压力、烟尘浓度、SO2浓度、NOX浓度、O2浓度和烟气流速（或流量）。其余非必需的数据还烟气湿度等。

图1 CEMS至数据采集传输仪数据传输流程

2 数据传输偏差的原因分析及解决方法

CEMS与数据采集仪的数据偏差包括硬件导致的偏差和软件导致的偏差。由于电流、电压模拟量传输导致的偏差非常容易诊断和解决，本文仅就采样系统和数据换算及折算中产生的偏差进行分析。在7项必须的模拟量数据中，烟气温度基本采用热电偶测量，经就地仪表传输至数据采集传输仪；烟气压力基本采用压力变送器测量，经就地仪表传输至数据采集传输仪，属于匹配度相对较高的模拟量数据，只要电流或电压传输正常，基本不会产生偏差。较易产生数据传输偏差的模拟量数值是烟气流速（或流量）、烟尘浓度、SO2浓度、NOX浓度和O2浓度。

2.1 烟气流速（或流量）的数据传输偏差

2.1.1 数据传输要求

目前，常用于电厂烟风速度测量的仪表主要有差压式流量计、热导式流量计和超声波流量计等[5，6]。就地测量仪表输出的模拟量信号为流速或流量。

根据相关标准要求[2]，需按式（1）计算烟道断面平均流速：

式中：Kv为速度场系数； 为测定断-面某一固定点或测定线上的湿排气平均流速；Vs为测定断面的湿排气平均流速。

其中速度场系数定义[7]为：通过烟道或管道断面烟气的参比方法平均流速，与相同时间区间通过同一断面或非同一断面中某一固定点或测定线的烟气平均流速的比值。

实际工况下的湿烟气流量QS按式（2）计算：

式中：QS为实际工况下湿烟气流量；F为测定断面的面积。

标准状态下的干烟气流量按式（3）计算：

式中：Qsn为标准状态下干烟气流量；pa为大气压力；ps为烟气静压；ts为烟气温度；Xsw为烟气的含湿量。

2.1.2 数据传输偏差原因分析

在实际工作中，容易导致CEMS与数据采集仪产生数据传输偏差的常见原因有：

（1）速度场系数确定及应用产生的偏差。

首先，在速度场系数Kv测定时，参比测定时间与自动连续监测仪的数据采集时间必须严格一致，否则容易导致Kv偏差。比如某机组烟气排放速度场系数测定试验中，参比方法测定的湿烟气平均流速为12.8 m/s，相应时段数据采集的湿烟气平均流速为13.5 m/s，而时间向后推移15 min的湿烟气平均流速为14.2 m/s，相应的速度场系数分别为0.9481和0.9014，速度场系数偏差达到了4.64%，因此总的烟气流量会产生较大偏差。另外，在烟道结构或烟气参数发生重大变化时，需重新测定并计算速度场系数Kv[8]。

其次是未能正确理解速度场系数Kv的准确定义，从而导致流速（或流量）的数据产生偏差。用速度场系数Kv修正前后的流速值是实际工况下湿烟气的流速。实际工作中经常用实际参比方法测量的干烟气流量与测量时段仪表测量的干烟气流量统计均值的比值作为速度场系数Kv，再得出断面的湿排气平均流速。因为参比方法测定时段内使用的温度、压力和湿度等都是测量前输入到仪器中的定值，而测量时段内仪表测量的干烟气流量折算时，温度、压力和湿度都是由瞬时值计算得出，因此容易产生偏差，导致速度场系数不准确。实际工作中还发现，有的发电厂为了方便修改逻辑，直接将速度场系数与流速（或流量）测量表计的量程相乘，有些还未按数值修约的标准规范处理[9]，给发电厂CEMS数据正确规范性管理、环境监测及环保核查工作带来了诸多不利影响，应避免此类现象的发生。

（2）当就地测量仪表输出的模拟量信号为速度场系数修正后的湿烟气流速（或流量）时，在将湿烟气流速（或流量）换算成干烟气数值的过程中容易产生偏差。正确的换算步骤应按公式（2）和（3）计算。若数据采集仪的模拟量输入信号中包括CEMS仪表测定的烟气湿度，则在数据采集仪一端输入相应的公式引用湿度数据即可。若无该数值，则在实际工作中容易因疏忽而导致最终得出的烟气流量为标准状态下的湿烟气流量，这一数值要大大高于标准状态下的干烟气流量。比如，某机组传送至数据采集传输仪的数据中不包含湿度，CEMS传送给数据采集传输仪的流速为12.8 m/s，根据公式（2）和（3）计算后，标准状态下的湿态烟气量为3239281 m3/h，但因为数据采集传输仪没有湿度数据，最后环境监测部门得到的数值就是3239281 m3/h，容易误解为该数值就是标准状态下的干烟气流量。解决办法是：环境监测部门与电厂通过切实可靠的实际测量等技术手段，掌握实际情况后协商1个湿度数据作为定值输入数据采集仪端的计算公式中，得出标准状态下的干烟气流量。对上述机组，可在数据采集传输仪一端设定湿度为9%，折算后得到标准状态下的干烟气流量为2947746 m3/h。

（3）未能正确或认真理解并规范使用公式（3），在实际工作中也会导致换算偏差。无论就地表计输出到数据采集仪的是湿烟气流速还是流量，都应严格按照公式（2）和（3）进行折算，最终在数据采集仪端得出标准状态下的干烟气流量。

2.2 烟尘及气态污染物排放浓度的数据传输偏差

2.1.1 数据传输要求

排放标准中对烟气污染物的体积浓度与质量浓度的换算作如下规定：将体积浓度换算成质量浓度，1 μmol/mol二氧化硫相当于 2.86 mg/m3，氮氧化物质量浓度以二氧化氮计，1 μmol/mol氮氧化物相当于2.05 mg/m3。

烟尘及气态污染物折算排放质量浓度按公式（4）计算[4]：

式中：C为折算成过量空气系数为α时的烟尘、二氧化硫和氮氧化物排放质量浓度；C′为实测的烟尘、二氧化硫和氮氧化物排放质量浓度；α′为实测的过量空气系数；α为火电厂大气污染物的过量空气系数，燃煤锅炉取α=1.4，燃油锅炉取α=1.2，燃气轮机组取α=3.5。

实测过量空气系数α′按公式（5）计算：

目前，CEMS中烟气自动分析仪的采样方式主要有直接抽取采样法和稀释抽气采样法。直接抽取采样法又可分为冷-干式直接抽取和热-湿式直接抽取。我国基本采用冷-干式直接抽取法，烟气样品从烟道抽取后，经过加热软管加热至酸露点以上，在分析仪器前端除水及冷却后进入烟气分析仪表。稀释抽气采样法是抽取少量烟气样品，一般不进行干燥，过滤后再用清洁干燥的空气按一定比例稀释（通常在 1∶50～1∶200，我国多为1∶100）[10]，以降低样气中水分含量，避免结露，再送至烟气分析仪表[11]。冷-干式直接抽取法测得的烟气污染物浓度为干态浓度值，目前国内应采用稀释抽气采样法技术测得的烟气污染物浓度为湿态浓度值[10]。

若采用稀释法采样系统且稀释样气未除湿，烟气中污染物浓度应按公式（6）折算：

式中：ρd为干烟气中被测污染物质量浓度；ρw为CEMS测得的湿烟气中被测污染物质量浓度；Xsw为烟气含湿量。

2.2.2 数据传输偏差原因分析

实际工作中常见的错误有：

（1）部分采用稀释法采样的CEMS在折算时将烟气中的污染物浓度进行了湿基到干基的转换，但直接用湿基的氧量来计算过量空气系数α，从而导致了数据传输的偏差。正确的做法是：无论在CEMS端还是在数据采集传输仪端，都应严格按照公式（6）进行折算，确保各个参数的干基或湿基状态符合要求。

（2）氮氧化物的浓度未折算成二氧化氮的质量浓度，而是折算成一氧化氮或氧化二氮的质量浓度[12]。将体积浓度换算成质量浓度，若以二氧化氮计，1 μmol/mol氮氧化物相当于2.05 mg/m3；若以一氧化氮计，1 μmol/mol氮氧化物相当于1.34 mg/m3； 若以氧化二氮计，1 μmol/mol氮氧化物相当于1.96 mg/m3。

（3）虽然已将实测的体积浓度转化成质量浓度，但并未按照排放标准在CEMS端或数据采集传输仪端进行过量空气系数的折算，或者选用了错误的过量空气系数，导致显示浓度值无法以规定的折算基准来衡量排放水平。

3 结论

火电厂CEMS与数据采集传输仪间的数据传输是将现场检测仪表数据提供给环境监测部门的主要手段，除了现场表计要测量准确之外，数据的传输过程也要加以重视，避免因各种不必要的疏忽或错误导致CEMS测量数值不能准确传输，从而影响环境监测的正确性或准确性。为避免火电厂CEMS与数据采集传输仪间的数据传输产生偏差，在实际工作中应注意以下几点：

（1）熟悉相关标准、规范及设备说明书，正确理解术语、概念及计算公式，严格按照给定的计算公式或折算方法进行数据计算，尤其要注意干态与湿态、实际工况与标准工况间的折算。

（2）不同采样方法的CEMS，计算方法要区别对待，对所有相关数据进行折算，避免遗漏。

（3）无论是在CEMS的测量表计端，还是在数据采集传输仪端设置，都必须使表计测得的数据正确折算至环境监测需要的数据，并符合环境监测的相关标准及规范，确认过程需要从信号源头至最终的环境监测显示值进行梳理，避免漏算或重复计算。

[1]HJ/T 477-2009污染源在线自动监控（监测）数据采集仪传输仪技术要求[S].北京：中国环境科学出版社，2009.

[2]HJ/T 75-2007固定污染源烟气排放连续监测技术规范[S].北京：中国环境科学出版社，2007.

[3]孙海林，贺鹏，朱媛媛.污染源自动监测数据采集传输仪在污染源在线监测中的应用[J].环境研究与监测，2010，23（3）∶12-14，22.

[4]GB 13223-2003火电厂大气污染物排放标准[S].北京：中国标准出版社，2004.

[5]胡达清，刘长东，赵金龙，等.SCR脱硝工艺中烟气流速测量仪表的选型分析[J].自动化仪表，2011，31（8）∶77-78.

[6]冯真祯，朱林，段玖祥.国内外烟气流速测量标准比较分析[J].环境监测管理与技术，2010，22（5）∶57-62.

[7]HJ/T 76-2007固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法（试行）[S].北京：中国环境科学出版社，2007.

[8]高小晋，易江，韩保光，等.速度场系数在烟气流速测定中的应用与研究[J].环境科学研究，2000，13（6）∶16-18，48.

[9]GB/T 8170-2008数值修约规则与极限数值的表示和判定[S].北京：中国标准出版社，2008.

[10]杨凯，周刚，王强，等.烟尘烟气连续自动监测系统技术现状和发展趋势[J].中国环境监测，2010，26（5）∶18-26.

[11]刘天海.CEMS技术在电厂脱硫专业的应用与维护[J].电力技术，2010，19（5）∶27-29.

[12]邹正伟，董文娴.直接抽取采样式CEMS的测量误差分析[J].电力环境保护，2010，19（5）∶47-49.