设计均采用TDLAS测量原理。
1 TDLAS测量原理
TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）技术是采用可调谐二极管激光器发射出的窄带激光扫描气体吸收谱线，然后通过分析分子吸收后的激光强度得到气体浓度。当一束波长为ν的单色激光穿过被测气体后，激光透过率可以用Beer-Lambert定律描述：
（1）
式中：为气体吸收前的光强；
为气体吸收后的光强；
P为气体压强；
C为被测气体浓度；
L为激光吸收光程；
S（T）为谱线的线强度，与温度有关；
为分子吸收线型函数，且；
由公式（1）可知，当被测气体压强、温度、激光吸收光程已知的情况下，便可以通过测量激光透过率得到被测气体的浓度。
不同的气体分子只吸收固定波长的谱线，该方法具有极好的选择性；测量精度可以达到ppm量级，灵敏度高；测量速度快，可达到ms级响应级别；根据TDLAS原理可知，浓度由气体吸收后光强与气体吸收前光强的比值即激光透过率决定，绝对光强的大小不影响测量结果，因此在激光可以透过的情况下，粉尘对测量带来的激光衰弱影响可以忽略[5]。
2 两种仪表的应用现状
2.1 Unisearch的LasIR
2.1.1 仪表结构
LasIR包括激光控制单元、电源供给单元、信号处理单元，激光发射单元和激光接收单元，该仪表采用原位对穿测量方式，激光发射单元和激光接收单元安装在烟道两侧。其结构示意图如图1所示。LasIR由激光控制单元驱动激光器发射出的光束一部分透过参比池，实时锁定气体吸收谱线；另一部分通过光缆传送到光学发射单元，经过准直后射出，射出光束穿过测量气体空间，到达激光接收单元，在激光接收单元经光电检测器把光信号转换成电信号，经同轴电缆传输给信号处理单元，计算出被测气体浓度值。
2.1.2 仪表优缺点
该仪表优点：
（1）结构简单，安装方便；
（2）激光在发射单元经过扩束，被发散地发射到接收单元，使得接收单元接收到的光强稳定保持不变。
该仪表存在问题：
（1）激光必须透过是TDLAS方法不受绝对光强影响的前提，然而由于国内电厂煤质不同，烟道粉尘含量高，从而导致镜片污染造成激光无法透过，进而无法测量。现象便是仪表经常显示激光功率不足，不显示氨气浓度值如图2所示。
（2）测量数据不可靠，仪表显示该烟道氨气浓度长期在3ppm以下，多数低于1ppm，但脱硝后空气预热器经常阻力变大，被NH4HSO4堵住，需要隔离清洗，维护成本高。
（3）该仪表无法进行标定。其采用原位对穿方式测量，内部属开放式环境，无法充入固定浓度氨气验证仪表测量数据的准确性。
（4）尽管在激光发射单元激光经过扩束到达激光接收单元，以保证激光接收单元接受到的激光光强保持不变，在该仪器安装完使用的前期可以保持不变，但是过一段时间后由于烟道震动膨胀变形，后期无法接收到激光。
（5）也是由于粉尘含量高的原因，光功率衰减太大，以至于无法实现LasIR预定的光纤分布式一台仪表可以通过分束测量两个烟道氨逃逸率。
（6）该仪表测量的是烟道一条线上的逃逸氨浓度，安装位置对此有很大影响，一条线无法反应烟道内氨气分布情况。
2.2 德国西克的GM700
2.2.1 仪表结构
GM700包括激光发射接收单元、测量探头、烟道安装带管法兰、计算单元及与外围设备接口，该仪表采用反射式方式设计烟道单侧安装。其仪表结构示意图如图3所示。激光发射接收单元内含激光控制器，驱动激光器发出激光一部分透过参比气室，用来实时锁定波长；另一部分透过测量探头一端透镜进入测量探头，由测量探头另一端棱镜反射，再次经过测量探头回到激光发射接收单元，由光电检测器实现光电转换，数据传输至计算单元，计算出气体浓度。
2.2.2 仪表优缺点
该仪表优点：
（1）该仪表使用直插式气体渗透膜GPP测量探头削弱了粉尘的影响，不用抽取样气，无需吹扫空气单元，结构简单；
（2）有零气测量装置，可以随时手动或者自动检测仪表零点。
该仪表存在问题：
（1）由于是GPP测量探头采用渗透膜，存在响应时间长问题，第一次安装使用完成一次渗透需要大约50s，同时无法判断烟气是否在更新；
通过试验得知，当脱硝反应器氨气流量接近0kg/h，脱硝效率接近0%时，氨逃逸的浓度并没有随之变为0，而是持续维持在一定数值上，我们无法判断气体是否在更新。
（2）由于测量探头没有安装反吹装置，烟道内的粉尘会堵塞探头，导致渗透时间会越来越长以致到后来无法渗透；
（3）该仪表不使用光纤，激光发射接收单元与测量探头一体化，结构紧凑简单，但是这样一个激光器只能测量一个烟道；
（4）测量位置单一，代表性差；
（5）使用中发现本底信号无法克服，正常运行中氨逃逸数据能反应喷氨量变化，但在喷氨安全停止以后，氨逃逸数据仍然在随锅炉其他运行参数变化。
3 氨逃逸仪表拟改进方向
3.1 粉尘影响验证
为了验证烟道内粉尘对激光信号的影响，首先模拟原位安装，将一个红光激光器固定在烟道一侧模拟激光发射端，另一端由光电探测器接收；然后在烟道内横穿一根不锈钢管，此时还是高温环境，但无粉尘，将红光激光器和光电探测器分别固定在不锈钢管的两端；用肉眼观测红光有粉尘情况比无粉尘情况削弱很多，将光电探测器信号采集，两种情况得到的激光光强如图所示。图4有粉尘影响，激光强度约为200mV，图5无粉尘影响，激光强度约为6V，可以看出，由于粉尘影响，激光衰减了近30倍。
3.2 拟改进方向
由于国内燃煤电厂所用煤质原因，烟道内粉尘含量高，再加上高温环境，使得加拿大优胜公司的LasIR与德国西克的GM700应用中都存在一些问题。建议脱硝后氨逃逸率监测仪表从以下几个方向改进：
3.2.1 采用原位取样测量方式
原位对穿式测量受粉尘影响太大，烟道壁的变形也会造成激光的偏移，而传统的取样方式取样在烟道内，测量在烟道外，需要增加复杂的样气处理和伴热装置，而且伴热很难做到均匀，非均匀伴热及伴热温度不够时容易造成氨气与三氧化硫反应生成硫酸氢铵及氨气在取样管路的吸附，使得测量结果失真。因此建议采用原位取样测量，将取样和测量都安装在烟道内部，这样可以保证样气温度一直与烟气温度一致，不会改变烟气中氨气的含量，采用抽取方式将烟气经过滤后进入测量装置，能够降低粉尘的影响。
3.2.2 考虑安装多个取样装置，外加反吹功能
让取样装置呈片状分布于烟道内部，取样进来的气体混合过滤后进入同一个测量装置，这样测量的是该片状区域氨逃逸浓度的平均值，测量更加具有代表性。另外，仪表配备自动定时反吹功能，使用仪用压缩空气对过滤器进行反吹，避免过滤器堵灰影响气体更新速率。
3.2.3 采用光纤分束式测量
由于采用取样过滤方式使烟气进入测量腔，消除了粉尘的影响，如此一来，激光透过率得到保证，因此可以使用光纤分束器将激光分成两束，这样便可同时测量两个烟道内的氨逃逸率。
3.2.4 采用低压测量方式
烟气中气体种类繁多，会给氨气测量带来一定的干扰。众多文献表明，在低压环境下，气体特征吸收谱线变窄，激光扫描范围变小，这样可以更加有效避免其它气体谱线干扰。另外激光扫描范围变窄后，背景信号波动减小，可以有效提高信噪比，降低测量下限，提高测量灵敏度。
3.2.5 自动定时测量背景信号，消除背景信号影响
背景信号存在随机变化规律，对氨气测量带来的影响不可小视。体现为零点漂移，即相同的浓度对应不同的谐波峰值。因此加入自动定时测量背景信号装置，实时监测背景信号情况，消除背景信号影响。
3.2.6 添加自动标定功能
可以考虑添加电动阀门定期进入固定浓度氨气，对仪表进行校准，监测测量结果的准确性和可靠性。
4 结语
烟道高温高粉尘环境给氨逃逸率监测仪表应用带来很大难题，德国西克GM700使用GPP过滤渗透膜探头相比加拿大优胜LasIR削弱了粉尘的影响，但在应用中存在系列其它问题。本文在分析两种仪表的优缺点和使用中存在的问题后，用现场模拟方式分析了粉尘对激光的影响，提出了氨逃逸监测仪表在高温高粉尘环境下应用的改进方向。
参考文献：
[1]张志强，宋国升，陈崇明，等.某电厂600MW机组SCR脱硝过程氨逃逸原因分析[J].发电技术，2012，33（6）：67-70.
[2]王复兴.一种新型在线分析仪器-可调谐二极管激光光谱分析器[J].分析仪器，2007，2：60-63.
[3]张进伟，陈生龙，程银平.可调谐半导体激光吸收光谱技术在脱硝微量氨检测系统中的应用[J]中国仪器仪表，2011，3：26-29.
[4]朱卫东.火电厂烟气脱硫脱硝监测分析及氨逃逸量监测[J].分析仪器，2010，1：88-94.
[5]李宁.基于可调谐激光吸收光谱技术的气体在线检测及二维分布重建研究[D].浙江大学，2008.