淺論煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的集成
摘要：全球經(jīng)濟一體化與我國加入WTO使環(huán)保問題與ISO 14001的認(rèn)證成為市場準(zhǔn)入“壁壘”問題；市場競爭的加劇、企業(yè)形象與經(jīng)營管理理念的提升和可持續(xù)性發(fā)展也迫切要求企業(yè)通過自動監(jiān)測、強化管理的手段來解決污染問題。國外環(huán)境治理、保護(hù)的實施與優(yōu)化得益于環(huán)境參數(shù)的檢測或監(jiān)測水平的提高，不僅在各類污水處理、垃圾焚化與再利用等裝置上大量采用了先進(jìn)的測控儀表與計算機系統(tǒng)，而且各企業(yè)在環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)方面投入巨資進(jìn)行全方位的檢測、監(jiān)控與管理。近年來國內(nèi)許多企業(yè)也日益重視環(huán)境監(jiān)測問題和完善監(jiān)測系統(tǒng)，許多電力、石化、冶金企業(yè)已開始進(jìn)行煙塵和SO2濃度的監(jiān)測。
關(guān)鍵詞：CEMS 煙氣 粉塵濃度 自動在線檢測
前言
全球經(jīng)濟一體化與我國加入WTO使環(huán)保問題與ISO 14001的認(rèn)證成為市場準(zhǔn)入“壁壘”問題；市場競爭的加劇、企業(yè)形象與經(jīng)營管理理念的提升和可持續(xù)性發(fā)展也迫切要求企業(yè)通過自動監(jiān)測、強化管理的手段來解決污染問題。國外環(huán)境治理、保護(hù)的實施與優(yōu)化得益于環(huán)境參數(shù)的檢測或監(jiān)測水平的提高，不僅在各類污水處理、垃圾焚化與再利用等裝置上大量采用了先進(jìn)的測控儀表與計算機系統(tǒng)，而且各企業(yè)在環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)方面投入巨資進(jìn)行全方位的檢測、監(jiān)控與管理。近年來國內(nèi)許多企業(yè)也日益重視環(huán)境監(jiān)測問題和完善監(jiān)測系統(tǒng)，許多電力、石化、冶金企業(yè)已開始進(jìn)行煙塵和SO2濃度的監(jiān)測。
一般企業(yè)都無法避免有污染排放點，少則幾個，多則幾十個。金屬粉塵和SO2是氣型污染物的主要污染因子，它們不僅加劇了企業(yè)各種設(shè)施的腐蝕，而且對周邊環(huán)境也造成了極大的危害。
煙氣排放在線監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)能否成功實施的關(guān)鍵在于檢測儀表的選型設(shè)計與儀表系統(tǒng)的集成，因過程分析面對的困難與問題很多：高溫、高粉塵、高水分、負(fù)壓及腐蝕性等惡劣氣體條件；應(yīng)保證必要的檢測準(zhǔn)確度；應(yīng)有較快的反應(yīng)速度；應(yīng)易安裝、易標(biāo)定；防塵、防濺、防腐等防護(hù)要求；應(yīng)有較高的自動化程度，較少的維護(hù)工作量。因此應(yīng)分析被測對象的特征，再研究設(shè)計與生產(chǎn)工藝條件相匹配、相適應(yīng)的分析檢測儀并予以集成解決。
一 氣體含量分析
過去主要采用傳統(tǒng)的分析方法如化學(xué)分析法、氣相色譜法，其缺點是：必須對煙氣進(jìn)行人工取樣，在實驗室進(jìn)行分析，其中操作者的操作技能對分析的精確度有很大影響；而且傳統(tǒng)方法只能單一成分地逐個進(jìn)行檢測分析，不具備多重輸入和信號處理功能；分析費時，響應(yīng)速度慢，效率低，難以實時地分析工況。
工業(yè)過程中產(chǎn)生的氣體成分通常采用以下兩種采樣方式進(jìn)行自動測量。
一種是在線方式：采用最新光學(xué)技術(shù)，在不影響被測氣體本身狀態(tài)時于煙道上進(jìn)行實時直接測量。其原理是氣流通過測量孔，同時吸收儀器發(fā)出的光使光強衰減，測出衰減程度即確定SO2含量。該法具有以下特點：利用SO2對一定波長紫外光的強度吸收特性消除其他成分影響；可測范圍大，可達(dá)0～6000mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)。但采用此類檢測方式的儀表價格很高，如德國SICK公司的MW31型(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為0～6000mg/m3)約30萬元。雖帶有三重反射鏡的測量管內(nèi)置凈化空氣導(dǎo)流裝置，但仍難以確保光學(xué)界面無塵，增加了維護(hù)量。
另一種是抽取方式：即將氣體從煙道中抽取出來進(jìn)行預(yù)處理后、再分析確定其含量。在線檢測方法主要有熱導(dǎo)式、紅外線式和紫外線3種。不同測量方法與系統(tǒng)集成方式，其適應(yīng)性、性能價格比均不同。
熱導(dǎo)式是基于混合氣體中不同氣體組分的導(dǎo)熱系數(shù)(轉(zhuǎn)化為熱絲電阻值的變化)不同的原理，許多企業(yè)應(yīng)用情況欠佳，當(dāng)正壓時維護(hù)量較大，負(fù)壓大時難以抽取樣氣；雖一次購置成本低，但長期運行難維護(hù)、維修成本較高。此法不能用于檢測低濃度(≤0.5%)SO2的場合。
紫外線式是基于被測氣體組分分子對紫外光選擇性的輻射吸收原理，最大特點是光源采用長壽命空心陰極燈，穩(wěn)定性較高；適宜在線測量低濃度SO2煙氣，但在同等性能、功能情況下儀表價格較高。
紅外線式則基于非分光紅外吸收測量法的原理，分層四氣室的獨特設(shè)計具有理想的抗干擾能力。其測量范圍寬，從(0～100)×10-6至0～100% SO2，適用于低濃度SO2波動范圍較大的場合。其性能指標(biāo)優(yōu)越，重復(fù)性好，零點與量程漂移小于±1% F.S/7d。若設(shè)計匹配、含有效的預(yù)處理裝置(粉塵過濾、除水、除酸、壓力流量調(diào)節(jié)、抽氣泵、冷凝器)和電控單元等，則可實現(xiàn)在線檢測的高穩(wěn)定性、高準(zhǔn)確性運行，尤其是ABB公司(德國Hartmann & Braun)Uras14 NDIR紅外分析儀在國內(nèi)有著良好的應(yīng)用業(yè)績。
二 粉塵濃度測量
目前國外主要采用光透射原理，即當(dāng)可控光源穿過帶有微小顆粒的氣體時，一個高靈敏的傳感器可檢測出被微小顆粒吸收的光能，并將其與參比光進(jìn)行比較，從而確定透射值或濁度值，再進(jìn)一步得出粉塵濃度值。如法國Oldham公司的6000系列煙氣分析儀采用直接測量方式，利用傳統(tǒng)紅外吸收原理及最新窄帶干涉濾光片技術(shù)，集氣體成分與粉塵測量于一體，簡化了測量和處理過程。
此類儀表的特點：以光學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，自動完成測量、控制、線性測試以及污染物檢測功能，反應(yīng)速度快，無采樣處理過程；帶有反吹裝置，防止光學(xué)鏡頭面受污染；具備快速切斷閥可在吹掃裝置失效后自動保護(hù)儀器；安裝簡便，發(fā)射與檢測單元可通過法蘭安裝在煙管兩側(cè)；多種信號輸出(0/2/4～20mA模擬輸出、數(shù)字輸出、RS-232與RS-485通信接口)和顯示，可滿足各類測量、控制與系統(tǒng)集成要求。
三 煙氣流量檢測裝置
國內(nèi)外目前流量檢測方法與裝置很多，但要解決好粉塵堵塞與可能存在的腐蝕以及降溫后的冷凝，以及大管徑、低流速、寬量程比、低靜壓等問題，要達(dá)到預(yù)期的準(zhǔn)確性與可靠性，須慎重選型設(shè)計。
美國Intek公司、Kurz公司進(jìn)入我國市場多年，檢測SO2煙氣流量也有多年成功經(jīng)驗，其熱導(dǎo)式流量計產(chǎn)品性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠；維護(hù)與運行成本低，管徑增大購置成本增加不多；采用插入式安裝結(jié)構(gòu)，拆裝檢修方便；信號直接由非電量變換成電量，便于信號處理；在小流量、介質(zhì)雷諾數(shù)很低的情況下有較好的測量精確度。近年來該類流量計在國內(nèi)外有著較好的信譽和市場，但不太適宜于污染物(有粘性的)多、介質(zhì)溫度變化劇烈的流體流量測量。
節(jié)流式流量計：采用滿管式安裝與測量，精確度略高，有國際標(biāo)準(zhǔn)可循。但也有其局限性，如管徑越大造價越高，安裝檢修不便，維護(hù)工作量大；介質(zhì)壓力傳輸會帶來堵塞，降溫引起冷凝加劇腐蝕、結(jié)垢；在使用中工況參數(shù)變化、前后直管段不夠、銳角磨損等因素都會使其不確定度增大，影響精確度；測量范圍窄，僅為3:1，壓損大，能耗大，運行費用高。
均速管流量計：原理上與節(jié)流式流量計同屬于差壓式，但精確度較節(jié)流式流量計略低、比單點測量法略高。因其測得的是管截面上介質(zhì)的平均速度，具有一定代表性，因而反映了管內(nèi)流速分布變化規(guī)律。其造價比節(jié)流式低，但它無法避免節(jié)流式流量計的其他缺點，在流速較高、粉塵較多時易堵塞，而在低流速時輸出差壓小，其流量系數(shù)易受測量管大小、工藝管徑比、安裝等因素的影響。
渦街流量計：可采用插入式結(jié)構(gòu)測量中心點的流速，不存在差壓式流量計的缺陷，在粉塵干燥、流速較高的情況下，發(fā)生體堵塞的可能性小，信噪比高，維護(hù)量不大。應(yīng)用中應(yīng)注意振動與儀表運行可靠性選擇問題。渦輪流量計靈敏度高，但難以長期適應(yīng)含塵環(huán)境。(注：當(dāng)粉塵濃度小于100g/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)時，一般可不考慮粉塵濃度對流量測量示值的影響。)
彎管流量計：結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)無任何附加節(jié)流件、插入件和可動部件，不易堵塞，無壓力損失，因此適合于大管徑、低流速、低靜壓、多粉塵與腐蝕較強的場合，但它對90°彎頭的結(jié)構(gòu)尺寸有要求：需圓滑、管內(nèi)無毛刺；對于特大管徑安裝檢修復(fù)雜，輸出差壓也較小。
在正確選型設(shè)計與安裝調(diào)試的同時，為確保測量準(zhǔn)確，除應(yīng)定期進(jìn)行維護(hù)等工作外，必要時應(yīng)設(shè)計安裝定期吹掃、清洗儀表探頭裝置，定期處理探頭上粘結(jié)污物、信號取壓口與引壓口及引壓管的粉塵沉積或堵塞等。
四 監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架
系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮開放性、低成本、高可靠性和良好的擴充性。完整的分布式監(jiān)測管理系統(tǒng)應(yīng)采用分布式數(shù)據(jù)采集、控制技術(shù)和多層結(jié)構(gòu)組建監(jiān)控中心，下設(shè)多個子站系統(tǒng)，拋棄專業(yè)架構(gòu)而采用PC-based開放系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)都可獨立運行，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。
系統(tǒng)各部分功能：在線自動監(jiān)測儀對各監(jiān)測點的煙氣進(jìn)行實時采樣、預(yù)處理，及時可靠地對煙氣排放情況如粉塵濃度、SO2濃度和煙氣流量進(jìn)行檢測、處理、轉(zhuǎn)換和信號傳輸或通信。監(jiān)測子站根據(jù)需要可設(shè)在區(qū)域較集中的一些過程儀表主控室內(nèi)，各子站內(nèi)安裝一套監(jiān)測計算機系統(tǒng)或利用現(xiàn)場已有計算機過程測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能完成檢測儀表輸出信號的采集、數(shù)據(jù)處理、存儲、顯示、記錄和統(tǒng)計等功能，實現(xiàn)與監(jiān)測中心站計算機的實時、遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)測中心站負(fù)責(zé)接收子站傳輸?shù)男畔⒑推湮廴驹吹谋O(jiān)測信息；負(fù)責(zé)對監(jiān)測信息分類、篩選和綜合分析；完成對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、運算、處理，能自動生成各種報表和綜合分析與管理；具有存儲、顯示、記錄與打印、統(tǒng)計與查詢檢索，與其他信息中心聯(lián)網(wǎng)、與離線式監(jiān)測計算機通信，系統(tǒng)管理與設(shè)備通信自檢等功能。
如直接購買國外成熟的整套連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)等標(biāo)準(zhǔn)專用分析系統(tǒng)，不僅價格昂貴(約60萬元/套)，而且有些煙塵檢測儀和SO2分析儀適用范圍窄，并非最優(yōu)化，如Ultramat 23可測SO2濃度范圍僅為0～400mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)。
因此，針對不同測量對象特征，采用先進(jìn)、適用的多臺單或雙參數(shù)自動測量儀表，并集成與開發(fā)或制作反向吹掃和取樣預(yù)處理裝置，開發(fā)相應(yīng)的信號處理與通信軟件，集成一整套性能價格比最優(yōu)的在線自動監(jiān)測系統(tǒng)為佳。
數(shù)采模塊或系統(tǒng)可采用ADAM系統(tǒng)，由ADAM5000/485系統(tǒng)模塊和ADAM5017模擬量輸入模塊構(gòu)成。系統(tǒng)模塊可提供4個I/O插槽，單機可達(dá)64個I/O點，采用ASCII命令/響應(yīng)通信協(xié)議，可提供兩線式多站RS-485網(wǎng)絡(luò)通信；傳輸速率可達(dá)115.2kb/s；系統(tǒng)可提供三相隔離保護(hù)及看門狗監(jiān)視功能，內(nèi)置自我檢測功能。
ADAM5017模擬量輸入模塊(8路差入、3000V DC隔離保護(hù)、16b分辨力)對粉塵儀、SO2分析儀、流量計等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、調(diào)理和再傳輸，所有模塊均通過RS-485雙絞線與主機通信。
RS-485是工業(yè)上使用最為廣泛的雙向有補償通信規(guī)約，僅用一組雙絞線即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速和長距離的發(fā)送和接收，形成RS-485網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)；各節(jié)點并行連網(wǎng)，互相獨立，提高了系統(tǒng)的可靠性。該通信系統(tǒng)安裝簡單，成本低，傳輸距離遠(yuǎn)(1.2km)，易于擴充。RS-485聯(lián)網(wǎng)拓樸結(jié)構(gòu)如圖2所示。
整個系統(tǒng)由上位機進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和管理，與下位子系統(tǒng)采用主從異步通信方式。上位機選用高性能的工業(yè)控制計算機，內(nèi)置RS-485通信卡和可支持多臺顯示器的多屏卡。
在通信解決方案上有多種方式可選，如無線通信方案有易解決通信問題、可降低成本、安裝簡便、采用大功率天線可增加通信距離等優(yōu)點，但利小于弊：一是企業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，大量房屋和爐窯等設(shè)施會阻塞或影響調(diào)頻信號的傳輸；二是電氣、電力設(shè)施多會產(chǎn)生復(fù)雜多樣的電磁干擾，以及許多企業(yè)開展移動通信的集團消費后建有GSM等基站產(chǎn)生射頻干擾；電臺的設(shè)立須申請并定期繳納無線電頻道占用費，受約束因素多。
若采用Modem方式，則存在占用企業(yè)程控電話多、傳輸速度慢、信息量小的問題；中間設(shè)備環(huán)節(jié)多，有損于系統(tǒng)的整體可靠性；敷設(shè)電纜問題同樣無法避免。因此，Modem方式可在監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)尚未建立前，對單點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，待今后網(wǎng)絡(luò)建立后轉(zhuǎn)為網(wǎng)絡(luò)通信。
五 結(jié)語
隨著光學(xué)、計算機與自動檢測等新技術(shù)的發(fā)展，許多以前難以檢測的非電量(如工業(yè)爐窯、塔罐煙氣排放點的自動采樣與預(yù)處理，粉塵與SO2等主要污染因子和煙氣流量的在線監(jiān)測)均得以解決，這將有利于及時調(diào)整與監(jiān)控脫硫、除塵等環(huán)保設(shè)施的運行狀態(tài)，加強達(dá)標(biāo)排放管理，對于排放點的有效監(jiān)測與管理有著積極而重要的意義。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
