淺論煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的集成
摘要：全球經濟一體化與我國加入WTO使環(huán)保問題與ISO 14001的認證成為市場準入“壁壘”問題；市場競爭的加劇、企業(yè)形象與經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、保護的實施與優(yōu)化得益于環(huán)境參數的檢測或監(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)測與保護方面投入巨資進行全方位的檢測、監(jiān)控與管理。近年來國內許多企業(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)已開始進行煙塵和SO2濃度的監(jiān)測。
關鍵詞：CEMS 煙氣 粉塵濃度 自動在線檢測
前言
全球經濟一體化與我國加入WTO使環(huán)保問題與ISO 14001的認證成為市場準入“壁壘”問題；市場競爭的加劇、企業(yè)形象與經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、保護的實施與優(yōu)化得益于環(huán)境參數的檢測或監(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)測與保護方面投入巨資進行全方位的檢測、監(jiān)控與管理。近年來國內許多企業(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)能否成功實施的關鍵在于檢測儀表的選型設計與儀表系統(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、負壓及腐蝕性等惡劣氣體條件；應保證必要的檢測準確度；應有較快的反應速度；應易安裝、易標定；防塵、防濺、防腐等防護要求；應有較高的自動化程度，較少的維護工作量。因此應分析被測對象的特征，再研究設計與生產工藝條件相匹配、相適應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)的分析方法如化學分析法、氣相色譜法，其缺點是：必須對煙氣進行人工取樣，在實驗室進行分析，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，響應速度慢，效率低，難以實時地分析工況。
工業(yè)過程中產生的氣體成分通常采用以下兩種采樣方式進行自動測量。
一種是在線方式：采用最新光學技術，在不影響被測氣體本身狀態(tài)時于煙道上進行實時直接測量。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0～6000mg/m3(標準狀態(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(標準狀態(tài)下為0～6000mg/m3)約30萬元。雖帶有三重反射鏡的測量管內置凈化空氣導流裝置，但仍難以確保光學界面無塵，增加了維護量。
另一種是抽取方式：即將氣體從煙道中抽取出來進行預處理后、再分析確定其含量。在線檢測方法主要有熱導式、紅外線式和紫外線3種。不同測量方法與系統(tǒng)集成方式，其適應性、性能價格比均不同。
熱導式是基于混合氣體中不同氣體組分的導熱系數(轉化為熱絲電阻值的變化)不同的原理，許多企業(yè)應用情況欠佳，當正壓時維護量較大，負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、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。其性能指標優(yōu)越，重復性好，零點與量程漂移小于±1% F.S/7d。若設計匹配、含有效的預處理裝置(粉塵過濾、除水、除酸、壓力流量調節(jié)、抽氣泵、冷凝器)和電控單元等，則可實現在線檢測的高穩(wěn)定性、高準確性運行，尤其是ABB公司(德國Hartmann & Braun)Uras14 NDIR紅外分析儀在國內有著良好的應用業(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，并將其與參比光進行比較，從而確定透射值或濁度值，再進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，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：以光學技術為基礎，自動完成測量、控制、線性測試以及污染物檢測功能，反應速度快，無采樣處理過程；帶有反吹裝置，防止光學鏡頭面受污染；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；多種信號輸出(0/2/4～20mA模擬輸出、數字輸出、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，要達到預期的準確性與可靠性，須慎重選型設計。
美國Intek公司、Kurz公司進入我國市場多年，檢測SO2煙氣流量也有多年成功經驗，其熱導式流量計產品性能穩(wěn)定，數據準確可靠；維護與運行成本低，管徑增大購置成本增加不多；采用插入式安裝結構，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、介質雷諾數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，有國際標準可循。但也有其局限性，如管徑越大造價越高，安裝檢修不便，維護工作量大；介質壓力傳輸會帶來堵塞，降溫引起冷凝加劇腐蝕、結垢；在使用中工況參數變化、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的平均速度，具有一定代表性，因而反映了管內流速分布變化規(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：可采用插入式結構測量中心點的流速，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，維護量不大。應用中應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，但難以長期適應含塵環(huán)境。(注：當粉塵濃度小于100g/m3(標準狀態(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：結構簡單，內無任何附加節(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°彎頭的結構尺寸有要求：需圓滑、管內無毛刺；對于特大管徑安裝檢修復雜，輸出差壓也較小。
在正確選型設計與安裝調試的同時，為確保測量準確，除應定期進行維護等工作外，必要時應設計安裝定期吹掃、清洗儀表探頭裝置，定期處理探頭上粘結污物、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)的網絡構架
系統(tǒng)設計應考慮開放性、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)應采用分布式數據采集、控制技術和多層結構組建監(jiān)控中心，下設多個子站系統(tǒng)，拋棄專業(yè)架構而采用PC-based開放系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)都可獨立運行，系統(tǒng)網絡架構如圖1所示。
系統(tǒng)各部分功能：在線自動監(jiān)測儀對各監(jiān)測點的煙氣進行實時采樣、預處理，及時可靠地對煙氣排放情況如粉塵濃度、SO2濃度和煙氣流量進行檢測、處理、轉換和信號傳輸或通信。監(jiān)測子站根據需要可設在區(qū)域較集中的一些過程儀表主控室內，各子站內安裝一套監(jiān)測計算機系統(tǒng)或利用現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、數據處理、存儲、顯示、記錄和統(tǒng)計等功能，實現與監(jiān)測中心站計算機的實時、遠距離數據傳輸。監(jiān)測中心站負責接收子站傳輸的信息和其污染源的監(jiān)測信息；負責對監(jiān)測信息分類、篩選和綜合分析；完成對數據的統(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，與其他信息中心聯網、與離線式監(jiān)測計算機通信，系統(tǒng)管理與設備通信自檢等功能。
如直接購買國外成熟的整套連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)等標準專用分析系統(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(標準狀態(tài)下)。
因此，針對不同測量對象特征，采用先進、適用的多臺單或雙參數自動測量儀表，并集成與開發(fā)或制作反向吹掃和取樣預處理裝置，開發(fā)相應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模擬量輸入模塊構成。系統(tǒng)模塊可提供4個I/O插槽，單機可達64個I/O點，采用ASCII命令/響應通信協議，可提供兩線式多站RS-485網絡通信；傳輸速率可達115.2kb/s；系統(tǒng)可提供三相隔離保護及看門狗監(jiān)視功能，內置自我檢測功能。
ADAM5017模擬量輸入模塊(8路差入、3000V DC隔離保護、16b分辨力)對粉塵儀、SO2分析儀、流量計等進行數據采集、調理和再傳輸，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數據高速和長距離的發(fā)送和接收，形成RS-485網絡通信系統(tǒng)；各節(jié)點并行連網，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(1.2km)，易于擴充。RS-485聯網拓樸結構如圖2所示。
整個系統(tǒng)由上位機進行統(tǒng)一調度和管理，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)現場環(huán)境惡劣，大量房屋和爐窯等設施會阻塞或影響調頻信號的傳輸；二是電氣、電力設施多會產生復雜多樣的電磁干擾，以及許多企業(yè)開展移動通信的集團消費后建有GSM等基站產生射頻干擾；電臺的設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；中間設備環(huán)節(jié)多，有損于系統(tǒng)的整體可靠性；敷設電纜問題同樣無法避免。因此，Modem方式可在監(jiān)測網絡尚未建立前，對單點進行數據采集，待今后網絡建立后轉為網絡通信。
五 結語
隨著光學、計算機與自動檢測等新技術的發(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，這將有利于及時調整與監(jiān)控脫硫、除塵等環(huán)保設施的運行狀態(tài)，加強達標排放管理，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”
