淺論煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）的集成
摘 要：近年來企業(yè)環(huán)境保護(hù)與在線監(jiān)測(cè)需求越來越大，制造商推介的CEMS也不少，但不同企業(yè)、不同煙氣排放點(diǎn)有著不同的對(duì)象特征。本文在簡要分析了環(huán)境保護(hù)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制的作用與意義，針對(duì)SO2煙氣重點(diǎn)闡述了其流量、成分、粉塵濃度的自動(dòng)檢測(cè)及其系統(tǒng)的集成、設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：CEMS 煙氣 粉塵濃度 自動(dòng)在線檢測(cè)
前言
全球經(jīng)濟(jì)的一體化與中國加入WTO使環(huán)保問題與ISO14001的認(rèn)證成為市場(chǎng)準(zhǔn)入“壁壘”問題；市場(chǎng)競爭的加劇、企業(yè)形象與經(jīng)營管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(dòng)監(jiān)測(cè)、強(qiáng)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(shí)施與優(yōu)化得益于環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)或監(jiān)測(cè)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(cè)控儀表與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而且各企業(yè)在環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)方面投入巨資進(jìn)行全方位的檢測(cè)、監(jiān)控與管理。國內(nèi)許多企業(yè)近年來也日益重視環(huán)境監(jiān)測(cè)問題和完善監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，許多電廠、石化、冶金企業(yè)已開始進(jìn)行煙塵和SO2濃度監(jiān)測(cè)。
一般企業(yè)都無法避免有污染排放點(diǎn)，少則幾個(gè)、多則幾十個(gè)，金屬粉塵和SO2是氣型污染物的主要污染因子，這些污染源排放的大量粉塵和SO2煙氣，不僅加劇了企業(yè)各種設(shè)施的腐蝕，而且對(duì)周邊環(huán)境也造成了極大的危害。
煙氣排放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）成功與否的關(guān)鍵在于檢測(cè)儀表的選型設(shè)計(jì)與儀表系統(tǒng)的集成，因過程分析面對(duì)的困難與問題很多：高溫、高粉塵、高水份、負(fù)壓及腐蝕性等惡劣氣體條件；應(yīng)保證必要的檢測(cè)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(dòng)化程度，較少的維護(hù)工作量。因此應(yīng)分析被測(cè)對(duì)象特征，再研究設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝條件相匹配、相適應(yīng)的分析檢測(cè)儀表并予以集成解決。
一、氣體成分分析
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(diǎn)是：必須對(duì)煙氣進(jìn)行人工取樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，其中操作者的操作技能對(duì)分析的精度有很大影響；而且傳統(tǒng)方法只能單一成份地逐個(gè)進(jìn)行檢測(cè)分析，不具備多重輸入和信號(hào)處理功能；分析費(fèi)時(shí)，響應(yīng)速度慢，效率低，難以實(shí)時(shí)地分析工況。
工業(yè)過程中產(chǎn)生的氣體成分通常采用兩種采樣方式進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量：
一種是在線方式——采用最新光學(xué)技術(shù)，在不影響被測(cè)氣體本身狀態(tài)時(shí)于煙道上進(jìn)行實(shí)時(shí)的直接測(cè)量。其原理是氣流通過測(cè)量孔同時(shí)吸收儀器發(fā)出的光使光強(qiáng)衰減，測(cè)出衰減程度即確定了SO2含量。該法具有以下特點(diǎn)：利用SO2對(duì)一定波長紫外光的強(qiáng)吸收特性消除其它成份影響；可測(cè)范圍大，可達(dá)0～6000 mg/Nm3。但采用此類檢測(cè)方式的儀表價(jià)格很高，如德國SICK公司的MW31型（0-6000 mg/Nm3）約30萬元；雖帶有三重反射鏡的測(cè)量管內(nèi)置凈化空氣導(dǎo)流裝置，但可能仍難確保光學(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(cè)方法主要有熱導(dǎo)式、紅外線式和紫外線三種。不同測(cè)量方法與系統(tǒng)集成方式其適應(yīng)性、性能價(jià)格比均不同。
熱導(dǎo)式是基于混合氣體中不同氣體組份的導(dǎo)熱系數(shù)（轉(zhuǎn)變?yōu)闊峤z電阻值的變化）不同的原理，許多企業(yè)應(yīng)用情況欠佳——冒正壓時(shí)維護(hù)量較大，負(fù)壓大時(shí)難以抽取樣氣；雖一次購置成本低但長期運(yùn)行難維護(hù)、維修成本較高。此法不能用于檢測(cè)低濃度（≤0.5%）SO2的場(chǎng)合。
紫外線式是基于被測(cè)氣體組份分子對(duì)紫外光選擇性的輻射吸收原理，最大特點(diǎn)是采用長壽命空心陰極燈做光源，穩(wěn)定性較高；適宜在線測(cè)量低濃度SO2煙氣，但在同等性能、功能情況下儀表價(jià)格較高。
紅外線式則基于非分光紅外吸收測(cè)量法的原理，分層四氣室的獨(dú)特設(shè)計(jì)具有理想的抗干擾能力；其測(cè)量范圍寬，從0～100ppm至0～100%SO2，適應(yīng)用于低濃度SO2波動(dòng)范圍較大的場(chǎng)合；其性能指標(biāo)優(yōu)越，重復(fù)性好，零點(diǎn)與量程漂移小于±1%F.S/7d。若設(shè)計(jì)匹配、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(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)的高穩(wěn)定性、高準(zhǔn)確性運(yùn)行，尤其是ABB公司（德國Hartman & 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(cè)量
目前國外主要采用光透射原理——當(dāng)可控光源穿過帶有微小顆粒的氣體時(shí)，一個(gè)高靈敏的傳感器可檢測(cè)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(cè)量方式，利用傳統(tǒng)的紅外吸收原理及最新的窄帶干涉濾光片技術(shù)、集氣體成分測(cè)量與粉塵測(cè)量于一體，簡化了測(cè)量和處理過程。
此類儀表具有以下特點(diǎn)：以光學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，自動(dòng)完成測(cè)量、控制、線性測(cè)試以及污染物檢測(cè)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)鏡頭面不受污染；具備快速切斷閥可在吹掃裝置失效后自動(dòng)保護(hù)儀器；安裝簡便，發(fā)射與檢測(cè)單元可通過法蘭安裝在煙管兩側(cè)；多種信號(hào)輸出（0/2/4-20mA模擬輸出、數(shù)字輸出、RS232與RS485通訊接口）和顯示，可滿足各類測(cè)量、控制與系統(tǒng)集成要求。
三、 煙氣流量檢測(cè)裝置
國內(nèi)外目前流量檢測(cè)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等問題，解決大管徑、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(jì)。
熱導(dǎo)式流量計(jì)特點(diǎn)：美國INTEK公司、KURZ公司的產(chǎn)品進(jìn)入中國市場(chǎng)多年，檢測(cè)SO2煙氣流量也有多年成功經(jīng)驗(yàn)，其性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠；維護(hù)與運(yùn)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(hào)直接由非電量變換成電量，便于信號(hào)處理；在小流量、介質(zhì)的雷諾數(shù)很低的情況下有較好的測(cè)量進(jìn)度。該類流量計(jì)近年來在國內(nèi)外有較好的信譽(yù)和市場(chǎng)，但不太適宜于污染物（有粘性的）多、介質(zhì)的溫度變化劇烈的流體流量測(cè)量。
節(jié)流式流量計(jì)——采用滿管式安裝與測(cè)量，精度略高、有國際標(biāo)準(zhǔn)可循，但也有其局限性：管徑越大造價(jià)越高、安裝檢修不便，維護(hù)工作量大；介質(zhì)壓力傳輸會(huì)帶來堵塞、降溫引起冷凝加劇腐蝕、結(jié)垢；使用中影響精度的因素多如工況參數(shù)變化、前后直管段不夠、銳角磨損等，都會(huì)使其不確定度增大；測(cè)量范圍窄、僅為3:1，壓損大、能耗大運(yùn)行費(fèi)用高。
均速管流量計(jì)——原理上與節(jié)流式流量計(jì)同屬于差壓使流量計(jì)，精度較節(jié)流式流量計(jì)略低但比單點(diǎn)測(cè)量法略高、因其測(cè)得的是管截面上介質(zhì)的平均速度，具有一定的代表性，反映了管內(nèi)流速分布變化規(guī)律；造價(jià)比節(jié)流法低，但它避免不了上述節(jié)流式流量計(jì)的其它缺點(diǎn)，在流速較高、粉塵較多時(shí)易堵塞，而在低流速時(shí)輸出差壓小；其流量系數(shù)受測(cè)管大小、工藝管徑比、安裝等因素的影響。
渦街流量計(jì)——可采用插入式結(jié)構(gòu)測(cè)量中心點(diǎn)的流速，不存在差壓式流量計(jì)的缺陷，在粉塵干燥、流速較高情況下，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(dòng)與儀表運(yùn)行可靠性選擇問題。渦輪流量計(jì)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/Nm3時(shí)，一般可不考慮粉塵濃度對(duì)流量測(cè)量示值的影響。）
彎管流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)無任何附加節(jié)流件、插入件和可動(dòng)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(qiáng)的場(chǎng)合，但它對(duì)90°彎頭的結(jié)構(gòu)尺寸有要求：圓滑、管內(nèi)無毛刺；對(duì)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(jì)與安裝調(diào)試的同時(shí)，為了確保準(zhǔn)確測(cè)量，除了應(yīng)定期進(jìn)行維護(hù)維修工作外，必要時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)安裝定期吹掃、清洗儀表探頭裝置，定期處理探頭上粘結(jié)的污物、信號(hào)取壓口與引壓口及引壓管的粉塵沉積或堵塞等。
四、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架
系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮開放性、低成本、高可靠性和良好的擴(kuò)充性。完整的分布式監(jiān)測(cè)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(gè)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(gè)子系統(tǒng)都可獨(dú)立運(yùn)行。
系統(tǒng)各部分功能如下：在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀表對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的煙氣實(shí)時(shí)采樣、進(jìn)行預(yù)處理，及時(shí)可靠地對(duì)煙氣排放情況——粉塵濃度、SO2濃度和煙氣流量進(jìn)行檢測(cè)、處理、轉(zhuǎn)換和信號(hào)傳輸或通訊。監(jiān)測(cè)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(cè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或利用現(xiàn)場(chǎng)已有的計(jì)算機(jī)過程測(cè)控系統(tǒng)；該系統(tǒng)能完成檢測(cè)儀表輸出信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和統(tǒng)計(jì)等功能；能實(shí)現(xiàn)與監(jiān)測(cè)中心站計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)測(cè)中心站負(fù)責(zé)接收子站傳輸?shù)男畔⒑推渌廴驹吹谋O(jiān)測(cè)信息；負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)測(cè)信息分類、篩選和綜合分析；完成對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、運(yùn)算、處理，能自動(dòng)生成各種報(bào)表和綜合分析與管理；具有存儲(chǔ)、顯示、記錄與打印、統(tǒng)計(jì)與查詢檢索功能；具備與其它信息中心聯(lián)網(wǎng)、與離線式監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)通訊的功能，具備系統(tǒng)管理與設(shè)備通訊自檢等功能。
如直接購買國外成熟的整套連續(xù)排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）等標(biāo)準(zhǔn)的專用分析系統(tǒng)，不僅存在價(jià)格昂貴（約60萬元/套）問題，而且有些煙塵檢測(cè)儀和SO2分析儀適用范圍窄、并非最優(yōu)化，如ULTRAMAT23可測(cè)SO2濃度范圍僅為0～400mg/Nm3。
因此，針對(duì)不同測(cè)量對(duì)象特征，采用最先進(jìn)、最適用的多臺(tái)單參數(shù)或雙參數(shù)自動(dòng)測(cè)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(hào)處理與通訊軟件，集成一整套性能價(jià)格比最優(yōu)的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(gè)I/O插槽，單機(jī)可達(dá)64個(gè)I/O點(diǎn)；采用ASCⅡ命令/響應(yīng)通訊協(xié)議；可提供二線式多站RS485網(wǎng)絡(luò)通訊；傳輸速率可達(dá)115.2Kbps；系統(tǒng)可提供三向隔離保護(hù)及看門狗監(jiān)視功能，內(nèi)置自我檢測(cè)功能。
ADAM5017模擬量輸入模塊（8路差入、3000VDC隔離保護(hù)、16bit分辨率）對(duì)粉塵儀、SO2分析儀、流量計(jì)等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、調(diào)理和再傳輸，所有模塊均通過RS485雙絞線與主機(jī)通訊。
RS485是工業(yè)上使用最為廣泛的雙向有補(bǔ)償通信規(guī)約，僅用一組雙絞線即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速和長距離的發(fā)送和接收，形成RS485網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)；各節(jié)點(diǎn)并行連網(wǎng)，互相獨(dú)立，提高了系統(tǒng)的可靠性；該通訊系統(tǒng)安裝簡單，成本低，傳輸距離遠(yuǎn)（1.2km），易于擴(kuò)充。
整個(gè)系統(tǒng)由上位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和管理，與下位子系統(tǒng)的通訊采用主從異步通信方式。上位機(jī)選用高性能的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，內(nèi)置RS485通訊卡和可支持多臺(tái)顯示器的多屏卡；
在通訊解決方案上有多種方式可選：無線通訊方案有其優(yōu)點(diǎn)，如易解決通訊問題，可降低成本，可簡化安裝，采用大功率天線可增加通訊距離等，但利小于弊——一是企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，大量房屋和爐窯等設(shè)施會(huì)阻塞或影響調(diào)頻信號(hào)的傳輸；二是電氣、電力設(shè)施多會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜多樣的電磁干擾，加上許多企業(yè)開展移動(dòng)通信的集團(tuán)消費(fèi)后建有GSM等基站產(chǎn)生射頻干擾；電臺(tái)的設(shè)立須申請(qǐng)并定期繳納無線電頻道占用費(fèi)，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(cè)網(wǎng)絡(luò)尚未建立起來之前，對(duì)前攻關(guān)的單點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，待今后網(wǎng)絡(luò)建立起來后轉(zhuǎn)為網(wǎng)絡(luò)通訊。
五、結(jié)語
隨著光學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)檢測(cè)等新技術(shù)的發(fā)展，許多以前難以檢測(cè)的非電量（如煙實(shí)現(xiàn)工業(yè)爐窯、塔罐煙氣排放點(diǎn)的自動(dòng)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(cè)）均得以解決，這將有利于促使崗位作業(yè)人員及時(shí)調(diào)整與監(jiān)控脫硫、除塵等環(huán)保設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)，加強(qiáng)達(dá)標(biāo)排放管理，這對(duì)于排放點(diǎn)的有效監(jiān)測(cè)與管理有著積極而重要的意義。
參考文獻(xiàn)：
1．潘惠群 激光氣體成分含量在線分析儀 世界儀表與自動(dòng)化2001（7）
2. 曹王劍 幾種流量測(cè)量儀表選型設(shè)計(jì)商榷 煉油化工自動(dòng)化 1997（5）
3. 朱曉青 曹王劍等主編 過程檢測(cè)與控制技術(shù) 冶金工業(yè)出版社 2002年9月
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
