淺論煙氣排放連續監測系統（CEMS）的集成
淺論煙氣排放連續監測系統（CEMS）的集成
前言
全球經濟的一體化與中國加入WTO使環保問題與ISO14001的認證成為市場準入“壁壘”問題；市場競爭的加劇、企業形象與經營管理念的提升和可持續性發展也迫切要求企業通過自動監測、強化管理的手段來解決污染問題。國外環境治理、保護的實施與優化得益于環境參數的檢測或監測水平的提高，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，而且各企業在環境監測與保護方面投入巨資進行全方位的檢測、監控與管理。國內許多企業近年來也日益重視環境監測問題和完善監測系統，許多電廠、石化、冶金企業已開始進行煙塵和SO2濃度監測。
一般企業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，這些污染源排放的大量粉塵和SO2煙氣，不僅加劇了企業各種設施的腐蝕，而且對周邊環境也造成了極大的危害。
煙氣排放在線監測系統（CEMS）成功與否的關鍵在于檢測儀表的選型設計與儀表系統的集成，因過程分析面對的困難與問題很多：高溫、高粉塵、高水份、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表并予以集成解決。
一、氣體成分分析
過去主要采用傳統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度有很大影響；而且傳統方法只能單一成份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。
工業過程中產生的氣體成分通常采用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時于煙道上進行實時的直接測量。其原理是氣流通過測量孔同時吸收儀器發出的光使光強衰減，測出衰減程度即確定了SO2含量。該法具有以下特點：利用SO2對一定波長紫外光的強吸收特性消除其它成份影響；可測范圍大，可達0～6000mg/Nm3。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（0-6000mg/Nm3）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，但可能仍難確保光學界面無塵，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、紅外線式和紫外線三種。不同測量方法與系統集成方式其適應性、性能價格比均不同。
熱導式是基于混合氣體中不同氣體組份的導熱系數（轉變為熱絲電阻值的變化）不同的原理，許多企業應用情況欠佳——冒正壓時維護量較大，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份分子對紫外光選擇性的輻射吸收原理，最大特點是采用長壽命空心陰極燈做光源，穩定性較高；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0～100ppm至0～100%SO2，適應用于低濃度SO2波動范圍較大的場合；其性能指標優越，重復性好，零點與量程漂移小于±1%F.S/7d。若設計匹配、有效的預處理裝置(粉塵過濾、除水、除酸、壓力流量調節、抽氣泵、冷凝器)和電控單元等，則可實現在線檢測的高穩定性、高準確性運行，尤其是ABB公司（德國Hartman&Braun）Uras14NDIR紅外分析儀在國內有著良好的應用業績。
二、粉塵濃度測量
目前國外主要采用光透射原理——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，利用傳統的紅外吸收原理及最新的窄帶干涉濾光片技術、集氣體成分測量與粉塵測量于一體，簡化了測量和處理過程。
此類儀表具有以下特點：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，防止光學鏡頭面不受污染；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、RS232與RS485通訊接口）和顯示，可滿足各類測量、控制與系統集成要求。
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等問題，解決大管徑、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。
熱導式流量計特點：美國INTEK公司、KURZ公司的產品進入中國市場多年，檢測SO2煙氣流量也有多年成功經驗，其性能穩定，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、介質的雷諾數很低的情況下有較好的測量進度。該類流量計近年來在國內外有較好的信譽和市場，但不太適宜于污染物（有粘性的）多、介質的溫度變化劇烈的流體流量測量。
節流式流量計——采用滿管式安裝與測量，精度略高、有國際標準可循，但也有其局限性：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；使用中影響精度的因素多如工況參數變化、前后直管段不夠、銳角磨損等，都會使其不確定度增大；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——原理上與節流式流量計同屬于差壓使流量計，精度較節流式流量計略低但比單點測量法略高、因其測得的是管截面上介質的平均速度，具有一定的代表性，反映了管內流速分布變化規律；造價比節流法低，但它避免不了上述節流式流量計的其它缺點，在流速較高、粉塵較多時易堵塞，而在低流速時輸出差壓小；其流量系數受測管大小、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、流速較高情況下，發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境。（注：當粉塵濃度小于100g/Nm3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：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，為了確保準確測量，除了應定期進行維護維修工作外，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的污物、信號取壓口與引壓口及引壓管的粉塵沉積或堵塞等。
四、監測系統的網絡構架
系統設計應考慮開放性、低成本、高可靠性和良好的擴充性。完整的分布式監測管理系統應采用分布式數據采集、控制技術和多層結構組建監控中心，下設多個子站系統，拋棄專業架構而采用PC—based開放系統，每個子系統都可獨立運行。
系統各部分功能如下：在線自動監測儀表對各監測點的煙氣實時采樣、進行預處理，及時可靠地對煙氣排放情況——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訊。監測子站根據需要可設在區域較集中的一些過程儀表主控室內，各子站內安裝一套監測計算機系統或利用現場已有的計算機過程測控系統；該系統能完成檢測儀表輸出信號的采集、數據處理、存儲、顯示、記錄和統計等功能；能實現與監測中心站計算機的實時、遠距離數據傳輸。監測中心站負責接收子站傳輸的信息和其它污染源的監測信息；負責對監測信息分類、篩選和綜合分析；完成對數據的統計、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、統計與查詢檢索功能；具備與其它信息中心聯網、與離線式監測計算機通訊的功能，具備系統管理與設備通訊自檢等功能。
如直接購買國外成熟的整套連續排放監測系統（CEMS）等標準的專用分析系統，不僅存在價格昂貴（約60萬元/套）問題，而且有些煙塵檢測儀和SO2分析儀適用范圍窄、并非最優化，如ULTRAMAT23可測SO2濃度范圍僅為0～400mg/Nm3。
因此，針對不同測量對象特征，采用最先進、最適用的多臺單參數或雙參數自動測量儀表，并集成與開發或制作反向吹掃和取樣預處理裝置，開發相應的信號處理與通訊軟件，集成一整套性能價格比最優的在線自動監測系統為佳。
數采模塊或系統可采用ADAM系統，由ADAM5000/485系統模塊和ADAM5017模擬量輸入模塊構成。系統模塊可提供4個I/O插槽，單機可達64個I/O點；采用ASCⅡ命令/響應通訊協議；可提供二線式多站RS485網絡通訊；傳輸速率可達115.2Kbps；系統可提供三向隔離保護及看門狗監視功能，內置自我檢測功能。
ADAM5017模擬量輸入模塊（8路差入、3000VDC隔離保護、16bit分辨率）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RS485雙絞線與主機通訊。
RS485是工業上使用最為廣泛的雙向有補償通信規約，僅用一組雙絞線即可實現數據的高速和長距離的發送和接收，形成RS485網絡通訊系統；各節點并行連網，互相獨立，提高了系統的可靠性；該通訊系統安裝簡單，成本低，傳輸距離遠（1.2km），易于擴充。
整個系統由上位機進行統一調度和管理，與下位子系統的通訊采用主從異步通信方式。上位機選用高性能的工業控制計算機，內置RS485通訊卡和可支持多臺顯示器的多屏卡；
在通訊解決方案上有多種方式可選：無線通訊方案有其優點，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——一是企業現場環境惡劣，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，加上許多企業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，則存在占用企業程控電話多、傳輸速度慢、信息量小的問題；中間設備環節多，有損于系統的整體可靠性；敷設電纜問題同樣無法避免。因此，MODEM方式可在監測網絡尚未建立起來之前，對前攻關的單點進行數據采集，待今后網絡建立起來后轉為網絡通訊。
五、結語
隨著光學技術、計算機技術與自動檢測等新技術的發展，許多以前難以檢測的非電量（如煙實現工業爐窯、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測）均得以解決，這將有利于促使崗位作業人員及時調整與監控脫硫、除塵等環保設施的運行狀態，加強達標排放管理，這對于排放點的有效監測與管理有著積極而重要的意義。
參考文獻：
1．潘惠群激光氣體成分含量在線分析儀世界儀表與自動化2001（7）
2.曹王劍幾種流量測量儀表選型設計商榷煉油化工自動化1997（5）
3.朱曉青曹王劍等主編過程檢測與控制技術冶金工業出版社2002年9月
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