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浅论烟气排放连续监测系统（CEMS）的集成
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全球经济的一体化与中国加入WTO使环保问题与ISO14001的认证成为市场准入“壁垒”问题；市场竞争的加剧、企业形象与经营管理念的提升和可持续性发展也迫切要求企业通过自动监测、强化管理的手段来解决污染问题。国外环境治理、保护的实施与优化得益于环境参数的检测或监测水平的提高，不仅在各类污水处理、垃圾焚化与再利用等装置上大量采用了先进的测控仪表与计算机系统，而且各企业在环境监测与保护方面投入巨资进行全方位的检测、监控与管理。国内许多企业近年来也日益重视环境监测问题和完善监测系统，许多电厂、石化、冶金企业已开始进行烟尘和SO2浓度监测。
一般企业都无法避免有污染排放点，少则几个、多则几十个，金属粉尘和SO2是气型污染物的主要污染因子，这些污染源排放的大量粉尘和SO2烟气，不仅加剧了企业各种设施的腐蚀，而且对周边环境也造成了极大的危害。
烟气排放在线监测系统（CEMS）成功与否的关键在于检测仪表的选型设计与仪表系统的集成，因过程分析面对的困难与问题很多：高温、高粉尘、高水份、负压及腐蚀性等恶劣气体条件；应保证必要的检测准确度；应有较快的反应速度；应易安装、易标定；防尘、防溅、防腐等防护要求；应有较高的自动化程度，较少的维护工作量。因此应分析被测对象特征，再研究设计与生产工艺条件相匹配、相适应的分析检测仪表并予以集成解决。
一、气体成分分析
过去主要采用传统的分析方法如化学分析法、气相色谱法，其缺点是：必须对烟气进行人工取样，在实验室进行分析，其中操作者的操作技能对分析的精度有很大影响；而且传统方法只能单一成份地逐个进行检测分析，不具备多重输入和信号处理功能；分析费时，响应速度慢，效率低，难以实时地分析工况。
工业过程中产生的气体成分通常采用两种采样方式进行自动测量：
一种是在线方式——采用最新光学技术，在不影响被测气体本身状态时于烟道上进行实时的直接测量。其原理是气流通过测量孔同时吸收仪器发出的光使光强衰减，测出衰减程度即确定了SO2含量。该法具有以下特点：利用SO2对一定波长紫外光的强吸收特性消除其它成份影响；可测范围大，可达0～6000 mg/Nm3。但采用此类检测方式的仪表价格很高，如德国SICK公司的MW31型（0-6000 mg/Nm3）约30万元；虽带有三重反射镜的测量管内置净化空气导流装置，但可能仍难确保光学界面无尘，增加了维护量。
另一种是抽取方式——即将气体从烟道中抽取出来进行预处理后、再分析确定其含量。在线检测方法主要有热导式、红外线式和紫外线三种。不同测量方法与系统集成方式其适应性、性能价格比均不同。
热导式是基于混合气体中不同气体组份的导热系数（转变为热丝电阻值的变化）不同的原理，许多企业应用情况欠佳——冒正压时维护量较大，负压大时难以抽取样气；虽一次购置成本低但长期运行难维护、维修成本较高。此法不能用于检测低浓度（≤0.5%）SO2的场合。
紫外线式是基于被测气体组份分子对紫外光选择性的辐射吸收原理，最大特点是采用长寿命空心阴极灯做光源，稳定性较高；适宜在线测量低浓度SO2烟气，但在同等性能、功能情况下仪表价格较高。
红外线式则基于非分光红外吸收测量法的原理，分层四气室的独特设计具有理想的抗干扰能力；其测量范围宽，从0～100ppm至0～100%SO2，适应用于低浓度SO2波动范围较大的场合；其性能指标优越，重复性好，零点与量程漂移小于±1%F.S/7d。若设计匹配、有效的预处理装置(粉尘过滤、除水、除酸、压力流量调节、抽气泵、冷凝器)和电控单元等，则可实现在线检测的高稳定性、高准确性运行，尤其是ABB公司（德国Hartman Braun）Uras14 NDIR红外分析仪在国内有着良好的应用业绩。
二、 粉尘浓度测量
目前国外主要采用光透射原理——当可控光源穿过带有微小颗粒的气体时，一个高灵敏的传感器可检测出被微小颗粒吸收的光能，并将其与参比光进行比较从而确定透射值或浊度值，再进一步得出粉尘浓度值。如法国OLDHAM公司的6000系列烟气分析仪采用直接测量方式，利用传统的红外吸收原理及最新的窄带干涉滤光片技术、集气体成分测量与粉尘测量于一体，简化了测量和处理过程。
此类仪表具有以下特点：以光学技术为基础，自动完成测量、控制、线性测试以及污染物检测功能，反应速度快、无采样处理过程；带有反吹装置，防止光学镜头面不受污染；具备快速切断阀可在吹扫装置失效后自动保护仪器；安装简便，发射与检测单元可通过法兰安装在烟管两侧；多种信号输出（0/2/4-20mA模拟输出、数字输出、RS232与RS485通讯接口）和显示，可满足各类测量、控制与系统集成要求。
三、 烟气流量检测装置
国内外目前流量检测方法与装置很多，但要解决好粉尘堵塞与可能存在的腐蚀以及降温后的冷凝等问题，解决大管径、低流速、宽量程比、低静压等问题，要达到预期的准确性与可靠性，须慎重选型设计。
热导式流量计特点：美国INTEK公司、KURZ公司的产品进入中国市场多年，检测SO2烟气流量也有多年成功经验，其性能稳定，数据准确可靠；维护与运行成本低，管径增大购置成本增加不多；采用插入式安装结构，拆装检修方便；信号直接由非电量变换成电量，便于信号处理；在小流量、介质的雷诺数很低的情况下有较好的测量进度。该类流量计近年来在国内外有较好的信誉和市场，但不太适宜于污染物（有粘性的）多、介质的温度变化剧烈的流体流量测量。 [p]
节流式流量计——采用满管式安装与测量，精度略高、有国际标准可循，但也有其局限性：管径越大造价越高、安装检修不便，维护工作量大；介质压力传输会带来堵塞、降温引起冷凝加剧腐蚀、结垢；使用中影响精度的因素多如工况参数变化、前后直管段不够、锐角磨损等，都会使其不确定度增大；测量范围窄、仅为3:1，压损大、能耗大运行费用高。
均速管流量计——原理上与节流式流量计同属于差压使流量计，精度较节流式流量计略低但比单点测量法略高、因其测得的是管截面上介质的平均速度，具有一定的代表性，反映了管内流速分布变化规律；造价比节流法低，但它避免不了上述节流式流量计的其它缺点，在流速较高、粉尘较多时易堵塞，而在低流速时输出差压小；其流量系数受测管大小、工艺管径比、安装等因素的影响。
涡街流量计——可采用插入式结构测量中心点的流速，不存在差压式流量计的缺陷，在粉尘干燥、流速较高情况下，发生体堵塞的可能性小，信噪比高，维护量不大。应用中应注意振动与仪表运行可靠性选择问题。涡轮流量计灵敏度高，但难以长期适应含尘环境。（注：当粉尘浓度小于100g/Nm3时，一般可不考虑粉尘浓度对流量测量示值的影响。）
弯管流量计结构简单，内无任何附加节流件、插入件和可动部件，不易堵塞、无压力损失，因此适合于大管径、低流速、低静压、多粉尘与腐蚀较强的场合，但它对90°弯头的结构尺寸有要求：圆滑、管内无毛刺；对于特大管径安装检修复杂；输出差压也较小。
在正确选型设计与安装调试的同时，为了确保准确测量，除了应定期进行维护维修工作外，必要时应设计安装定期吹扫、清洗仪表探头装置，定期处理探头上粘结的污物、信号取压口与引压口及引压管的粉尘沉积或堵塞等。
四、监测系统的网络构架
系统设计应考虑开放性、低成本、高可靠性和良好的扩充性。完整的分布式监测管理系统应采用分布式数据采集、控制技术和多层结构组建监控中心，下设多个子站系统，抛弃专业架构而采用PC—based开放系统，每个子系统都可独立运行。
系统各部分功能如下：在线自动监测仪表对各监测点的烟气实时采样、进行预处理，及时可靠地对烟气排放情况——粉尘浓度、SO2浓度和烟气流量进行检测、处理、转换和信号传输或通讯。监测子站根据需要可设在区域较集中的一些过程仪表主控室内，各子站内安装一套监测计算机系统或利用现场已有的计算机过程测控系统；该系统能完成检测仪表输出信号的采集、数据处理、存储、显示、记录和统计等功能；能实现与监测中心站计算机的实时、远距离数据传输。监测中心站负责接收子站传输的信息和其它污染源的监测信息；负责对监测信息分类、筛选和综合分析；完成对数据的统计、运算、处理，能自动生成各种报表和综合分析与管理；具有存储、显示、记录与打印、统计与查询检索功能；具备与其它信息中心联网、与离线式监测计算机通讯的功能，具备系统管理与设备通讯自检等功能。
如直接购买国外成熟的整套连续排放监测系统（CEMS）等标准的专用分析系统，不仅存在价格昂贵（约60万元/套）问题，而且有些烟尘检测仪和SO2分析仪适用范围窄、并非最优化，如ULTRAMAT23可测SO2浓度范围仅为0～400mg/Nm3。
因此，针对不同测量对象特征，采用最先进、最适用的多台单参数或双参数自动测量仪表，并集成与开发或制作反向吹扫和取样预处理装置，开发相应的信号处理与通讯软件，集成一整套性能价格比最优的在线自动监测系统为佳。
数采模块或系统可采用ADAM系统，由ADAM5000/485系统模块和ADAM5017模拟量输入模块构成。系统模块可提供4个I/O插槽，单机可达64个I/O点；采用ASCⅡ命令/响应通讯协议；可提供二线式多站RS485网络通讯；传输速率可达115.2Kbps；系统可提供三向隔离保护及看门狗监视功能，内置自我检测功能。
ADAM5017模拟量输入模块（8路差入、3000VDC隔离保护、16bit分辨率）对粉尘仪、SO2分析仪、流量计等进行数据采集、调理和再传输，所有模块均通过RS485双绞线与主机通讯。
RS485是工业上使用最为广泛的双向有补偿通信规约，仅用一组双绞线即可实现数据的高速和长距离的发送和接收，形成RS485网络通讯系统；各节点并行连网，互相独立，提高了系统的可靠性；该通讯系统安装简单，成本低，传输距离远（1.2km），易于扩充。
整个系统由上位机进行统一调度和管理，与下位子系统的通讯采用主从异步通信方式。上位机选用高性能的工业控制计算机，内置RS485通讯卡和可支持多台显示器的多屏卡；
在通讯解决方案上有多种方式可选：无线通讯方案有其优点，如易解决通讯问题，可降低成本，可简化安装，采用大功率天线可增加通讯距离等，但利小于弊——一是企业现场环境恶劣，大量房屋和炉窑等设施会阻塞或影响调频信号的传输；二是电气、电力设施多会产生复杂多样的电磁干扰，加上许多企业开展移动通信的集团消费后建有GSM等基站产生射频干扰；电台的设立须申请并定期缴纳无线电频道占用费，受约束因素多。
若采用MODEM方式，则存在占用企业程控电话多、传输速度慢、信息量小的问题；中间设备环节多，有损于系统的整体可靠性；敷设电缆问题同样无法避免。因此，MODEM方式可在监测网络尚未建立起来之前，对前攻关的单点进行数据采集，待今后网络建立起来后转为网络通讯。
五、结语
随着光学技术、计算机技术与自动检测等新技术的发展，许多以前难以检测的非电量（如烟实现工业炉窑、塔罐烟气排放点的自动采样与预处理，粉尘与SO2等主要污染因子和烟气流量的在线监测）均得以解决，这将有利于促使岗位作业人员及时调整与监控脱硫、除尘等环保设施的运行状态，加强达标排放管理，这对于排放点的有效监测与管理有着积极而重要的意义。
参考文献：
1．潘惠群 激光气体成分含量在线分析仪 世界仪表与自动化2001（7）
2. 曹王剑 几种流量测量仪表选型设计商榷 炼油化工自动化 1997（5）
3. 朱晓青 曹王剑等主编 过程检测与控制技术 冶金工业出版社 2002年9月
一般企业都无法避免有污染排放点，少则几个、多则几十个，金属粉尘和SO2是气型污染物的主要污染因子，这些污染源排放的大量粉尘和SO2烟气，不仅加剧了企业各种设施的腐蚀，而且对周边环境也造成了极大的危害。
烟气排放在线监测系统（CEMS）成功与否的关键在于检测仪表的选型设计与仪表系统的集成，因过程分析面对的困难与问题很多：高温、高粉尘、高水份、负压及腐蚀性等恶劣气体条件；应保证必要的检测准确度；应有较快的反应速度；应易安装、易标定；防尘、防溅、防腐等防护要求；应有较高的自动化程度，较少的维护工作量。因此应分析被测对象特征，再研究设计与生产工艺条件相匹配、相适应的分析检测仪表并予以集成解决。
一、气体成分分析
过去主要采用传统的分析方法如化学分析法、气相色谱法，其缺点是：必须对烟气进行人工取样，在实验室进行分析，其中操作者的操作技能对分析的精度有很大影响；而且传统方法只能单一成份地逐个进行检测分析，不具备多重输入和信号处理功能；分析费时，响应速度慢，效率低，难以实时地分析工况。
工业过程中产生的气体成分通常采用两种采样方式进行自动测量：
一种是在线方式——采用最新光学技术，在不影响被测气体本身状态时于烟道上进行实时的直接测量。其原理是气流通过测量孔同时吸收仪器发出的光使光强衰减，测出衰减程度即确定了SO2含量。该法具有以下特点：利用SO2对一定波长紫外光的强吸收特性消除其它成份影响；可测范围大，可达0～6000 mg/Nm3。但采用此类检测方式的仪表价格很高，如德国SICK公司的MW31型（0-6000 mg/Nm3）约30万元；虽带有三重反射镜的测量管内置净化空气导流装置，但可能仍难确保光学界面无尘，增加了维护量。
另一种是抽取方式——即将气体从烟道中抽取出来进行预处理后、再分析确定其含量。在线检测方法主要有热导式、红外线式和紫外线三种。不同测量方法与系统集成方式其适应性、性能价格比均不同。
热导式是基于混合气体中不同气体组份的导热系数（转变为热丝电阻值的变化）不同的原理，许多企业应用情况欠佳——冒正压时维护量较大，负压大时难以抽取样气；虽一次购置成本低但长期运行难维护、维修成本较高。此法不能用于检测低浓度（≤0.5%）SO2的场合。
紫外线式是基于被测气体组份分子对紫外光选择性的辐射吸收原理，最大特点是采用长寿命空心阴极灯做光源，稳定性较高；适宜在线测量低浓度SO2烟气，但在同等性能、功能情况下仪表价格较高。
红外线式则基于非分光红外吸收测量法的原理，分层四气室的独特设计具有理想的抗干扰能力；其测量范围宽，从0～100ppm至0～100%SO2，适应用于低浓度SO2波动范围较大的场合；其性能指标优越，重复性好，零点与量程漂移小于±1%F.S/7d。若设计匹配、有效的预处理装置(粉尘过滤、除水、除酸、压力流量调节、抽气泵、冷凝器)和电控单元等，则可实现在线检测的高稳定性、高准确性运行，尤其是ABB公司（德国Hartman Braun）Uras14 NDIR红外分析仪在国内有着良好的应用业绩。
二、 粉尘浓度测量
目前国外主要采用光透射原理——当可控光源穿过带有微小颗粒的气体时，一个高灵敏的传感器可检测出被微小颗粒吸收的光能，并将其与参比光进行比较从而确定透射值或浊度值，再进一步得出粉尘浓度值。如法国OLDHAM公司的6000系列烟气分析仪采用直接测量方式，利用传统的红外吸收原理及最新的窄带干涉滤光片技术、集气体成分测量与粉尘测量于一体，简化了测量和处理过程。
此类仪表具有以下特点：以光学技术为基础，自动完成测量、控制、线性测试以及污染物检测功能，反应速度快、无采样处理过程；带有反吹装置，防止光学镜头面不受污染；具备快速切断阀可在吹扫装置失效后自动保护仪器；安装简便，发射与检测单元可通过法兰安装在烟管两侧；多种信号输出（0/2/4-20mA模拟输出、数字输出、RS232与RS485通讯接口）和显示，可满足各类测量、控制与系统集成要求。
三、 烟气流量检测装置
国内外目前流量检测方法与装置很多，但要解决好粉尘堵塞与可能存在的腐蚀以及降温后的冷凝等问题，解决大管径、低流速、宽量程比、低静压等问题，要达到预期的准确性与可靠性，须慎重选型设计。
热导式流量计特点：美国INTEK公司、KURZ公司的产品进入中国市场多年，检测SO2烟气流量也有多年成功经验，其性能稳定，数据准确可靠；维护与运行成本低，管径增大购置成本增加不多；采用插入式安装结构，拆装检修方便；信号直接由非电量变换成电量，便于信号处理；在小流量、介质的雷诺数很低的情况下有较好的测量进度。该类流量计近年来在国内外有较好的信誉和市场，但不太适宜于污染物（有粘性的）多、介质的温度变化剧烈的流体流量测量。 [p]
节流式流量计——采用满管式安装与测量，精度略高、有国际标准可循，但也有其局限性：管径越大造价越高、安装检修不便，维护工作量大；介质压力传输会带来堵塞、降温引起冷凝加剧腐蚀、结垢；使用中影响精度的因素多如工况参数变化、前后直管段不够、锐角磨损等，都会使其不确定度增大；测量范围窄、仅为3:1，压损大、能耗大运行费用高。
均速管流量计——原理上与节流式流量计同属于差压使流量计，精度较节流式流量计略低但比单点测量法略高、因其测得的是管截面上介质的平均速度，具有一定的代表性，反映了管内流速分布变化规律；造价比节流法低，但它避免不了上述节流式流量计的其它缺点，在流速较高、粉尘较多时易堵塞，而在低流速时输出差压小；其流量系数受测管大小、工艺管径比、安装等因素的影响。
涡街流量计——可采用插入式结构测量中心点的流速，不存在差压式流量计的缺陷，在粉尘干燥、流速较高情况下，发生体堵塞的可能性小，信噪比高，维护量不大。应用中应注意振动与仪表运行可靠性选择问题。涡轮流量计灵敏度高，但难以长期适应含尘环境。（注：当粉尘浓度小于100g/Nm3时，一般可不考虑粉尘浓度对流量测量示值的影响。）
弯管流量计结构简单，内无任何附加节流件、插入件和可动部件，不易堵塞、无压力损失，因此适合于大管径、低流速、低静压、多粉尘与腐蚀较强的场合，但它对90°弯头的结构尺寸有要求：圆滑、管内无毛刺；对于特大管径安装检修复杂；输出差压也较小。
在正确选型设计与安装调试的同时，为了确保准确测量，除了应定期进行维护维修工作外，必要时应设计安装定期吹扫、清洗仪表探头装置，定期处理探头上粘结的污物、信号取压口与引压口及引压管的粉尘沉积或堵塞等。
四、监测系统的网络构架
系统设计应考虑开放性、低成本、高可靠性和良好的扩充性。完整的分布式监测管理系统应采用分布式数据采集、控制技术和多层结构组建监控中心，下设多个子站系统，抛弃专业架构而采用PC—based开放系统，每个子系统都可独立运行。
系统各部分功能如下：在线自动监测仪表对各监测点的烟气实时采样、进行预处理，及时可靠地对烟气排放情况——粉尘浓度、SO2浓度和烟气流量进行检测、处理、转换和信号传输或通讯。监测子站根据需要可设在区域较集中的一些过程仪表主控室内，各子站内安装一套监测计算机系统或利用现场已有的计算机过程测控系统；该系统能完成检测仪表输出信号的采集、数据处理、存储、显示、记录和统计等功能；能实现与监测中心站计算机的实时、远距离数据传输。监测中心站负责接收子站传输的信息和其它污染源的监测信息；负责对监测信息分类、筛选和综合分析；完成对数据的统计、运算、处理，能自动生成各种报表和综合分析与管理；具有存储、显示、记录与打印、统计与查询检索功能；具备与其它信息中心联网、与离线式监测计算机通讯的功能，具备系统管理与设备通讯自检等功能。
如直接购买国外成熟的整套连续排放监测系统（CEMS）等标准的专用分析系统，不仅存在价格昂贵（约60万元/套）问题，而且有些烟尘检测仪和SO2分析仪适用范围窄、并非最优化，如ULTRAMAT23可测SO2浓度范围仅为0～400mg/Nm3。
因此，针对不同测量对象特征，采用最先进、最适用的多台单参数或双参数自动测量仪表，并集成与开发或制作反向吹扫和取样预处理装置，开发相应的信号处理与通讯软件，集成一整套性能价格比最优的在线自动监测系统为佳。
数采模块或系统可采用ADAM系统，由ADAM5000/485系统模块和ADAM5017模拟量输入模块构成。系统模块可提供4个I/O插槽，单机可达64个I/O点；采用ASCⅡ命令/响应通讯协议；可提供二线式多站RS485网络通讯；传输速率可达115.2Kbps；系统可提供三向隔离保护及看门狗监视功能，内置自我检测功能。
ADAM5017模拟量输入模块（8路差入、3000VDC隔离保护、16bit分辨率）对粉尘仪、SO2分析仪、流量计等进行数据采集、调理和再传输，所有模块均通过RS485双绞线与主机通讯。
RS485是工业上使用最为广泛的双向有补偿通信规约，仅用一组双绞线即可实现数据的高速和长距离的发送和接收，形成RS485网络通讯系统；各节点并行连网，互相独立，提高了系统的可靠性；该通讯系统安装简单，成本低，传输距离远（1.2km），易于扩充。
整个系统由上位机进行统一调度和管理，与下位子系统的通讯采用主从异步通信方式。上位机选用高性能的工业控制计算机，内置RS485通讯卡和可支持多台显示器的多屏卡；
在通讯解决方案上有多种方式可选：无线通讯方案有其优点，如易解决通讯问题，可降低成本，可简化安装，采用大功率天线可增加通讯距离等，但利小于弊——一是企业现场环境恶劣，大量房屋和炉窑等设施会阻塞或影响调频信号的传输；二是电气、电力设施多会产生复杂多样的电磁干扰，加上许多企业开展移动通信的集团消费后建有GSM等基站产生射频干扰；电台的设立须申请并定期缴纳无线电频道占用费，受约束因素多。
若采用MODEM方式，则存在占用企业程控电话多、传输速度慢、信息量小的问题；中间设备环节多，有损于系统的整体可靠性；敷设电缆问题同样无法避免。因此，MODEM方式可在监测网络尚未建立起来之前，对前攻关的单点进行数据采集，待今后网络建立起来后转为网络通讯。
五、结语
随着光学技术、计算机技术与自动检测等新技术的发展，许多以前难以检测的非电量（如烟实现工业炉窑、塔罐烟气排放点的自动采样与预处理，粉尘与SO2等主要污染因子和烟气流量的在线监测）均得以解决，这将有利于促使岗位作业人员及时调整与监控脱硫、除尘等环保设施的运行状态，加强达标排放管理，这对于排放点的有效监测与管理有着积极而重要的意义。
参考文献：
1．潘惠群 激光气体成分含量在线分析仪 世界仪表与自动化2001（7）
2. 曹王剑 几种流量测量仪表选型设计商榷 炼油化工自动化 1997（5）
3. 朱晓青 曹王剑等主编 过程检测与控制技术 冶金工业出版社 2002年9月
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