（电力系统及其自动化专业论文）火电厂cems系统的开发及应用研究.pdf

t h er e s e a r c h e so ft h ee x p l o i t a t i o na n da p p l i c a t i o no ft h ec e m s s y s t e m f o r h e a t - e n g i n ep l a n t a b s t r a c t m o s to fc h i n a st h e r m a lp o w e rp l a n tc o a l - f i r e do n eo ft h em o s ti m p o r t a n t ，i t sa n n u a l e m i s s i o n so fs 0 2a n dn i t r o g e no x i d e sf i r ea c i dr a i na n do t h e rm a j o rs o u r c eo f a t m o s p h e r i c h a z a r d s f l u eg a sc o n t i n u o u se m i s s i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ( c e m s ) i st om o n i t o rf l u eg a s e m i s s i o n si nt h em o d e r n i z a t i o no fm e a n s ，n o to n l yf o re n v i r o n m e n t a lr e g u l a t o r st op r o v i d e b u s i n e s s e sr e a l - t i m ee m i s s i o n sd a t a , b u ta l s of o rc o a l - f i r e dp o w e rp l a n t st h a nt h ea i r - c o n d i t i o n i n g i no r d e rt or e d u c es 0 2a n do t h e rg a s e o u sp o l l u t i o np r o v i d et h eb a s i sf o re m i s s i o n s i nt h i sp a p e r , t os t u d ya n ds u m m a r i z et h ee x i s t i n gc e m s s y s t e m ，b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ec u r r e n ti m t a l l c dc e m sh a sf a i l e dt og i v ef u l lp l a yt ot h er o l eo fr e a s o n ，a n df o rt h e s er e a s o n s t h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fk a ns h a np o w e rp l a n tt w ou n i t so ft h ec e m ss y s t e m 。c e m s p a p e rd e t a i l st h eg e n e r a ls t r u c t u r ea n dt h eb a s i cp r i n c i p l e so fe x t r a c t i v em e t h o d su s i n gs a m p l e s t a k e nf r o ma i r , i n f r a r e da b s o r p t i o na n a l y s i so fs 0 2a n dn i t r o g e no x i d e c o n t e n t ，a sw e l la st h e p r i n c i p l e so fi n d u s t r i a le t h e r n e ta n dd a t ac o m m u n i c a t i o n st oa c h i e v e p a p e r - l i k ed e s i g ni n c l u d e s g a sc o l l e c t i o na n dp r e t r e a t m e n tm o d u l e s ，p l cd a t ac o m m u n i c a t i o n sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e m o d u l ed e s i g na n dh o s tc o m p u t e rc o n f i g u r a t i o na n dr e m o t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ss o f t w a r e d e s i g n u s i n gs t e p7 ，w i n c c6 0 ，v i s u a lb a s i c 6 0 ，a c c e s s 2 0 0 0s u c ha ss o f t w a r e d e v e l o p m e n t ，t h eu p p e ra n dl o w e rc r e wp r o c e d u r e s ，e n a b l e st h es y s t e mt on o r m a lw o r k i n g c o n t i n u o u s l yt oa c h i e v eac o n t i n u o u so n l i n em o n i t o r i n go fp o w e rg e n e r a t i n gu n i t sk a n h i l l p u r p o s eo ff l u eg a se m i s s i o n s i nt h i sp a p e r , d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ec e m ss o f t w a r ei ss i m p l e ，s c a l a b l e ，a n de a s y m a i n t e n a n c ea n du p g r a d eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t a b i l i 够c a r lb ea c c u r a t e l yc a r r i e do u t c o n t i n u o u sm o n i t o r i n go ff l u eg a se m i s s i o n s ，a n dh a ss e r i a lc o m m u n i c a t i o nc a p a b i l i t i e s ，t h i s s y s t e mw i l le n a b l eu s e r so nt h ei n t e r a c tf l u eg a so f p o w e rp l a n te m i s s i o n si nr e a l - t i m eo n l i n e m o n i t o r i n g ，a n dp r o v i d eav a r i e t yo fs t n t e m e n t s t h i ss y s t e mk a ns h a hp o w e rp l a n ti nt h e g r o u n di ng o o dc o n d i t i o n ，i nr e d u c i n ga i rp o l l u t i o nh a sp l a y e das i g n i f i c a n tr o l e c e m sp a p e r d e s i g no fg e n e r a la p p l i c a t i o ni nt h e r m a lp o w e rp l a n t s ，t h ea p p l i c a t i o no fg o o dp r o s p e c t s k e yw o r d s ：h e a t e n g i n ep l a n t c e m sc o n f i g u r a t i o nt e l e - c o m m u n i c a t i o n n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：工卒笙一日期：掣肪 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名： 二 旌 导师签名： 日期： 掣厂 东南大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 随着全球工业化和城市化的迅速发展，人类在开发自然资源得到巨大财富的同时也付 出了极大的代价。温室气体排放以及大量的工业废气的产生使人类自身生存环境遭到严重 破坏，并越来越成为制约经济和社会可持续发展的重要因素。我国正处于国民经济高速发 展的重要阶段，节能减排、提高能效和发展可再生能源已成为我国积极应对气候变化问题 的主要措施，改善生存环境已经作为一个刻不容缓的问题摆在我们的面前。 在工业生产所排放的烟气中，s 0 2 是一种极易溶于水的气体，在其被排放入大气之后 溶于雨雪，形成酸雨。酸雨目前被公认为全球性区域灾难之一，其危害严重，而且范围广、 影响时间长的特点使其有“空中死神 之称。另外，烟气中的氮氧化物也是形成酸雨的重 要成分。火电厂作为我国最主要的燃煤企业之一，其每年排入大气层的s 0 2 、氮氧化物及 烟尘等污染物是酸雨及其他大气危害的主要来源。截止2 0 0 4 年，中国环境科学研究院和 清华大学等单位的研究结果表明，酸雨造成的经济损失每年超1 1 0 0 亿元，即每排放1 吨二 氧化硫造成超过5 0 0 0 元的损失，大气污染造成的损失约占我国g d p 的2 3 。我国火 电装机容量占总装机容量的7 4 以上，其中以燃煤机组为主。在“十五”乃至更长的时期内， 其所占比例还将增长。我国2 0 0 0 年二氧化硫年排放量达1 9 9 5 万吨，超过环境容量6 0 以 上，而二氧化硫、氮氧化物在一定条件下可形成酸雨，目前酸雨面积已占国土面积的3 0 ，区域性酸雨污染严重。预计到2 0 2 0 年，全国总装机容量将达9 亿至1 0 亿千瓦。按照 目前的排放控制水平，届时我国火电厂排放的二氧化硫、烟尘和氮氧化物将分别达到2 1 0 0 万吨、5 0 0 万吨和1 0 0 0 万吨以上，对生态环境将造成更大压力【l 】。 就我国目前和未来较长一段时间的能源结构而言，仍将是以燃煤为主，而且是以高硫 分、高矸石的低质煤为主，这样势必造成烟气排放中的s 0 2 、n o x 和颗粒物的含量偏高【2 】。 可以很清楚地看出来我国目前加强对相关企业的工业生产烟气排放的监督和治理势在必 行，这其中控制火电厂大气污染物排放是当务之急；而要实行有效的监督控制，对火电厂 的烟气排放的监测是首先需要解决的问题。 我国政府高度重视酸雨的控制工作，近年来更进一步从立法强制执行的角度加大了控 第一章绪论 制力度，通过控制污染物排放总量来防止酸雨的产生。1 9 9 6 年7 月国务院召开第四次全国 环境保护会议，明确规定在污染物排放控制上，严格控制污染物排放浓度的同时，实施污 染物排放总量控制计划。1 9 9 8 年，国务院批准了国家环境保护总局制定的酸雨控制区 和二氧化硫污染控制区划分方案，划定两控区总面积为1 0 9 万平方公里，占国土面积的 1 1 4 ，其中酸雨控制区占8 4 - - 氧化硫污染控制区占3 【3 】。 烟气排放连续监测系统( c o n t i n u o u se m i s s i o n sm o n i t o d n gs y s t e m ，简称c e m s ) ，是监测 烟气污染物排放的现代化手段，可连续监测污染物( s 0 2 ，n o x ，烟尘等) 的排放浓度和排放 总量。c e m s 本身是集光电子、空气动力学、电子技术、特种材料、计算机网络等多种技 术于一身的综合性科技产品，其具有连续监测、定期统计、远程通讯等特点，能将运行现 场的监测数据实时传输给环境监测部门，为我国污染物排放总量控制计划及酸雨控制计划 的实施提供强有力的保障，并为排污收费制度的实施提供科学的定量依据。适用于在线连 续自动分析监测各种工业锅炉、窑炉及加热炉中烟道气的s 0 2 及n o 、c o 、0 2 、烟尘、流 量、温湿度、压力等，根据分析结果调整最佳的空气燃料比，提高燃烧效率，达到节约能 源及减少环境污染的双重效果( 4 】。因此，c e m s 技术的研究与发展能为国家环境监测部门 提供有效的监控手段，并为火电厂合理利用资源，提高生产效率提供必要依据。 1 2 烟气排放连续检测技术的发展 1 2 1c e m s 技术特点 c e m s 技术与以往的监测技术相比，最大的特点在于在线连续测量的优势。由于是在 烟气排放的过程中直接进行测量，并对测量结果进行传输或存储，因而具有数据实时性、 准确性高，数据便于传输与处理等优势。目前我国c e m s 的典型结构如图1 1 所示，系统 分为：样气采集与分析子系统、吹扫与标定子系统、数据采集与控制子系统和数据处理与 通讯子系统四大部分。在实际应用中，由于各地的烟气成分与各组分含量的差别很大，所 以必须根据各电厂的实际情况具体设计采样和吹扫子系统。 东南大学硕士学位论文 气态污染物a 溯瞬 嘲 一f 气态污染物|f 气态污染物 7 定 。【 采样器 l 分析仪 滁 ? 1 - ，jlk 7 _ 一嗽片t 盘争，- 监 一零气t 控 l 橼准鬟体l 数 鬃 。： 1 ； 1 爝气磺l气体：| 数 据 统 g 处理装置 一“ l 控制器l 据处 固 采棒器，| | 采理 吹扫装嚣 1 0与 - 1 ，j ，p1 定集 糟颗牧铭 c 目瞒 ：与远 1 疑 l “_ ，。l ll 控 叫 程 7 狠仪够髑鼹伏1 ” 制 通 溉小 源 l 仪甲 供。盱l 校蒜t i 环 系 讯 保 !气体参数溯缝子系统 统系 行 - | 烟气滋度卜= 、 _ 一i 政 f。1 统 生 1 烟气压力 分 一 篱 畸烟气流壤l 部 _ o 一 熘气湿度一 可输入含湮麓一： l 门j l 含氧鼹或二氯化碳| ，一。一一一- 一! m o d e m t ? ! 繁沁 图1 1c e m s 系统构成图 烟气排放连续监测系统按取样方式通常可分为3 类：采样式c e m s 、在线式c e m s 和 遥测监测系统： l 、采样式c e m s 从烟道中抽取样气送至远处进行调节和分析。采样方法有直接采样法 和稀释采样法。直接采样法经过过滤器去除烟尘，抽取烟气，由保温管或通过电加热式保温， 保持烟气不结露，输至干燥装置除湿，把烟气温度冷却到5 4 0 ，然后送至分析装置，分 析污染物气体浓度。稀释采样法通过一零气发生器，把空气中的s 0 2 , n o x ，c 0 2 和水蒸汽等 除掉后作为稀释气( 零气) ，用此洁净的零气按定比例稀释除尘后的烟气，降低气态污染物 浓度，将稀释后的烟气引入分析单元，分析气态污染物浓度。由于通常采取1 ：1 0 0 的大比例稀 释，抽烟气量少，探头过滤器的使用时间延长；烟气经稀释后温度达到正常运行允许的范围， 无须冷却。目前在我国安装并投入使用的c e m s 多不是此类。 第一章绪论 2 、在线式c e m s 不抽取烟气，而是直接测量烟道中的烟气成分。在线式c e m s 分为“点 和“线 系统。“点 监测系统由电化学或光电传感器组成，传感器安装在探头的端部，插入 烟道，测量超过离传感器仅几e m 范围内烟气中污染物的浓度。“线”监测系统是使光通过烟 气，利用烟气中被测污染物对光的吸收来进行测量。 3 、遥测监测系统是利用遥感技术向烟道发射光或感知烟道排放“热 分子的光辐射来 检测排放污染物的浓度。美国e p a 制定了用激光测量烟气不透明度的参比方法，但是由于 缺乏遥感监测系统测量气体浓度的参比方法和标准化的规范操作程序，遥感监测系统发展 缓慢【5 1 。 其中采样式c e m s 应用最为广泛，结构如图1 2 所示。 图1 2 采样式c e m s 取样子系统 采样式c e m s 应用之所以广泛，因其与其他两种结构的c e m s 相比具有一下优点： 1 、能长距离输送气体，实现远距离监测。由于烟气排放口处附近测试条件恶劣，温度高、 温度和压力波动明显、烟气腐蚀性强、烟尘浓度高等因素使得仪器仪表难以长时间可靠工 作。采样式结构的采样管长度一般在几十米，结合专用的隔离措施( 如采样屋等) 可以有 效提高设备工作的可靠性，所需要注意的只是在采样气体的传输过程中保持一定的温度， 通常在1 4 0 - - - 1 6 0 摄氏度。 2 、维护、保养工作量小。采样部分只抽取少量的烟气并用洁净空气加以稀释，所以送往 分析部分的烟气含量和水蒸气含量都很低，降低了系统前期除尘、过滤的工作量，只需要 具有很小纳污能力的过滤器即可；反吹系统利用样气分析的时间定时用高压气体反吹采样 管，降低采样管积尘过量的概率，不需人工的定期清扫；标准气系统可用于全系统的自动 4 东南大学硕士学位论文 标定，便于检测管路泄漏点，不需人工的定期标定，泄漏点对测量精度影响小，因而具有 良好的工作连续性【2 1 。 1 2 2 国内外研究现状 6 0 年代人们尝试把环境空气分析仪和工业过程监控仪用于污染源排放物的监测。由于 当时制作的烟气稀释系统的稳定性差，环境空气分析仪在污染源排放物监测中的应用是不 成功的，但是工业过程监控仪适合于污染源排放物的监测，特别是紫外吸收和红外吸收原 理的监测仪。6 0 年代末期至7 0 年代初期，德国和美国成功地研制、生产、发展了监测系统 重新设计了测量高浓度气体的环境分析仪和不用抽样品而是将探头直接插入烟道测量烟 气的现场分析仪，并不断对仪器进行改进。在这些测试技术中德国的不透明度光学系统和 美国的荧光检测技术，为实现烟气连续监测奠定了技术基础【叼。 一开始人们想到的方法就是利用s 0 2 或n o x 等污染因子对红外光或紫外光的特征吸 收，光线经不同波段的滤光片直接射入烟道( 或烟囱) ，通过测量各自对应的光强衰减程 度，根据朗伯比尔( l a m b e r t b e e r ) 原理【7 】可分析出污染物浓度，此方法称为i n - s i t u 方式。 图1 3 单端式i n s i t u 方式布置示意图 i n s i t u 方式的布置还有跨烟道式 第一章绪论 图1 - 4 跨烟道式i n s i t u 方式布置示意图 这两种方式都曾一度流行，后均因为无法实现用标气进行在线标定而不再流行。以上 两种方式不能实现在线标定的根源在于光束是直接裸露于烟道中，而标气要覆盖光束时， 却无法充满烟道。基于此种方式的典型仪器是英国p r o c a l 公司的p u l s i 2 0 0 型【8 l ，该仪器于 2 0 0 0 年通过了美国e p a 认证，可同时测量h 2 0 、s 0 2 、n o 、n 0 2 、c 0 五个以上组分。 为解决仪器的在线标定问题，人们设计了完全抽取法( e x t r a c t i v e 方式) 。 图l - 5 完全抽取法工作示意图 其特点是把烟气从烟道抽取出来，送进分析仪进行分析( 采用成熟的分析方法：红外 吸收法) ，可测多组分。抽取过程分为两种：冷抽取和热抽取。冷、热两种抽取方法均需 把样气进行加热，然后经过滤器滤除烟尘；冷抽取法还要快速冷却除水，再把常温的烟气 - 6 东南大学硕士学位论文 送入分析仪分析，而热抽取则是把样气不除水，直接把高温烟气送入分析仪的光学腔内进 行分析。现在市场上流行的多数为冷抽取法。在线标定时，只要把标气打入抽取探头的前 端，然后，标气像烟气一样经过过滤、除水抽到分析仪，便实现完整的在线标定。这种标 定方法可以检验出过滤、除水引起的故障或误差，同时也能检验管路是否泄漏【9 1 。完全抽 取法通常要求3 个月的人工定期维护，主要是预处理系统，如过滤、降水功能等需更换部 件或清洗，在国内环境运行时，这个问题变得非常突出，以至不可忍受。 在完全抽取法的基础上，采用干净的空气( 把空气除尘、降露点) 打入烟道，通过稀 释探头与烟气混合再返回到分析仪，这一方式称为d i l u t i o n 方式( 稀释法) 【。d i l u t i o n 方式混合比例通常为1 0 0 ：l ，干净的空气为1 0 0 份，样气为1 份进行混合。这时需要的烟 气量非常小，可经过一个具有很小纳污能力的过滤组合除去烟尘即可，混合后的气体的含 湿量、含尘量都大大降低，从而直接进入分析仪，更不需对管路加热。同时，管路来回全 程均为正压，管路泄漏不影响测量。在线标定时，把标气或零气打入稀释探头的过滤组合 前端，然后按同样的稀释装置稀释返回分析仪，从而实现全程标定。 以上三种方式的比较列于表i - i ： 表i - is 0 2 、n o c e n s 方法对比 n 法 稀释法完全抽取法直接分析法 觞 稀释探头微量取样，配大气分用热管加除尘、除水功能的预处理系红外或紫外分析仪直接安放现场，光 特征 析仪高灵敏度分析。统配合红外或紫外吸收法分析仪。束直接进入烟道或烟囱，无需取样。 市场占有占有率不及稀释法，在德国、日本流 使用最多，特别是在美国。占有率很低，在英国、德国有使用。 情况行。 价格高中低 1 采气量很小，连续时间长， 适应面广。 1 对分析仪器要求低。 1 系统简单。 主要优点 2 易于实现完美的系统在线2 可实现多组分同时测量。2 可实现多组分同时测量。 标定。 1 系统复杂。1 维护量大。 1 难以实现在线标校。 主要缺点2 采用封闭方法，实现在线标校后， 2 造价贵，不宜普及。2 管路泄露影响大。 维护量大。 第一章绪论 在美国，第一台连续排放监测系统出现于1 9 7 1 年。但是直到1 9 7 5 年未连续排放监测 系统制造工业仍停止不前。直到美国国家环境保护局制定了连续排放监测系统性能的技术 指标，并规定在某些排放源安装连续排放监测系统后，连续排放监测系统才逐渐的越来越 广泛得到应用【i 。以美国为代表的西方发达国家，为控制大气污染物的排放总量，自8 0 年代中期就开始大量安装c e m s 系统，用于及时监测大气污染物的排放总量。 长期以来，我国烟气排放监测主要应用常规的分析方法，如重量法、容量法、比色法 等，几乎没有任何在线监测仪器。测定烟气中的污染物的常规方法是将采样头插入烟道抽， 取样品，然后在实验室中对样品进行分析。尽管手工采样方法是经典的方法，但是它消耗 时间长，不能提供长期的、连续的、系统的测试数据。7 0 年代初期人们认识到，需要一种 比手工采样更方便、更快捷的方法来准确测定烟气中的污染物，即使用连续监测系统忉。 由于技术方面的原因，国内仪器厂家大部分只能生产电化学方式的非连续性的烟气成 分测量装置，而对于采用稀释法等先进方法的在线烟气测量装置还不能独立生产，部分可 提供此类产品的厂家也只是代理国外产品而已。9 0 年代初我国部分环境科研单位开始研制 烟气连续监测装置。如南京环境科学研究所研制的j y z - 型烟气浊度在线监测仪，太原中绿 环保新技术公司生产的t g i - i y 型烟气自动监测仪，都只是在线式烟尘连续监测装置，对 于s 0 2 、氮氧化物等气体连续监测的产品还在开发中。目前国内c e m s 系统中使用的分析 仪器主要是美国k v b 公司和热电子公司的产品，软硬件价格昂贵，可扩展性较差。 1 2 3 我国火电厂烟气监测现状分析 火电厂在电力生产中占主导地位，也是污染大气环境的大型工业污染源，有效限制火 电厂污染物排放无疑具有重大意义。为此国家环境保护局和原电力部陆续修改、补充、制 定和颁布了一系列法规和标准，对火电厂环境保护设计和污染物的排放作了明确的规定。 1 9 9 7 年1 月1 日正式实施的由国家环保局、国家技术监督局颁布的火电厂大气污染物排 放标准( g b l 3 2 2 3 9 6 ) a 凋确规定，新扩改建的火电厂应装设烟尘连续监测装置；在酸雨控 制区和二氧化硫污染控制区内的火电厂和其它地区建成有烟气脱硫设施的火电厂应装设 二氧化硫连续监测装置，3 0 0 m w 以上机组应装设氮氧化物连续监测装置，第时段火电 厂应逐步实现连续监测。同时指出污染物连续监测装置经认定合格时，其监测数据为法定 监测数据【l 引。 1 9 8 6 年，广东沙角b 发电厂从日本引进了一套烟气连续监测系统，这是在我国火电厂 东南大学硕士学位论文 安装使用的第一套烟气连续监测系统。9 0 年代初我国引进的烟气连续监测系统大多安装在 合资、外商独资及华能系统的电厂，而且般是随进口锅炉或主机一同引入的。近几年， 来由于国家强制性排放标准g b l 3 2 2 3 1 9 9 6 的颁布实施和国家环保局二氧化硫控制区及征 收二氧化硫排污费等政策的出台，安装烟气连续监测系统的电厂增长较快【1 3 】，但只有少数 几个电厂的c e m s 系统能正常投运。我国部分环境科研单位也开始研制c e m s 装置，由于 起步晚和一些关键部件的技术含量高，大部分分析仪器仍是从国外进口【1 4 】。在实际使用中 由于进口设备的运营要求较高，因此在很多已经装备了c e m s 系统企业中，实际有效运行 的系统比例是很低的，这就使得原本必要的烟气监测环节并没有很好地发挥作用。 由于目前国内的c e m s 市场占有率仍以国外品牌为主，在设备采购、安装调试运行维 护、人员培训、监督管理等方面都存在问题，主要表现在【4 】： ( 1 ) 设备无认证：引进的c e m s 基本是随机配套进来的，未经我国环保和电力系统的 技术认证，这样各种类型的c e m s 都有，各种类型的c e m s 的监测数据相互之间可比性差， 而且由于没有建立入网许可证制度部分国外厂商销售不符合我国标准和电力行业特点的 c e m s ，甚至是早期的现已被淘汰的产品。 ( 2 ) 安装无技术标准：引进的c e m s ，安装主要依赖于提供设备的厂家。我国无技术 标准要求，因而安装位置不符合我国环保技术要求和相应的标准，监测数据也不能正确反 映火电厂实际排放状况。 ( 3 ) 运行维护管理制度不够完善：绝大多数电厂c e m s 运行管理制度不完善。由于 c e m s 是近年来引进的先进环保监测仪器，对运行操作人员的要求较高，只有具备一定素 质的专业技术人员才可保证仪器的正常运行和维护。目前有许多电厂没有c e m s 运行与管 理人员，而是由其它部门人员兼管，导致有时系统出现一些小问题也不能得到及时维修。 ( 4 ) 监督管理不完善：各火电厂的c e m s 的数据统计和处理是以各电厂为单元进行的， 环保部门只能通过报表方式来监督，无法随时掌握各电厂的c e m s 运行情况及烟气污染物 的排放状况。应将各省的c e m s 的数据处理器进行联网，建立全电网的烟气连续监测网络 信息系统。 1 3c e l l s 技术的发展趋势 从文献调查结果来看，c e m s 技术的发展趋势主要表现在以下几个方面： 8 - i o j 5 - 1 6 ( 1 ) 新的采样方式的研究。c e m s 自身特点决定其标定必须是在线标定，这就要求采 第一章绪论 样系统和标定系统采用同一个通道：仅就目前技术来看，d i l u t i o n 方式是最合适的采样方 式，但是由于稀释后的样气浓度很低，对分析系统的精度提出了很高的要求，造成系统成 本过高，且难以实现多组分测量，限制了其推广。因此，研究新的样气采集和在线标定方 式有望在根本上解决这一难题。 ( 2 ) 分析传感器技术的研究。目前比较成熟的是红外吸收法，因稀释比难以精确控制， 对于稀释后样气的测量精度提出了更高的要求。因此，研究新的传感器和探头技术一方面 可以提高测量的精度和可靠性，实现多组分的精密测量，另一方面也可降低运行和维护成 本。目前的一次采样加分析，周期在3 8 分钟；采用光学分析方法的c e m s 的周期也要在 8 0 秒左右，新传感器技术的研究还可以提高系统的实时性，进而为生产流程的精确控制提 供保障。 ( 3 ) 发展智能化、网络化和便携式设备。目前的c e m s 监控的机组多为l 2 台( 套) ， 鉴于各地的燃煤状况区别很大，系统并无固定的结构，往往需要工程人员根据使用环境进 行调试安装，若能设计固定结构的c e m s ，自适应各地的工作条件，可大大提高该系统的 推广速度。上位机功能相对过剩，若可以实现异地传输实时数据，则c e m s 监控的机组可 以是分布在不同地点的多台( 套) 。再者，现今技术条件下的c e m s 结构复杂、体积庞大， 给安装、调试带来不少难题，如何缩小系统体积也是研究的热点方向之一。 1 4本文的主要工作 综上所述，本文为满足火电厂实现烟气排放的连续监测和监测数据网络化实时监控的 要求，研究并开发了网络化的烟气排放连续监测系统。论文在既有的分析技术条件下，结 合徐州阚山电厂的运行条件，设计了由采样、分析和数据采集与处理等三个子系统构成的 c e m s 系统。其中： l 、采样子系统设计包括样气抽取方式的确定、各阀f 1 - 9p l c 的电气连接及p l c 控制 程序设计； 2 、分析子系统设计包括分析设备选型及检测信号输出； 3 、数据采集与处理子系统设计主要包括p l c 与上位机的通讯设计、工业以太网应用、 上位机w i n c c 组态、串行数据接收并按照有关标准修正及报表的远程发送等软件模块的 设计。 本课题广泛调研了c e m s 技术的实际应用领域和技术发展趋势，采用与南京分析厂合 1 0 东南大学硕士学位论文 作开发的研究途径，参与开发并实施了某火电厂烟气排放在线监测系统的调试。根据主要 工作和设计内容，论文安排如下： 第一章：综述了c e m s 技术背景和发展的意义所在，详细介绍了c e m s 技术在国内外 发展的历史和现状以及自身特点，特别是在我国应用中存在的问题：进而介绍了该技术的 发展趋势。最后提出本论文的主要研究内容和设计任务。 第二章：将整个c e m s 系统按功能分为采样与预处理、分析、数据采集与处理三大予 系统，根据子系统之间的相互关系设计c e m s 的整体结构。 第三章：根据c e m s 系统的结构划分，分别设计了采样、分析和通讯子系统的硬件结 构。 第四章：c e m s 三层系统软件总体规划，并分别应用s t e p 7 实现p l c 编程；w i n c c 实现上位机组态；v i s u a lb a s i c 实现数据采集与处理；下位机软件模块间以o p c 和以太网 连接配置，上位机软件间以及上位机与下位机系统之间采用r s 2 3 2 通讯。 第五章：结合图表和数据给出系统在现场运行的情况报告，并给出运行效果评价。 第六章：对工作进行总结，并对进一步的研究提出一些建议。 第二章烟气排放连续监测系统的结构 第二章烟气排放连续监测系统的结构 2 1 烟气排放连续监测系统的组成 c e m s 由烟尘监测子系统、气态污染物监测子系统、烟气排放参数测试子系统、系统 控制及数据采集处理子系统、信号输送通讯系统等组成。c e m s 通过采样方式或非采样方 式，测试烟气中污染物浓度，并同时测试烟气温度、烟气压力、烟气流量、烟气湿度、氧 量等参数，按国家有关标准显示与记录，实现污染物排放监测的在线性、连续性、准确性 及数据处理和输出打印的完整性【l 叼。 2 2 采样与预处理子系统 2 2 1 采样工况 应在生产设备处于正常运行状态下进行，或根据有关污染物排放标准的要求，在所规 定的工况条件下测定。 2 2 2 采样位置 ( 1 ) 采样位置应优先选择在垂直管段，应避开烟道弯头和断面急剧变化的部位，采样位 置应设置在距弯头、阀门、变径管下游方向不小于6 倍直径，距上述部件上游方向不小于 3 倍直径处。对矩形烟道。其当量直径b = 2 a b i a + b l ，式中的a b 为边长。 ( 2 ) 对于气态污染物，由于混合比较均匀，其采样位置可不受上述规定限制，但应避开 涡流区，如果同时测定排气流量，采样位置仍按( 1 ) 选取。 ( 3 ) 采样位置应避开对测试人员操作有危险的场所。 2 2 3 稀释采样探头 简单的采样探头只不过是插入烟道的一根贯通的金属管，它仅适合于在没有颗粒物的 烟气中采样。然而用连续排放监测系统测量排放源烟气，烟气中不含颗粒物的情况几乎是 1 2 东南大学硕士学位论文 没有的。由于贯通式金属管易被烟气中的颗粒物堵塞，特别是烟气含湿量高时，水蒸气可 能冷凝，与颗粒物结合在一起形成块状物，更易使探头堵塞。为减少堵塞，应在探头的一 端安装过滤器。过滤器由烧结不锈钢或多孔陶瓷材料制成防止颗粒物进入采样管。烧结金 属由微米粒径的金属颗粒物在高温、高压下压缩而成，金属形成的孔隙度与压力有关。烧 结不锈钢能滤去1 0 5 0 微米粒径的颗粒物，常作为探头过滤器【1 6 1 。 对任何一个完好的抽取系统，都可能出现堵塞过滤器的问题。为了减少堵塞，采用高 压气体，即工厂的压缩空气或6 0 1 0 0 1 b i n 2 ( 4 2 2 7 0 4 k g c m 2 ) 的空气，与正常气流流向相反 的方向反吹过滤器，反吹持续时间和周期可由用户根据烟气中颗粒物的特性和浓度设定。 使用反吹系统时，必须注意防止反吹气体冷却探头，造成酸和其它气体冷凝。 2 2 4 样气预处理 采样与预处理子系统的结构与工作流程见图2 1 。- l - i ： 反吹装詈 ： 曰 图2 1 采样与预处理子系统结构框图 在图2 1 中，采集器探头伸入烟道，对于直接抽取式系统是需要加装第一层过滤网的， 否则极易堵塞。采集器接两条气路，其中一路经反吹控制电磁阀接反吹气路，电磁阀由p l c 控制开闭；另一路经采样电磁阀接第一除湿器，对高温的样气降温除湿，因为湿度是样气 分析一项重要参数。经过初步除湿的样气经抽气泵加压后再经过第二除湿器成为可测样 气，可测样气再经气溶胶过滤器和精细过滤器后进入分析子系统，样气进入分析子系统的 流量通过针形调节阀控制。为了定期标定，采样子系统提供路标准气通道，同样经气溶 胶过滤和精细过滤后进入分析子系统作为标准气调节分析子系统的零点，标准气一般取洁 1 3 第二章烟气排放连续监测系统的结构 净空气。 2 3 烟尘监测子系统 2 3 1 烟尘监测的目的和监测项目 烟尘测试的目的主要有以下几个方面：( 1 ) 确定粉尘排放的浓度和单位时间排放量；( 2 ) 评价现有净化装置的性能效率及使用情况：( 3 ) 检查现行排放标准的执行情况；( 4 ) 验证关于 污染物排放量的各种估算方法；( 5 ) 为大气污染预报提供必需的数据。 火电厂的烟尘监测是对除尘器改造前后烟尘排放和除尘器性能进行监测。监测分析项 目有：烟气量、烟尘绝对排放量、烟尘排放浓度、过剩空气系数、烟气湿度以及除尘器效 率、阻力、漏风率和烟气温度降等。 2 3 2 烟尘连续监测方法 一般情况下烟尘浓度测试的方法有三种：人工过滤称重法、林格曼黑度测定法、光电投 射法、其优缺点如表2 1 所示。 表2 - 1 三种烟尘浓度测量方法的比较 方法优点缺点 人工过滤测量烟尘浓度的标准方法精确度高，不能了解烟尘浓 称重法精密度好度的动态变化 林格曼黑简便易行成本低廉，特别适用于黑色人为因素大环 度测定法 烟气的测定境条件影响大 光电投射 仪器结构简单，使用方便维护量小对仪器的安装要 晌应快，能在被测含尘气体物理化学性求高，且标定工 法 质不变的条件下进行连续测定作复杂 2 3 3 测尘仪的校准与反吹 在测尘仪的发射端内有一面一半镀银的镜子，镜子旋转时，当镀银的一部分对着光源 时，光将被反射到一个探测器上，根据光的衰减情况来校准测尘仪的跨值，一般来说，衰 减为1 2 。当没有镀银的一部分对着光源时，光将透射到接收端，没有光反射到探测器上， 这样来校准测尘仪的零值。 反吹测尘仪时，压缩空气从进气口进入，通过空气过滤器，气流通过反吹管内的传感 东南大学硕士学位论文 器，然后进入烟道，对取样不产生影响【闭。 2 4 烟气参数监测子系统 为了计算标准状况下的烟气体积，需要测量烟道内的压力和温度：为计算总的排放量， 需要测量烟气的流量；因要换算为标准状态下的干基气体还必须测量烟气的湿度。烟气排 放参数的连续监测项目主要包括烟气温度、烟气流量和压力、烟气含氧量。 在样气经第一除湿器之前，烟气参数监测子系统需监测烟道的原始状态数据，包括温 度( 摄氏度) ，流量( 万m 3 h ) ，湿度( r h ) ，含尘量( m g m 3 ) 。除湿态烟气的各测量值外， 系统还根据要求将湿烟气流量转化为流速，并进行显示。转换公式如下： q = 3 6 0 0 x f x 式中：q 一工况下湿烟气流量；f - i 9 l i 定断面的面积 同时系统需要将湿烟气流量转化为干态流量，转换公式如下： q $ i t - - q 丽2 7 3 淼( 1 吨) 式中：q s n 标准状态下烟气流量，m 3 h ； 见一一大气压力，p a ； 只一一烟气静压，p a ； f - 烟气温度，o c 鼍。一含水量， 对于含尘量、气态污染物等需要转化为相应的标态转换浓度并进行显示，公式如下： c = c ，旦 a ， 式中：c 折算成过量空气系数为时的颗粒物或其态污泐排放浓度，m g m 3 ； a 一实测的过量空气系数 a 排放标准规定的过量空气系数 过量空气系数按下式计算： a = 2 1 ( 2 1 - x 0 2 ) ) 【o 广一烟气中氧的体积百分数 在本子系统中需要将烟道内的温度、压力、湿度和流量参数采用变送器转换为4 2 0 m a 的标准模拟信号，送给p l c 进行a d 转换。 第二章烟气排放连续j | f 测系统的结构 2 5 气态污染物监测子系统 2 5 1n o 的连续监测方法 n o 的连续监测方法有红外吸收法、紫外吸收法、脉冲荧光法和化学发光法( c l d 法) 四种。 ( 1 ) 红外吸收法：通过测量n o 对5 3 微米附近的红外线吸收量的变化，连续测定烟气 中n o 浓度。n 0 2 是通过还原转换器转换成n o 再测量。抗水分、c o 、c 0 2 、s 0 2 及有机 物的干扰能力较弱【1 9 】。 ( 2 ) 紫外吸收法通过n o 在1 9 5 - 2 3 0 n m 附近或n 0 2 在3 5 0 - - 4 5 0 n m 附近的紫外光吸收原 理进行测定。仪器维修容易不易受气流量水蒸汽c 0 2 的影响。 ( 3 ) 脉冲荧光法：采用脉冲紫外光照射到含有n o 的气样上，激发n o x 产生荧光，用 光电倍增管检测荧光强度，测定烟气中的n o 浓度。受芳香烃和水蒸汽的干扰，较适用于 稀释采样法。 ( 4 ) 化学发光法( c l d 法) ：测量n 0 2 是n o 和0 3 反应产生激发态的n 0 2 ，激发态的 n 0 2 ，转为常态的n 0 2 时，伴随着光子的发射，产生化学发光测量发光，强度即n o 浓度。 适用于共存的二氧化碳干扰可以忽略或消除的场合【2 0 】。 2 5 2 s 0 2 的连续检测方法 s 0 2 是主要大气污染物之一，为大气环境污染例行监测项目。s 0 2 是一种无色、易溶于 水、有刺激性气味。s 0 2 的味阈值是0 3 p p m ，达3 0 - - 4 0 p p m 时，人呼吸将会感到困难。在 线检测中常用的方法有：紫外荧光法、红外线吸收法和火焰光度检测法。 ( 1 ) 紫外荧光法：紫外荧光通常是指某物质受到紫外光照射时，各自吸收了一定波长的 光之后，发射出比照射光波长长的光，利用测荧光波长和荧光强度建立起来的定性、定量 方法称为荧光分析法。根据比耳定律，透过光的比例为： = 1 俨 ( 2 1 ) ，o 式中：i o 入射光( 激发光) 强度； i 透过光强度； c 被测物质的浓度； 东南大学硕士学位论文 善被测物质摩尔吸光系数； b 透过液层厚度。 被吸收和散射等光的比例为： ， ，一三= l 一1 0 影 1 0 ( 2 2 ) i o - z = ( x o - 1 0 跏) ( 2 3 ) 总发射荧光强度( f ) 与试样吸收的激发光的光量子数和荧光量子效率成正比： f = 办( i o - i ) = ，o 办( 1 1 0 啦) ( 2 4 ) 将上式括号内的指数项展开可得： f = ，咻 2 3 伽一( - 2 百3 眚 b c ) 2 + ( - 2 可3 者 b c ) 3 一】 ( 2 5 ) 对于很稀的溶液，被吸收的激发光不到2 ，鼽很小，上式中括号内第二项后各项可忽略 不计，则简化为： f = 2 3 诈矽d o( 2 6 ) 对于一定的荧光物质，当测定条件确定后，上式中的o f 、i o 、善、b 均为常数。 ( 2 ) 红外线吸收法：红外气体分析部分采用