（计算机应用技术专业论文）工业废气连续排放监测系统的研究与实现.pdf

摘要 摘要 燃煤火力发电厂烟气排放污染物对环境的影响问题，越来越受人们的 广泛关注。国家环保总局颁布了法规，对火力发电厂污染物的排放做出了 明确的规定：火力发电厂必须安装烟气排放连续监测系统。由于，我国对 此项技术的研究起步较晚和关键部件的技术含量高，因此大部分监测系统 目前还是从国外进口。 本文就常州第二发电厂的烟气连续排放监测系统的工程项目，详细地 介绍了此烟气连续排放监测系统的原理结构、软硬件设计及其实现方法。 本文的重点是：采用模糊控制技术实现对稀释空气压力的控制，通过 对压差进行模糊化划分，建立模糊规则，从而得出模糊控制量，解决了在 应用稀释采样法时出现的测量精度低的问题；使用了数字滤波技术并给出 了种基于a v r 单片机的工频干扰滤除的快速算法，解决了工业现场中存 在的工频信号对所采集数据的干扰问题，提出的分配系数法设计数字滤波 器具有算法速度快、代码效率高、滤波效果理想的特点，并且将算法嵌入 到了具体的硬件中，增加了系统的灵活性；应用了拟合技术对数据曲线进 行处理，求出压差与流量之间的函数关系式，保证了系统的测量精度。 最后，采用f i x 3 2 工控软件作为平台和g e 9 0 3 0 可编程控制器为系统 控制器，设计了一套数据采集与控制软件。实际应用证明，本系统运行稳 定，满足烟气排放连续监测精度的要求。 关键词稀释采样；可编程控制器；模糊控制；数字滤波；拟合技术 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eq u e s t i o nt h a tc o n t a m i n a t i o no ft h ep o w e rh o u s ea f f e c t se n v i r o n m e n t h a sg o tm o r ea n dm o r ea a e n t i o n n a t i o ne n v i r o n m e n t p r o t e c t i n g o f f i c eh a s p r o m u l g a t e dr u l eo f l a wt h a tt h ep o w e rh n u s em u s ti n s t a l lc o n t i n u o u se m i s s i o n m o n i t o r i n gs y s t e m b u t ，m o s tm o n i t o r i n gs y s t e mo fo u rc o u n t r yd e p e n do n i m p o r t i n g d u et ou n d e r w a yl a t e ra n ds o m e p i v o t a lp a r t s t e c h n i q u ec o n t e n th i g h t h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r e ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n , i m p l e m e n t i n g m e t h o da r em a d eo u tad e t a i l e de x p l a i na b o u t t h ee m p h a s e sa r e ：t h ef a c t o r ya d o p t sf u z z yc o n t r o lt e c h n i q u ec o n t r o l l i n g p r e s so f d i l u t ea i r , s e t t l i n gt h eq u e s t i o nt h a tm e a s u r ep r e c i s i o nl o ww h e n s y s t e m u s ed i l u t et h e s a m p l i n g ，t h et e c h n o l o g y i st h a tf u z z i f i c a t i o nd e c e n t r a l i z e s d i f f e r e n c eo fp r e s s ，t h e n ，s e t su pt h er u l e , f i n a l l y , f i n d st h ef u z z yc o n t r o l l i n g q u a n t i t y ；i tm a k e su s eo fd i g i t a l f i l t e rt e c h n i q u ea n dp u a i n gf o r w a r das o r to f a r i t h m e t i co f q u i c k l yf i l t e rb a s e d o na v r s i n g l e c h i pt h a tc a l le l i m i n a t ei n d u s t r y 疳e q u e n c ys i g n a l ，s e a l i n gi n t e r f e r e n t i a lq u e s t i o ni ni n d u s t r ys c e n et h a ti n d u s t r y 丘e q u e n c ys i g n a ld e s t r o yc o l l e c t i n g d a t a ，f i n d s o u t d i s t r i b u t i n g c o e f f i c i e n t a r i t h m e t i ct od e s i g nd i g i t a lf i l t e r , t h ea r i t h m e t i ch a ss o m ec h a r a c t e r i s t i co fs p e e d f a s t ，e f f i c i e n c y , f i l t e re f f e c ti d e a l i t y , i tm a k e st h ea r i t h m e t i ci n s e r t i n gh a r d w a r e ， e n h a n c ef l e x i b i l i t yo ft h es y s t e m ；i ta p p l i e sf i t t i n gt e c h n i q u ed e a l sw i t hd a t a c u r v e d e t e r m i n ef u n c t i o no fd i f f e r e n c eo fp r e s sa n dn ow ，t h ef i t t i n gt e c h n i q u e a s s u r e sp r e c i s i o no f s y s t e m f i n a l l y , t h e a u t h o rd e s i g n e das u i to fs o r w a r eo fd a t aa c q u i s i t i o na n d h a n d l i n gs o f t w a r et h a tf i x 3 2i n d u s t r yc o n t r o ls o f t w a r ei s m a d eo u tf l a t ，a n d g e 9 0 - 3 0p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e ri sr e g a r da ss y s t e mc o n t r o l l e r , t h e f a c tp r o v e dt h a tt h es y s t e mr u n ss t a b i l i z a t i o na n ds a t i s f yr e q u i r eo fc o n t i n u o u s e m i s s i o nm o n i t o r i n gp r e c i s i o n 1 i a b s t r a c t k e y w o r d sd i l u t et h es a m p l i n g ；p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ；f u z z yc o n t r o l ； d i g i t a lf i l t e r ；f i t t i n gt e c h n i q u e h i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 烟气排放连续监测的意义 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，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 阶段，治理环境污染、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。 我国使用的主要自2 源是煤炭燃料，所出大气污染是以煤烟型污染为主， 主要污染物为二氧化硫( s 0 2 ) 和烟尘，而s 0 2 正是形成酸雨的主要原因。酸 雨对我国的经济和社会的发展带来了极大的危害，每年由于酸雨污染造成 的经济损失达2 0 0 亿元左右。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“鼹控区”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 ，二氧化 硫污染控制区占3 l i j 。 大型燃煤电厂烟气排放的污染物对环境的影响问题，随着人们对环保 意识的增强而日益受到人们的关注，为此国家环境保护局和原电力部陆续 修改、补充、制定和颁布了一些标准和法规，对火电厂环境的保护设计和 污染物的排放做了明确的规定。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 - 1 9 9 6 ) 第 5 2 款明确规定：第1 i i 时段新、扩、改建的火电厂，应装设连续监测装置； 在酸雨控制区和二氧化硫污染控制区内的火电厂和其他地区建成有烟气脱 硫设施的火电厂应装设二氧化硫连续监测装置；3 0 0m w 以上机组应装设氮 燕山大学工学硕士学位论文 氧化物连续监测装置，第1 i 时段火电厂应逐步实现连续监测。同时在第6 3 款指出污染物连续监测装置经认定合格时，其监测数据为法定的监测数据。 随着国家“两控区”二氧化硫排放控制行动计划的实施和“两控区”二氧 化硫排放污染收费工作的开展，火电厂安装烟气连续监测系统的重要性就 越加明显。烟气排放连续监测系统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。该系统具有 连续监测、定期统计、远程通讯等特点，能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旌提 供科学的定量依据。 1 2 烟气连续监测系统的发展概况 早期的烟气监测大部分是将在现场抽取的样品拿回实验室进行分析， 由于分析是定时，定点的间断采样分析，因此测定的结果只能反映某一时 段，某一局部地点的情况。显然，用这种结果定量描述整体的环境动态变 化是不全面的、不确切的。这种方法由于取样时间和方式的不一致，使得 样品的代表性差并且很花费时间。而且仪器在使用上也不稳定，这就阻碍 分析仪器在烟气监测方面的应用。为了弥补环境分析的不足，仪器分析和 环境科学工作者进一步研究和发展了许多光学和物理化学的测定方法和仪 器，并实现了测定的自动化和连续化。为了能找到一种快捷、迅速、准确 的监测仪器，烟气连续监测技术自从7 0 年代初在世界各国就发展起来，而 光学技术用于不透明监测与化学发光测量技术。微电子技术成为烟气连续 监测的基础1 2 j 。 火电厂是一个自动化程度较高的连续性生产企业，又是一个需要高安 全性的企业。因此，对火电厂环境监测的要求也比较高，特别是火电厂的 烟气监测。但我国火电厂的环境监测主要还是应用常规的分析方法、常规 的分析手段，如重量法、容量法、比色法等。其监测分析仪器多为8 0 年代 后期我国自己生产的手工采样仪和分光光度计等几乎没有任何在线监测仪 器【3 】。8 0 年代末及以后，在我国的部分外资、合资、独资引进机组的新建 火电厂，随同引进了部分环境监测仪，这部分环境监测仪器主要是烟道气 第1 章绪论 的监测。到1 9 9 5 年初，在引进的部分烟道气监测仪中，只有少数几个电厂 的c e m s 系统能运行。1 9 9 5 年以后，特别是1 9 9 6 年随着国家环保局出台 二氧化碳控制区及二氧化硫排污收费等政策，上c e m s 系统的火电厂很快 增多。 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 r n gs y s t e m ， c e m s ) 。1 9 7 5 年在美国首先颁布了c e m s 的技术规范，从而c e m s 在美国 的各行各业，特别是电力行业得到了广泛应用。韩国为了迎接】9 9 8 年第2 3 届汉城奥运会召开，在此之前就开始发展自己的c e m s 技术。韩国正工程 公司丌发的c e m s 在本国市场占有率最高，从外国进口c e m s 系统都必须 经该公司验证合格才准许在市场上销售。英国、芬兰、日本等国都发展了 自己的c e m s 技术。1 9 8 6 年，广东沙角b 发电厂从日本；l 迸了一套烟气连 续监测系统，这是在我国火电厂安装使用的第一套烟气连续监测系统【4 l 。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 5 1 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，于是我国部分环境科研单位也开始研制c e m s 装 置。我国的北京分析仪器厂、南京电力环境保护科学研究所、太原中绿环 保技术有限公司，中兴仪器等都在开发生产自己c e m s 系统，由于起步晚 和一些关键部件技术含量高，大部分分析仪器都是靠从国外进口。 由于目前国内的c e m s 市场占有率仍以国外品牌为主【6 ，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【7 卅： ( 1 ) 设备无认证。引进的c e m s 基本是随机组配套进来的，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，因而安装位镫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。 燕山大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 运行维护管理毒9 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，仅是由其它部门人 员兼管，这样有时会导致系统出现一些问题不能得到及时维修。 ( 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，因此无法及时掌握各 电厂的c e m s 运行情况及烟气污染物的排放状况。 1 ，3 课题的研究目的和基本思想 工业废气排放连续监测系统是指具有数据采集、监测、控制功能的计 算机系统，在这个系统中，计算机直接参与被控对象的监测( m o l l i t o r ) 、监督 f s u p e r v i s e ) 、控带i j ( c o n t r 0 1 ) “u j 。 本课题的研究目的就是应用计算机检测控制技术，实现常州第二发电 厂废气监测系统，向自动化方向发展】，达到以下目的： ( 1 ) 实现对废气排放进行监测，当设备运行出现故障、参数越限、违规 操作，系统发出报警信号并显示故障位置； ( 2 ) 实现对现场压力、流量以及各阀门进行监测和控制，生成排放报表， 并绘制相应曲线； ( 3 1 币u 用模糊技术实现对稀释空气压力的控制。 在现代化工业过程中，许多自动控制设备、自动化生产线，均需要配 备电气控制设备。以往的电气控制装置主要采用继电器、接触器或电器元 件来实现，由连接导线将这些元器件按照一定的工作程序组合在一起，以 完成一定的控制功能，这种控制叫做接线程序控制。接线程序控制的电气 装置体积大，生产周期长，费工时，接线复杂，故障率高，可靠性差，需 经常和定时的检修维护。 随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使用可编程控制器逐步形 成了具有特色的多种系列产品，由于其将计算机的功能完善、通用、灵活 第1 章绪论 等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起 来，因此在实现工业自动化中得到大量应用。 本课题的研究基本思想是：采用先进的计算机技术、可编程控制器 p l c 1 2 】、工业自动化组态软件技术、模糊控制技术控制技术以及网络通信 等技术，设计研究具有运行状态和参数能够自动检测、自动控制，具有自 动故障处理和报警能力并且具有网络通信能力的高性能、高可靠性的工业 废气监测系统1 1 3 1 。 1 4 本文的主要工作 实现c e m s 系统的集成，首先应根据用户功能需求进行系统设备选型 配置和系统结构及应用软件设计，即总体设计。总体设计合理是否涉及到 系统是否可以成功的投入运行并实现预期功能，因此，在设计此项目时， 必须以系统工程的思想进行通盘考虑。在总体设计的基础上，分布去逐项 实旄各个细节。 根据常州第二发电厂c e m s 的特点，拟采用分布式控制系统( 工业计算 机+ 可编程序控制器) ，采用工业组态软件实现泵站的计算机监测与管理， 以模糊控制理论与p l c 相结合，对工业现场进行控制，完成对工业现场的 实时监测与控制。 为满足火电厂实现烟气排放的连续监测和监测数据实时监控的要求， 研究开发烟气排放连续监测系统。本论文的主要工作为： f 1 1 开发烟气连续监测系统的数据采集、流程控制、数据管理以及系统 配置等的软件； f 2 1 采用模糊算法实现对稀释采样压力的控制，实现稀释比例误差达到 尽可能小的范围； ( 3 、采用数字滤波技术实现对输入信号的滤波和抗干扰措施，使得到的 数据符合在线监测系统对精度和准确性的要求。 燕山大学t 学硕士学位论文 第2 章烟气排放连续监测系统的原理与结构 2 】烟气排放连续监测系统的组成 2 1 1c e m s 的监测项目 根据国家环境保护局的规定，烟气排放连续监钡, , i j ( c e m s ) 项目主要包 括： ( 1 ) 颗粒物颗粒物是指燃料和其它物质燃烧、合成、分解以及各种物 料在机械处理过程中所产生的悬浮于排放到气体中的固体和液体颗粒状物 质1 4 1 ，如烟尘。 ( 2 ) 气态污染物主要包括二氧化硫( s 0 2 ) 和氮氧化物州o 、n 0 2 、n o x ) 。 如果需要评价燃煤的利用效率和有毒废物的排放情况，还应该测量一氧化 碳( c o ) 。 ( 3 1 烟气参数为了计算标准状况下的烟气排放体积，需要测量烟道内 的压力、温度：同时为了计算总的排放量，需要测量烟气的流量；因为要 换算为标准状态下的干排气，系统还必须测量烟气的湿度；同时，为了计 算排放物成份的真实含量，防止用空气稀释烟道气，从而得到的数据不准 确，必须测量氧气( 0 2 ) 的含量1 1 ”。 2 1 2 c e m s 的结构组成 c e m s 由烟尘监测子系统、气态污染物监测子系统、烟气参数监测子 系统、数据采集与控制系统、数据处理与远程通信系统等组成，如图2 1 所示。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| 】“。 6 第2 章烟气排放连续监测系统的原理与结构 烟尘监测气态污染物监测子系统 于系统 网 多 圈 l胃l坚胃_e_ 匪_ l 三 激 倒 路 围 稀 光释 测探 尘头 仪 网 控 困 制 剧睢刘 器 数据采集与控制系统 i 数据处理和远程通信系统 l i n t o n e r d c s 系统显示打印上级环保部门 图2 - lc e m s 系统结构 f i g u r e2 - 1c e m s s t r u c t u r ec h a r t 烟气连续监测系统的组成如图2 2 所示。一般来说，c e m s 包括以下部 分。 ( 1 ) 气体采样系统：包括采样探头、探头控制器、管线及电缆等。 ( 2 ) 气体分析仪器：s 0 2 、n o x 、c 0 2 、c o 等。 ( 3 ) 激光测尘仪。 ( 4 ) 流量计。 ( 5 ) 测氧系统( 也可通过测量c 0 2 换算成过剩空气系数) 。 ( 6 ) 稀释空气系统：包括空气净化装置、除水器、缓冲罐等。 ( 7 ) 校准系统：包括零气系统和各种标准气体s 0 2 、n o x 、0 2 气体钢瓶。 ( 8 ) 数据采集处理系统：包括计算机、打印机、数据采集处理和控制软 件等。 ( 9 ) 仪器控制柜及其它部件和材料。 燕山大学工学硕士学位论文 图2 - 2c e m s 系统组成 f i g u r e2 - 2c e m ss y e t e mc o m p o s i n g 2 , 2 采样的基本要求 2 2 1 采样工况 采样工作状况应在所有生产设备都处于正常运行状态下进行，或根据 有关工矿企业工业废气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，和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 d = 2 a 纠( 4 + b ) 1 7 1 ，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。 茎：童塑苎塑! 整堡鎏堕型墨笙塑垦望皇笙塑 ( 3 ) 采样位置应避开对测试人员操作有危险的场所。 2 2 3 采样子l ( 1 ) 在选定的测定位置上开设采样孔，采样孔内径应不小于8 0m m 采样 管长应不大于5 0m m ，不使用时应用盖板、管堵或管帽封闭。当采样孔仅 用于采集气态污染物时，其内径不应小于4 0f i l m 。 ( 2 ) 对正压下输送高温或有毒气体的烟道应采用带有闸板阀的密封采样 孔。 ( 3 ) 对圆形烟道，采样孔应设在包括各测定点在内的互相垂直的直径线 上。对矩形或方形烟道，采样孔应设在包括测定点在内的延长线上f 1 8 1 。 2 3 c e m s 的技术分类 烟气连续监测系统按取样方式的不同通常可分为三类：采样式烟气连 续监测系统、在线式烟气连续监测系统、遥感监测系统【1 9 】。 2 3 1 采样式c e m s 采样式c e m s 系统，从烟道中抽取样气送至远处进行调节和分析分为 直接采样法( 加热管线法) 和稀释采样法。一套采样式烟气连续监测系统可带 多套采样探头。 直接采样法是经过滤器去除烟尘，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。 此种方法的优点为：设备费用较低，系统设备较稀释法系统简单；系 统精确度和在线性较好，校准方法可靠，可一套分析仪切换监测多根烟囱 或烟道。 缺点是：伴热管线易出问题造成取样管水蒸气凝结阻塞，加热管需经 常维护才能保证分析装置的安全运行。分析仪器直接接触高温高浓度腐蚀 性气体，仪器运行寿命较短。 9 燕山大学工学硕士学位论文 稀释采样法是先通过一零气发生器，把空气中的s 0 2 、n o x 、水蒸气等 除掉后作为稀释气( 零气) ，通过空压机把洁净的零气送至稀释器，瞬间稀释 并降低高浓度的烟气露点和温度，然后再分析其中污染物的浓度。同样要 过滤烟气中的颗粒物，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大大延长：烟气经稀释后温度达到正常运行允许的范 围，而无须冷却。稀释抽取法的优点是能长距离的输送气体，实现远距离 监测、维护、保养工作量小。 2 3 2在线式c e m s 在线式c e m s 系统又称横跨烟道烟气连续监测系统或现场监测系统， 不弦取爆气，而是直接测量熠道中的烟气成分。分为两类“点7 积“线” 系统【2 0 j 。 “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，测量离传感器仅几厘米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，进行测量。该系统又分单光束和双光束两种。单光束是由烟道一铡的 发射装置发射光，通过烟道后被烟道另一侧的接收器接受。双光束是发射 的光被烟道另- - n 的反射镜反射回来，发射器同时又是接受器，它检测返 回的光强。 在线式的最大优点是：光发射器和接收器可以直接安装在烟囱( 烟道) 上，经电缆输送信号至地面计算机显示屏目，烟气与检测设备不接触，且 可安装保护罩隔离烟气，避免烟尘堵塞仪器。设备简单，运行维护方便价 格便宜。 在线法的缺点主要有以下几点： ( 1 ) 由于s 0 2 、n o x 对紫外特定波长段比较敏感，而c 0 2 则对红外光比 较敏感。这就要增加一套红外线发射器和接收器。 ( 2 ) 系统安装条件差( 需安装在烟囱或烟道上) ，系统精确度和在线性较 差，校准方法不被美国e p a 认可。仪器长期在高温易腐蚀高浓度其他中运 行，运行受命较短，需经常保养，系统只能监测个监测孔，不能多点切 1 0 第2 章烟气排放连续监测系统的原理与结构 换。 目前在我国稀释采样法占6 2 7 ，直接采样法占2 7 5 ，在线监测法占 9 8 t 2 1 丑】。 2 3 3 稀释采样法 本论文用稀释采样法进行烟气连续监测。稀释采样技术的发展使得 化学发光法测量n o x 、脉冲荧光法测量s 0 2 等分析方法成为可能，而且采 用稀释法与过去的传统采样技术相比有着明显的优势。 稀释采样法的工作流程为：先通过一零气发生器，把空气中的s o ，、 n o x 、c 0 2 和水蒸气等除掉后作为稀释气( 零气) ，然后用此洁净的零气按一 定比例稀释经除尘后采集的烟气，以降低气态污染物的浓度，这样就可以 避免样气从烟囱高温( 1 0 0 以上) 抽出至常温时产生水蒸气凝结，防止s 0 2 气体等采样气体溶解在水中造成s 0 2 气体的损失，最后将稀释后的采样烟 气引入分析单元，分析气态污染物浓度。 稀释采样法有着以下一些技术上的特点【2 4 】： ( 1 ) 采用探头内瞬间稀释技术，彻底解决了烟气监测系统的腐蚀和堵塞 问题，使用寿命长( 一般可超过1 0 年) 。 ( 2 ) 利用稀释技术在配以传统的粗细过滤及反吹技术，彻底的解决了尘 的问题。 ( 3 ) 稀释技术不用除水，因而消除了用传统制冷脱水而产生s 0 2 、n o x 测量误差。 ( 4 ) 利用稀释技术使得系统校准( 校准从探头开始) 成为可能，保证了系统 精度和数据的可靠性。系统精度高，再现性好，校准方法可靠。 ( 5 ) 采用简单的系统组分模块化设计，使得系统便于扩充；可用低浓度环 境分析仪分析高浓度的烟气成分；并可用一套分析仪切换监测多个烟囱或 烟道。 ( 6 ) 可以根据废气排放浓度大幅度变化，及时调整监测系统，保证监测 仪器的精度，一旦国家环保局定出在全国范围内征收s 0 2 等排放费的标准， 该方法能准确校核付费的数量口“。 燕山大学工学硕士学位论文 ( 7 ) 低系统维护( 通常状况下1 0 分钟天系统) ( 5 小时月) ，稀释采样腐蚀 很小。 稀释采样法也存在一定的缺点：系统设备相对复杂，这就给系统的维 护管理带来许多工作；稀释比例不易控制，若稀释比例控制不好，就会造 成分析误差乘数放大的效果：由于采用抽出标准气体来校准监测系统，故 标准气体消耗量大，需定期购买、安装、成本较高。 因此应用稀释采样法时应该注意以下几点：气体的采样流量需要大于 0 5 升每分钟；根据电厂环境与烟气排放实际情况确定稀释比，稀释比一般 不易超过1 ：2 5 0 ，如果稀释比超过1 ：2 5 0 ，应采用加热与稀释相结合的方 式。稀释比误差不大于1 ，稀释气温度变化小于2 ：采用临界孔稀 释时，临界孑l 前后压差不低于5 0 0m m h g 2 。同时由于稀释采样，对分析 仪器的精度要求较高，系统对厂用空气压力要求较高。本文将在第四章具体 介绍通过模糊算法实现对空气压力的控制。 2 4 烟尘监测子系统 2 4 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f 2 7 】。 火电厂的烟尘监测主要是对除尘器改造前后的烟尘排放和除尘器性能 进行监测。 监测的分析项目有：排放废气中有害物质的浓度( m m 3 ) ；有害物质的 排放量( k g m ) ；废气排放量( m 3 m ) ；烟尘排放浓度和排放量；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、漏风率和烟气温度的升降等【2 8 i 。 1 2 第2 章烟气排放连续监测系统的原理与结构 2 4 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【2 9 j 如表2 1 所示。 根据火电厂烟尘测试情况来看，林格曼黑度计不适用于火电厂烟气中 的烟尘测试。在火电厂的c e m s 系统中，较适用的方法为光电投射法。光 电投射法主要分为：e 射线法和光学法两类。 ( 1 ) b 射线法b 射线法利用烟尘对b 射线的吸收与烟尘质量成正比的 关系，采取采样方法富积烟尘到滤膜上，然后照射b 射线，通过测量吸收 的b 射线剂量，可得到烟尘的含量。 表2 - 1 三种烟尘浓度测量方法的比较 t a b l e2 - lt h l e es m o k e c o n s i s t e n c ym e a s t l r em e t h o d o l o g i c a lc o m p a r e 方法优点缺点 测量烟尘浓度的标准方法，精确度高精不能了解烟尘浓度的动 人工过滤称重法 密度好态变化 简便简便易行，成本低廉，特别适用于黑人为因索大，环境条件影 林格曼黑度测定法 色烟气的测定响大 仪器结构简单，使用方便，维护量小，响 对仪器的安装要求高，且 光电投射法应快，能在被测含尘气体物理化学性质不变 标定工作复杂 的条件下连续测定 ( 2 ) 光学法光学法又可分为光散射法和激光浊度法两种。 光散射法是利用烟尘对可见光的散射原理来测定烟尘含量的多少，当 经过调制的激光或红外平行光束射向烟气，烟气中的烟尘对光向所有方向 散射，经烟尘散射的光强在一定范围内与烟尘浓度成比例，通过测量散射 光强来定量烟尘浓度。 激光浊度法是利用光的透过原理来测定烟尘含量的多少，当一束激光 通过含有烟尘的烟气时，光强因烟尘的吸收和散射作用而减弱，这样就可 以通过测定光束通过烟气后光强与原来光强的比值来定量烟气浊度或烟尘 浓度【3 0 ”】。 燕山大学上学硕士学位论文 2 4 3 激光浊度法工作原理 本论文中的烟尘测试采用激光浊度法，根据朗伯一比乐定律 ( l a m b e r t - b e e r ) r 3 2 】，采用不透明度测试原理：即单色平行光束i 。进入充满气 体和颗粒物的烟气时，其光强因烟气中颗粒物对光的吸收和散射作用而减 弱，其规律满足下厦的公式： ，= l o e “。( 2 一1 ) 其中：口为哀减系数，为光经过介质的距离，c 为介质的浓度，矗为入 射光强，为出射光强，对于具体测量环境及光波特性日、z 为常数，因此 c 只与毛有关1 。 激光浊度法工作原理图如图2 3 所示。 图2 - 3 激光浊度法t 作原理 f i g u r e2 - 3l a s e rn e p h e l o m e t e rw o r kp r i n c i p l e 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。 激光测尘仪采用低能量激光光源，光源是由低功率的半导体激光器发 1 4 第2 章烟气排放连续监测系统的原理与结构 射出的波长为6 3 3r l i 1 的激光，具有极好的平行光束和激光强度，主要特点 如下【3 4 1 ： ( 1 ) 非常强的光束从激光出来的强光束只有几毫米宽，意味着在烟囱 或烟道中只需要1 0m m 2 0m n 的小孔，易于安装。 ( 2 ) 很好的稳定性和寿命与传统的灯泡需要经常更换相比，激光光源 相对使用寿命为1 0 年。当激光光源衰弱时，它开始象荧光灯管那样闪，很 容易被注意到。 ( 3 ) 相对高的强度由于激光能量集中在一个很小的区域，与传统的光 源相比，它能够击穿更大密度的烟尘。 ( 4 ) 操作时使用清晰定义的波长传统的光源经常发生超过波长范围和 光谱随时间改变的情况，与其相比激光光源提高了理论计算及其结论的可 预见性。 2 5 气态污染物监测子系统 气态污染物监测子系统主要采用稀释采样法，监测s 0 2 、n o x 等污染 气体的浓度。 2 5 1 s 0 2 的连续监测方法 s 0 2 的连续监测方法主要有红外吸收法( n d i r 法) 、紫外吸收法( u v 法) 和紫外荧光法三种【”j 。 ( 1 ) 红外吸收法通过测量s 0 2 对7 3 叫1 附近的红外线吸收量的变化， 连续测定烟气中s 0 2 的浓度。该方法抗水分、c o 、c 0 2 的干扰能力较弱。 仪器要求精密度较高。 ( 2 ) 紫外吸收法通过s 0 2 在2 8 0 - - 一3 2 0n r l l 附近的紫外光吸收原理迸行测 定。使用该方法所需要的仪器具有维修容易，不易受气流量、水蒸汽、c 0 2 的影响。 ( 3 ) 紫外荧光法通过一定波长的紫外光2 1 4n n l 照射到含有s o z 的样气 上，激发s 0 2 产生荧光，用光电倍增管检测荧光强度，测定烟气中的s 0 2 燕山大学_ l 学硕士学位论文 浓度。紫外荧光法受芳香烃和水蒸汽的干扰适用于芳香烃和水蒸汽干扰 可以忽略或消除的场合，较适用于稀释采样法。 本论文中对s 0 2 的连续监测采用紫外荧光法。 2 ，5 2n o x 的连续监测方法 n o x 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) 四种州。 ( 1 ) 红外吸收法通过测量n o 对5 3u m 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 份、c o 、c 0 2 、s 0 2 及有机物的干扰能力较弱。 ( 2 ) 紫外吸收法通过n o 在1 9 5 , - - 2 3 0n m 附近或n 0 2 在3 5 0 4 5 0n 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 x 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 x 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 o x 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。 本论文中对n o x 的连续监测采用化学发光法。 2 5 3 气体分析仪器的校准 依据我国的实际情况，要求校准零气和跨气，来判断监测仪器的零点 漂移和全幅漂移。因为n o x 的跨气中不含s 0 2 。而s 0 2 的跨气中不含n o x 所以它们可以互为零气。即进行n o x 的校跨时，n o x 作为跨气，同时也可 作为s 0 2 的零气，进行s 0 2 的校零；进行s 0 2 的校跨时，s 0 2 作为跨气，同 时也可作为n o x 的零气，进行n o x 的校零。以双探头的系统为例，此校正 1 6 第2 章烟气排放连续监测系统的原理与结构 过程的示意图如图2 - 4 所示。 图2 - 4 气体校正过程示意图 f i g u r e2 - 4g a sa d j u s tp r o c e s ss k e t c hm a p 而各种校准气体必须在玻璃音响小孔之前或是在探头的尖端注入。这 样，由于校准气和采样烟气以同一路径进入采样系统，只要标气可靠，就 能获得准确的烟气浓度值，从而减少系统误差。常用探头检查得到的读数 和直接对分析仪检查得到的读数来发现系统故障。通常每隔2 4 小时由系统 自动注入校准气体。为了更好地观察系统，有许多操作人员愿意用手动方 法进行校准系统。校准的时序过程及各电磁阀动作顺序表如表2 2 所示。 2 6 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燥气 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。采用压差传感法来监测烟气的流量和 压力，采用氧化锆法进行含氧量的监测，利用红外线测温仪测量系统的温 度，能够精确的测量烟气参数。 表2 - 2 气体校准时序及电磁河动作顺序表 t a b l e2 - 2g a s a 由u s ts c h e d u l i n ga n de l e c t r o ns w i t c ho r d e rt a b l e 步持续 项目p 1p 2s ls 2t 1t 2c 1c 2c 3 c 4 骤时间 1 3 0 s吹扫单元i100000000 0 s 0 2 校跨，n o x 21 0 m0 0l000l000 校零 n o x 校跨，s o z 31 0 m00 l0o00 1 00 校零 43 0 s吹扫单元1 、21l0o0o00o0 5】5 m单元1 采样o0f0oo00oo 61 5 m单元2 采样ooo1o0oooo 73 0 s 吹扫单儿2o 100o00o00 s 0 2 技跨，n o x 81 0 m000 l00001 0 校零 n o x 校跨，s 0 2 9j o moo0 jo 00oo1 校零 2 6 1 烟气流量和压力的监测 烟气流量和压力的监测方法有热电耦流速计、超声波流量计、压差传 感法三种。 ( 1 ) 热电偶流速计烟气流过热电耦时，会带走热电耦的热量，带走热 电耦的热量既与气流流速成比例，也与热电耦的电阻阻值变化成比例，通 过测量热电耦的电阻阻值变化可求得烟气流量。 ( 2 ) 超声波流量计烟气的气流流过已知距离的两个测量点时，会产生 能量落差，利用相关技术连续测量在两个测量点间产生能量落差的传输时 间，由两点间的距离和时间可求得烟气流量。 ( 3 ) 压差传感法利用压力传感器，皮托管等测出烟气的动压和静压， 动压和静压与被测烟气流量呈一定比例关系，从而可以计算烟气流量口”。 第2 章烟气排放连续监测系统的原理与结构 本论文中采用压差传感法来监测烟气的流量和压力，皮托管法流量计 的原理图如图2 5 所示。皮托管面向烟气方向的- - n 产生全压以( 为上图中 的p q ) ，背向烟气方向的- n 产生静压p 静( 为上图中的p j ) ，二者的压力差 为动压，即尸动= 一，而流速旷与白成正比，从压力计可读出岛( 即烟 气压力) ，从而计算出流速矿，矿乘以烟道截面积s ，这样就可以测得出烟 气的流量。 图2 5 皮托管法流量计原理图 f i g u r e2 - 5c o r i a c e o u sp i p e l i n ef l o w m e t e rp r i n c i p l ec h a r t 为保证流量计读数准确可靠，流量计必须定期进行校准。流量计的校 准过程示意图如图2 - 6 所示，其中s 为手动的压力调节阀。 校准前要先进行反吹，将进入流量计内部的烟尘吹回到烟道中，防止 阻塞流量计，反吹时电磁阀p l 、p 2 打开，压缩空气通过管线对流量计进行 吹扫，这个时间大约要3 0 秒。流量计校零时z l 、z 2 通l 路，其它电磁阀都 关闭，用外界空气进行校零，这需要1 分钟的时间，校零延时后要进行校 零读数，这需要8 分钟时间；流量计校跨时z 1 、z 2 通1 路s 1 打开，用压缩 空气进行校跨，并可通过手动调节阀s 调节空气压力，这同样需要将近9 分钟的时间。校零和校跨之前一定时间的延时是为了排掉管线内原有的气 体物质，避免其对校