烟气排放连续监测系统(CEMS)设计

1、烟气排放连续监测系统(cems)设计【摘要】本文分析了在cems系统设计中所使用到 的技术，着重分析了西门子plc s7-200和组态王软件在cems 系统中的应用，提供了一套完整的cems系统解决方案。【关键词】cems；控制系统；plc；组态王引言烟气排放连续监测系统(continuous emission monitoring system,以下简称cems)是指能够对固定污染 源排放的污染物进行实时的、连续的在线测量，并且能够将 信息实时传送到相关主管部门的一套装置。1 cems系统设计思路cems系统主要包括颗粒物测量、烟气参数测量子系统、 气态污染物测量、数据采集与处理系统。1.

2、1颗粒物测量颗粒物是指燃料和其他物质燃烧、合成、分解以及各种 物料在处理中所产生的悬浮于液体和烟气中的固体和液体 颗粒状物质。1在实际应用中，颗粒物的测量一般采用光 学测量原理。常见的有光学动态浊度法和光学背散射法。动态浊度法一般为双侧安装，包含发射单元、接收单元、 控制单元三个部分。通过监测从发射端到接收端的光强变化 的变化率，这个变化率是由颗粒物的分布对光强的削弱引起 的。控制单元通过对光强的变化率进行测量和计算，从而得 到工况下的颗粒物浓度。光学背散射法为单侧安装，其集发射、接收、控制单元 于一体。其通过发射高稳定的激光信号，照射颗粒物粒子， 被照射的颗粒物粒子将反射信号，反射的信号强度

3、与颗粒物 浓度的变化成正比，从而根据算法计算出工况下颗粒物物的 浓度。在实际应用中，可根据现场实际工况、安装条件等选择 合适的技术完成颗粒物的测量。1.2烟气参数测量子系统烟气参数测量子系统测量包括烟气温度、烟气压力、烟 气流速（流量）、烟气湿度等烟气参数。1.2. 1烟气温度的测量烟气温度的测量一般采用热电阻或热电偶法。以热电阻 为例，其利用金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一原 理来测量。在cems系统设计中，可采用法兰式安装，配置 相应温度变送器，即可完成温度信号的测量。1.2.2烟气压力的测量烟气压力的测量原理是指将作用于扩散硅、压阻、电容、 陶瓷等感压元件的压力值转换成电信号，再进

4、行信号处理， 最终输出标准模拟信号或数字信号。在cems系统设计中， 一般选择扩散硅式或电容式压力变送器进行压力测量。1.2.3烟气流速（流量）的测量烟气流速（流量）的测量一般基于差压式（s型皮托管） 和热式测量原理。差压式流量计是根据安装于管道中流量检 测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺 寸来测量流量的仪表。热式测量原理是测量探头通过与流体 介质的温度相比较进行加热，当流体经过探头的时候，会带 走加热线圈的一部分热量。通过测量这两个热敏电阻之间的 阻值差变化来反应流体流速的变化。在cems应用中，测定颗粒物的参比方法是以s型皮托 管测定烟气流速实现等速采样的，当流速在5m/

5、s以下，用s 型皮托管测流速比较困难，测定结果准确度差。因此，参比 方法采样点应尽可能选烟气流速大于5m/s的位置。11.2.4烟气湿度的测量烟气湿度的测量一般选用将电容性聚合材料制成的湿 度传感器，再通过高速a/d以及信号转换电路，实现对湿度 的高速响应。在目前的cems技术规范中，湿度的连续自动 监测并非是强制要求的，可以采用手工测量并在系统中输 入。1.3气态污染物测量气态污染物是指以气体状态分散在烟气中的各种污染 物。在cems系统应用中，气体一般要求测量二氧化硫（s02）、 氮氧化物（以n02计）、氧气（02）。而在测量原理上有激光 光学、紫外光学、红外光学、电化学原理，目前市场上采

6、用 红外光学测量原理测量二氧化硫与氮氧化物，采用电化学原 理测量氧气比较成熟。红外光学测量方法是以比尔-朗伯定律为基础的，比尔- 朗伯定律的基本数学表达式为：a=lg （1/t） =kbca吸光度，t透射比，是透射光强度比上入射光强度c吸光物质的浓度b吸收层厚度k摩尔消光系数，是一常数其物理意义是当一束平行单色光垂直通过某一均匀非 散射的吸光物质时，其吸光度a与吸光物质的浓度c及吸收 层厚度b成正比。在仪器中，气仓长度是一定的，即吸收层 厚度b已知，则只要通过检测部件将入射光强与透射光强检 出，那么我们就可以根据以上公式确定气体的浓度。电化学测量氧气传感器基于燃料电池原理来工作的。氧 气在阴极

7、与电解液的分界面被转换成电流，并且所产生的电 流与氧气的浓度成正比。经过信号调理从而可以计算出氧气 数值。1.4数据采集与处理系统数据采集与处理系统主要完成烟气采样、预处理的控 制；各信号数据的采集、处理、显示；计算烟气污染物的折 算数据、排放量；显示和打印各种参数，图表；并通过有线 网络或无线网络传输至相应管理部门。2 cems系统工艺设计图1 cems系统烟气采样及处理过程设计图如图1所示，气体处理分为三部分：1.气体采样烟囱或烟道内样气经过加热采样管f加热采样管线一 烟气入口箭头一气体除湿器一采样泵一气体除湿器一过滤 器一分析仪流量控制一精密过滤器一分析仪一废气排出，从 而完成采样分析过

8、程。加热采样管和加热采样管线为了保证 样气不会因为温差而冷凝成水或结晶，从而堵塞气路；气体 除湿器采用半导体式或压缩机式原理将样气中水分除去，蠕 动泵将冷凝水的水排出；采样泵为整个气路的动力装置，完 成样气从烟囱或烟道到分析仪的采样过程；过滤器和精密过 滤器为了保证进入分析仪的样气无尘，从而保护分析仪表； 流量控制阀为了保证进入分析仪的气流稳定。整个采样过程 保证了进入分析仪的样气无尘、无水且流量稳定。2.系统反吹系统反吹主要通过0.4-0.6mpa的洁净压缩空气或氮气 对加热采样管进行定时反吹，保证加热采样管不会因样气含 尘量太大或取样时间太长而堵塞加热采样管。3.气体标定随着分析仪使用时间

9、的推进，分析仪不可避免的会因为 温度和时间的变化出现零点漂移和量程漂移现象，此时，需 要通过标定选择阀切换通入纯氮气标定分析仪零点；通入对 应量程的标定气体来标定分析仪的量程。3数据采集与处理系统设计图2数据采集与处理系统如图2所示，西门子plc s7-200作为下位机负责信号 的采集和系统控制及指示功能；上位机采用监控工控机搭载 组态王6. 53,负责采集数据的显示、历史数据的储存、以及 各类报表、曲线的生成；数采仪负责将采集的数据及状态等 通过gprs或网络等传输至环保局或其他主管单位。下位机 和上位机之间通过西门子ppi协议通信；上位机和数采仪之 间通过rs232串口通信。3. 1下位机设计s7-200系列小型plc可以应用于各种自动