烟气在线监测分析仪

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一、总则
1、什么是CEMS
本技术文件适用于烟气在线连续监测系统（CEMS）,CEMS是英文Continuous Emission Monitoring System的缩写,是指对大气污染源排放的气态污染物和颗粒物进行浓度和排放总量连续监测并将信息实时传输到主管部门的装置,被称为“烟气自动监控系统”,亦称“烟气排放连续监测系统”或“烟气在线监测系统”。供符合现行中国或国际通用标准的产品，并满足有关计量法规、环境保护法规和标准、以及该行业提出的有关该系统在功能设计、结构、性能、安装和试验等方面的技术要求。
2、CEMS的作用
目前主要应用于各种工业废气排放源的连续监测中，包括火力电厂，垃圾焚烧电厂，化工厂，造纸厂等行业，具有很强的适用性，能够在线测量 SO2 浓度、NOx 浓度、CO浓度、CO2浓度、颗粒物浓度、含氧量、温湿度、压力和流速等多项气体参数。
为保护环境，各地会针对当地实际情况，结合环保总局要求，制定出适合各地的污染物排放标准。为此，会实时监测有固定气体排放源的企业将气体排放情况。CEMS的测量结果通过无线或者其它方式能及时传送到环保监测平台，满足了的要求，避免了的无理处罚。
CEMS的测量结果的另外一个重要作用是分析脱硫、脱硝设备的效率。通过实时对脱硫、脱硝设备的进出口内烟气成分的进行监测比对，可以有效判断出脱硫、脱硝设备的运行情况。同时，通过对进口的流量监测，可以准确计算出进入脱硫、脱硝设备的SO2的总量及NOx的总量，将这一信息及时传送到脱硫、脱硝设备的DCS，控制注入的剂量，使脱硫、脱硝设备的效率***大化。
随着企业的发展，信息技术应用技术不断的完善，针对企业排污的检测和企业自身工艺的提高，烟气连续监测系统（CEMS）的应用也越来越广发和实际产生的效果也显而易见。
企业规模的不断扩大，所带来的经济效益不断提高，势必关于排污企业的排放，也会随着增加，国家有关监测机构也会加大这方面的监测，对企业自身的约束和社会价值也会影响，目前国内企业对于排放检测自身的环保意识增强很多，对于烟气的监测也纳入了企业正常自身的考核范围，企业对于烟气监测的要求和设备的功效也随之明确和需要。
本方案就是针对这样的行业要求和企业需求，经过公司科研人员的不短完善和努力，遵照国家相关部门的要求和技术规范，完成具有性和易维护性的技术设备。

二、系统设计
1、系统组成
CEMS由气态污染物监测子系统、颗粒物监测子系统、流量参数监测子系统、数据采集处理与通讯子系统和氧气监测子系统组成。气态污染物监测子系统主要用于监测气态污染物SO2、NOx等污染气体的浓度和排放总量；颗粒物监测子系统主要用来监测烟尘的浓度和排放总量；流量参数监测子系统主要用来测量烟气流速、烟气温度、烟气压力、烟气湿度等，用于排放总量的积算和相关浓度的折算；数据采集处理与通讯子系统由数据采集器和计算机系统构成,实时采集各项参数,生成各浓度值对应的干基、湿基及折算浓度,生成日、月、年的累积排放量,完成丢失数据的补偿并将报表实时传输到主管部门。氧气监测子系统用于换算参数折算值，同时可以判断系统密封情况。
根据取样方式不同，CEMS主要可分为直接测量、抽取式测量2种技术。本技术方式基于伴热抽取式测量编制。系统分析仪表采用红外气体分析仪，预处理部分为国内集成。本系统可将所有监测信号以隔离的4～20mADC信号送到需方的DCS系统，分析设备的状态接点信号也送入到DCS系统。
对上述CEMS系统，供方提供数据采集子系统（DAS）组成，通过DAS测定烟气中上述监测项目的实时数据，并能集中实现数据的采集、处理、存储和输出， CEMS需安装在一个带空调的仪器室内，仪器室属需方范围。
系统按上述监测项目（含控制及数据采集系统）采用模块化集成设计。
系统中的分析仪器应具有自诊断功能，同时系统应具有主要部件故障报警功能，自诊断功能至少将包括测量元件/检测探头的失效、超出量程情况、以及没有足够的采样流量能力的情况。分析仪器应具有故障指示能力，这种功能将包括在仪器和与DAS系统的接口中。系统的各部件安装位置应为运行维护提供良好的条件。
2、YQ2000-PF型CEMS
2.1、适用规范和标准
供方提供的设备满足但不限于下列标准，本投标书涉及的标准在本规范书出版时所列版本均为有效。
大气污染物排放标准（GB 13223）
GB/T16157 固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法
HJ/T57 固定污染源排气中二氧化硫的测定
烟气排放连续监测技术规范（HJ/T75－2007）
HJ/T76－2007固定污染源排放烟气连续监测系统技术要求及检测方法
2.2、结构示意图



2.3、系统工作原理和特点
CEMS烟气气体分析系统针对烟气排放现场情况，进行优化设计和合理配置。
针对工艺中粉尘，设计了三级过滤系统，并配置加热反吹式过滤探头，确保气体分析仪能够稳定工作，测量。
对于烟气湿度，采用高温干燥过滤探头，探头过滤性的同时利用高温干燥法和脉冲式振动反吹技术，可以自动的清理探头滤芯上的杂质；特的快速拆卸设计使得维修方便，维护工作量很小。同时可以选配高温超声波探头，的防治堵塞。
系统中配置了很多传感器如湿度传感器，流速传感器，压力传感器实时监控运行情况，设备稳定、高校的工作。
系统全干法流程，取样器、取样管，抽气泵、各类管接头等均采用316L防腐不锈钢、聚四氟乙烯材料或特殊防腐处理，提高了系统防腐性，了系统的使用寿命。
工艺中会产生水气，这对分析仪的检测带来很大影响，系统采用大容量减压过滤器和冷阱捕水技术相结合，除去样气中的水，分析仪的检测过程顺利进行；恒温电子冷凝器可以在恶劣的工业环境稳定运行，对样气中的水分进行有效分离，特的螺旋设计测量数据的真实、准确性。
排水系统为渐进式蠕动泵，可以时时进行排水增加采样的有效时间，稳定性大大增强，避免了以前压缩空气的干扰。
数据采集系统高度集成在机柜中，操作界面更加合理，人性化，增加了采样，反吹等周期调节等。
全部采样管道采用耐腐蚀的聚四氟乙烯管，控温，使工艺中产生的大量的SO2等腐蚀性气体既能得到的检测，同时保护整个分析系统不受损害，延长分析系统的使用寿命；
红外分析仪，采用国际认可的红外线分析方法，精度高，稳定性能好。
具有数据比较、处理、自动校对、量程范围设定、超限报警联锁功能。
系统采用PLC控制，智能化分析仪表，具有自动化程度高、维护工作量小、数据处理快速方便
采样探头采用目前国际的内、外脉冲式振动反吹技术，特的快速拆卸设计使得维修方便，维护工作量很小。
系统预处理中配置3种传感器，湿度，流速，压力。可以有效系统稳定，长期准确运行，
2.4、控制单元
以PLC为控制，完成系统采样管道、取样探头过滤器的自动吹扫，完成系统自动标定、校对，及系统的流量低、分析值超限、故障等各种系统内部报警、联锁，并与DAS站连接。
其功能主要包括：
自动控制烟气抽取，并自动为分析仪提供分析样气；
执行分析仪的零点和满量程校准；
自动反吹和冷凝排放；
显示 CEMS
报警、计算、定义、扩展；
与 DAS 系统通讯；
多点测量时，控制气路切换、采样排序和采样周期。
PLC 提供了 24 小时的记录接口系统，可以将加工过的数据传输给 DAS，其控制指令通系统状态（采样/校零/校跨/反吹）。
2.5、系统分析原理图



三、气态污染物监测子系统
本系统为机、电、仪一体化成套装置，按需方要求，安置在由需方提供的防尘分析小屋内。成套系统由取样部分、预处理部分、气体分析仪组成。
1、取样部分
包括电伴热式自动控温采样探头（安装在烟道上）、反吹系统和电伴热自动控温式采样管。
在原始气体通道中不断地从通过加热探头提取样品，探头带有5微米或者更精细过滤器，可以过滤大量的尘埃，了进入伴热管缆的气体的灰尘含量大大降低，避免了灰尘堵塞伴热管缆，从而大大降低了后期的运营维护费用。探头加热不低于120（根据烟道内温度设定），该设计使被采样气体中水汽不会产生冷凝，从而有效的避免了极易溶于水的需监测的组分的流失。
因采样探头内加装了初步过滤系统，为避免系统长时间运行时灰尘堵塞探头而带来不必要的维护费，采样探头还加装了反吹系统。反吹系统采用内外两级脉冲吹扫特有的专利技术，对过滤器吹扫效果好，人工清洁维护的周期大大加长。采样50分钟，利用0.6Mpa压缩空气进行脉冲式反吹，反吹2分钟。

伴热管缆是将气体从采样探头运输到分析机柜的通道。因环境温度下水汽是会凝结，为避免样气中的水汽凝结而造成监测组分的流失。就需要将这个通道内的温度加热至110℃以上，同时需要有良好的保温装置。我公司的伴热管缆采用双管伴热，外套保温套，有效的了通道内的温度。
取样探头材质为316L不锈钢，伴热管缆内气管为PVDF材质。
设计原理图如下：



2、预处理部分
预处理单元包括：压缩机冷凝器、耐腐抽气泵、精密过滤器、反吹单元等。
预处理的作用是将样气净化、除尘、除湿，其过滤精度可达0.1µ，将符合分析仪器要求的超净、恒温、流量稳定的样气，源源不断送入分析仪器，从而确保了分析仪器的分析准确性和长期可靠性。
气体预处理设备安置在机柜里。样气从伴热管缆进入机柜内通过一个精密过滤器，其精度达到1um以上；从精密过滤器出来的气体进入冷凝器；然后气体通过一个三通阀，自动标定时间里外部气体也通过此阀；接着气体经取样泵采出；接下去是一个手动三通阀，通过它可以手动注入气体来检查仪器的灵敏度；然后再次进入设定有固定温度的冷凝器；这个时候样气已经成为恒温、干燥的气体，再次进入保护过滤器，其精度达0.5um以上；从保护过滤器出来的气体经过流量计后就完全符合气体分析仪的要求，进入气体分析仪进行测量，测量后气体流入大气。
样气经过2次冷却，样气降到冷凝4℃±0.1℃。整个过程的时间小于5秒钟。因此，SO2及NOx等需监测的组份可以认为没有损失，同时通过蠕动泵将冷凝水及时排出，收集在储液管中。
系统连续工作，正常无须维护。如有出错或维护要求时系统有相应的信号送往控制室，维护人员及时发现。
预处理部分中所有接触样气的器件都是PVDF材质。
设计原理图如下：


3、气体分析仪
红外多组份分析仪测量NOx、SO2分析仪提供自动标定功能，用周围环境气体标定零点，同时敏感性被校正。各参数通道相对立，性能稳定可靠，智能化程度高。多组份气体分析系统，配非色散红外吸收法分析模块和电化学氧分析模块；同时监测SO2、NOx等气体组分。SO2、NOx等极性分子具有***电偶极矩，因而具有振动、转动等结构。
测量经吸收后红外光的强度便能计算出相应气体的浓度，这便是红外气体分析的理论根据。红外气体分析仪利用了SO2、NOx具有较强的特征吸收带这一特性，通过测量气体吸收光强分析SO2、NOx含量。
分析室包括微型红外光源、反射镜、调制盘、吸收池、滤光片和探测器。微型红外光源用电加热到800℃左右产生的红外光，经吸收池被NOX或SO2吸收后再经过窄带滤光片，滤去除上述波长外的其它光辐射的能量，入射到探测器上，则探测器上测到的是与NOX或SO2浓度相对应的光强，经过探测器光电转化为电信号。再经计算机进行归一化定标处理，积分反演为碳硫元素的百分含量。在光源与吸收池之间放有马达调制器，把光信号调制成80Hz的交变辐射信号。
其显著优点是：
1） 一个中央单元可配置多种分析模块：
通用的控制单元
通用的联接技术
置于通用的机箱中
2） 不同的分析模块（如SO2、NOx等）分别用于全过程同步实时监测；
3） 在LCD显示屏上可同时以数字或棒图方式显示测量值；
4） 菜单驱动、人机界面；
5） LCD显示工作状态及错误信息；
6） 多种接口用于分析系统与各主/分系统间的通讯，带有RS485和以太网接口；
7） 输出/输入模块上具有灵活组态的数字及模拟量输入/输出功能；
8） 19英寸抽屉式安装方式；
9）具有自动诊断和报警功能；
校正单元包括钢瓶气,可手动完成或由数据采集系统自动设定完成，甚至经后者通过网络远距离控制实现。系统校正从探头开始，包括系统所有部件直至分析仪器。洁净的零气用来校正零点，校正气（标准气）用来校准跨度，而数据采集系统则是对数据进行有效性判断，在数据有效前提下进行自动修正。
四、颗粒物监测子系统
1、系统的组成及工作原理
颗粒物监测系统由激光粉尘仪和吹扫系统组成。
激光粉尘仪包括激光光源及功率控制、光电传感、散射光接收部分。激光器发出的650nm束以一个微小的角度射入排放源,激光束与烟尘粒子作用产生散射光,背向散射光通过接受系统进入传感器转变成电信号进行处理.电路部分实现光电转换、激光束的调制、信号放大、解调、光源的功率控制、V/I转换功能。校准器用于产生一稳定的光信号,对仪器进行零点及跨度校准。
为激光粉尘仪能够稳定工作，对其进行吹扫，防止因灰尘沉积在镜片上而造成测量结果出现误差。
2、技术特点
a. 采用激光背散射原理,不怕烟道的机械振动及烟气温度不均造成的折射率不均造成的光束摆动.
b. 单端安装,无需光路对中.
c. 仪器设计贯彻“无工具”现场安装的思路，***大限度地降低现场安装的复杂度，仪器及防雨系统的安装仅电器连接需要一支螺丝刀，不必带连接螺栓、螺母，10分钟内即可完成安装，***大限度地减少由于现场安装调试带来的诸多问题。
d. 采用标准4～20mA工业标准电流输出,连接方便。仪器整体功耗非常小,大约5w左右。
五、烟气参数监测子系统
通过气态污染物监测子系统、颗粒物监测子系统的监测，我们已经知道了排放气体中污染物的含量，为了准确知道单位时间内污染物的排放总量，需要一定的参考数据，其中包括烟气通道的截面积、烟气的流速、烟气的压力、烟气的温度。
六、数据采集处理与通讯子系统
1、系统（DAS）的组成
数据采集处理与通讯子系统由工控机、液晶显示器、组态软件等组成。由系统运行软件支持。可以以4-20mA的信号DCS系统连接，满足对工况进行监测的需要。自动完成数据处理、报告的形式选择和远程传送，产生的排放量报告可按用户要求设计。同时提供完整的各参数的排放量及成套系统运行状况的显示。能够提供对气体分析仪自动校正支持，并打印记录其原始校正数据及结果。提供CEM系统的自动吹扫及部分故障的自动排除的支持。
2、系统（DAS）的功能
数据采集处理与通讯子系统具有丰富的功能，具体包括：
数据采集：根据需要，定时地采集各个通道的模拟量/数字量数据。采样的对象可以包括CO、CO2、 SO2、NOx、O2、粉尘、烟气排量参考参数（温度、压力、流速）等。
数据处理：根据采样得到的数据，可以计算得到各种测量项的分析结果以及需要的统计 数据，可以提供烟气气体成分即时值、时间段内的平均值和时间段内的排放量， 并且可以识别无效的数据。
数据保存：根据需要，可以保存原始采样数据和统计数据。如各通道采样原始数据，即时烟气气体浓度，单位时间内烟气气体浓度平均值，小时、日、月、年内烟气气体浓度平均值和各种烟气的累计干烟气排放量。
数据显示：可以即时显示采集到的通道烟气监测数据和监测日期时间。形式可以有：
1 数值显示：显示各通道各种烟气的测量值。每个数据组伴随显示正常范围值和超限报警值。屏幕上可以始终保留显示几个数据组。可以通过鼠标操作显示当日内以往数据组。
2 条形图显示：每个通道的采样数据在一个条形图上显示，条形图有浓度标尺，正常范围值和超限报警值。在图上以不同颜色的背景显示。每采样一次，条形图刷新一次。在条形图上方，显示条形图所示的数值。
3 显示采样趋势图：以曲线的形式显示当前测量的各通道的烟气浓 度。
4 显示历史数据：选择某一通道，在某一段时间内，某一时间单位下的浓度或累计排 放量。
数据打印：根据需要可以打印报表、显示内容、校正记录等。
适应性：系统具有自适应性，只要修改系统设置和建立相应的测试模板，系统就可以适 应新的一次测量仪表。修改系统设置，也可以改变测量对象。
系统操作：
1 校准：通过系统设置，系统可以定时定标。如果需要，也可以在安全认证后在操作 界面上即时定标。
2 反吹：通过在系统设定，系统可以定时反吹。如果需要，也可以在 安全认证后在 操作界面上即时反吹。
3 报警：系统可以提供超限报警和事故报警。
4 自检：系统提供自检工具，若有异常，给出提示。
为数据的安全性和保密性，进入系统经过安全认证，以避免误操作和确保系统数据的保密性，提供数据备份功能。