烟气排放连续监测系统设计.doc
- 文档编号:306567
- 上传时间:2023-04-28
- 格式:DOC
- 页数:40
- 大小:897.50KB
烟气排放连续监测系统设计.doc
《烟气排放连续监测系统设计.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《烟气排放连续监测系统设计.doc(40页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
摘要
烟气排放连续监测系统(CEMS)是监测烟气污染物排放的现代化手段。
本文基于工程背景,简述了CEMS的国内外发展现状,介绍了CEMS结构组成和工作原理,研究与探讨了火力发电厂烟气排放连续监测系统的设计,给出了火力发电厂烟气排放监测系统软、硬件的设计思路,并实现监控系统的各项控制功能。
在此基础上设计实现的以上位机、可编程控制器为核心的具有烟气排放连续监测能力的监控系统,以期实现电厂烟气排放情况进行实时监测。
阐述了火力发电厂烟气排放连续监测系统的总体方案,顺序控制设计法在PLC梯形图程序设计中的应用,重点利用MCGS组态软件设计上位机监控软件,给出了使用组态软件对监控画面组态的方法。
上位机软件具有强大的功能和友好的用户界面,实现了运行参数流程与列表显示、报警提示、历史查询、参数曲线跟踪等功能。
自主设计了由电气和气动元件以及PLC组成的控制系统,并对该系统进行了调试,最后对火力发电厂烟气排放连续监测系统的应用进行了展望。
关键词:
烟气排放连续监测;可编程控制器;MCGS
Abstract
ContinuousEmissionMonitoringSystem(CEMS)ismonitoringthegaspollutantemissionsofmodernmeans.Basedonengineeringbackground,outlinesthedevelopmentofCEMSstatusathomeandabroad,introducesthecomponentsandworkingprinciplesofCEMSstudyofthethermalpowerplantfluegasemissionsandcontinuousmonitoringsystem,givesthepowerplantfluegasemissionsmonitoringsystemsoftwareandhardwaredesignideas,andimplementedthemonitoringsystemcontrolfunctions.
Onthisbasis,designandimplementationoftheabovebitmachines,programmablecontrollerasthecoreofaContinuousEmissionMonitoringSystemmonitoringcapacityinordertorealizereal-timepowerplantfluegasemissionsmonitoring.Describedthepowerplantfluegascontinuousemissionmonitoringsystemoftheoverallprogram,sequentialcontroldesignmethodinthePLCladderprogramdesign,focusingonsoftwaredesignusingMCGSconfigurationPCmonitoringsoftwareisgivenonthemonitorusingtheconfigurationsoftwarescreenconfigurationmethod.PCsoftwarehaspowerfulfunctionandfriendlyuserinterface,processandoperatingparameterstoachievealistofdisplay,alarming,historicalqueries,parametriccurvetrackingfunctions.IndependentlydesignedbytheelectricalandpneumaticcomponentsandcontrolsystemconsistingofPLC,andthesystemwasdebugged,thelastofthePowerPlantContinuousEmissionMonitoringSystemwerereviewed.
Keywords:
ContinuousEmissionMonitoring;programmablecontroller;MCGS
目录
摘要 1
Abstract 2
第一章绪论 5
1.1烟气排放连续监测的意义 5
1.2烟气排放连续监测技术的发展 6
1.2.1国外发展现状 6
1.2.2我国发展现状 6
1.2.3火电厂烟气监测现状 6
1.3本文的主要工作 7
第二章烟气排放连续监测系统的原理与结构 8
2.1烟气排放连续监测系统的组成 8
2.1.1CEMS的监测项目 8
2.1.2CEMS的结构组成 8
2.2采样的基本要求 10
2.2.1采样工况 10
2.2.2采样位置 10
2.2.3采样孔 10
2.3CEMS的技术分类 10
2.3.1采样式CEMS 10
2.3.2在线式CEMS 11
2.3.3遥感监测系统 11
2.3.4稀释采样法的特点及应注意的问题 11
2.4烟尘监测子系统 12
2.4.1烟尘监测的目的和监测项目 12
2.4.2烟尘连续监测方法 12
2.4.3激光浊度法工作原理 13
2.4.4测尘仪的校准与反吹 13
2.5气态污染物监测子系统 13
2.5.1SO2的连续监测方法 14
2.5.2NOx的连续监测方法 14
2.5.3气体分析仪器的标定 15
2.6烟气参数监测子系统 16
2.6.1烟气温度的监测 16
2.6.2烟气流量和压力的监测 17
2.6.3含氧量的监测 17
第三章CEMS系统硬件设计 18
3.1分析仪器 18
3.2采样系统硬件 18
3.2.1稀释采样探头 18
3.2.2采样管线 18
3.2.3冷凝系统和干燥器 19
3.2.4采样泵 19
3.3数据采集 19
3.4系统控制 20
第四章系统硬件功能分析与设计 22
4.1上位机的选型 22
4.2现场控制系统硬件分析选择 22
4.2.1PLC的选择 22
4.3PLC控制系统研究与设计 23
4.3.1PLC程序设计方法 23
4.3.2顺序控制法在仪器标定控制中的应用 24
4.3.3吹扫控制系统PLC梯形图设计 24
第五章上位机监控软件的研究与设计 26
5.1上位机与PLC通信 26
5.1.1上位机与PLC互联通信方式 26
5.1.2PLC与计算机的硬件连接 26
5.2利用组态软件设计监控系统 26
5.2.1组态软件简介 26
5.2.2MSCG组态软件 27
5.2.3组态软件MSCG实现上位机监控软件的开发 27
5.3软件总体设计 30
5.3.1软件功能 30
5.3.2用户控制界面 30
第六章结论与展望 34
6.1结论 34
6.2监测系统展望 34
参考文献 35
致谢 36
附录 37
附录1FX2-48MRPLC控制I/O分配情况 37
附录2烟气监测系统单元PLC模拟控制梯形图 38
第一章绪论
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。
我国使用的主要能源是煤炭燃料,所以大气污染以煤烟型污染为主,主要污染物为二氧化硫和烟尘,而二氧化硫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200亿元左右。
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]。
烟气排放连续监测系统(ContinuousEmissionsMonitoringSystem,简称CEMS),是监测烟气污染物排放的现代化手段,可连续监测污染物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施提供科学的定量依据。
火力发电厂是污染大气环境的大型工业企业之一。
限制火电厂的污染物排放对环境保护具有重要意义。
火电厂燃煤排放的主要污染物包括固体颗粒物以及二氧化硫等气体。
火电厂在将含有上述污染物的烟气向大气中排放前,必须进行除尘和脱硫。
为了保护环境,加强对污染源排放的监测,按照国家可持续发展战略的要求,实现人与自然和谐发展,国家环保总局《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223一2003)明确规定火电厂发电锅炉必须安装烟气排放连续监测仪器(CEMS)[3]。
CEMS经省级以上环保部门验收合格时,其监测数据作为该电厂烟气排放是否达标的依据。
另一方面,电厂安装在线监测后,可以通过监测污染物的排放,对电厂锅炉、电除尘器和脱硫脱氮等设备的运行进行指导,为电厂安全、稳定、经济、高效运行提供有利参考。
我国火力发电量占总发电量80%左右,而煤炭占火电机组燃料的95%,随着国民经济的快速增长促使电力事业的迅猛发展,由燃煤所带来的大气污染问题日益严重。
按目前的排放控制水平,到2020年,我国火电厂排放的二氧化硫、烟尘和氮氧化物将分别达到2100万吨、500万吨和1000万吨以上。
如果火电厂排放的大气污染物得不到有效控制,将直接影响到我国大气环境质量的改善。
为控制污染加剧,促进火电行业的技术进步和电力行业的可持续发展,国家环保部门采取了一系列严格的环保政策,如大气污染物总量控制、提高排污收费标准等。
新修订的《火电厂大气污染物排放标准》(GBl3223—2003)规定:
“火力发电锅炉须装设符合HJ/T75要求的烟气排放连续监测仪器;火电厂大气污染物的T75中的规连续监测按HJ/定执行;烟气排放连续监测装置经省级以上人民政府环境保护行政主管部门验收合格后,在有效期内其监测数据为有效数据。
”因此,CEMS已成为环境管理、环境监测、排污收费、污染物治理及实施污染物排放总量控制的科学可靠的依据及必要的技术手段。
1.2烟气排放连续监测技术的发展
1.2.1国外发展现状
60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。
山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狈J仪。
60年代末期至70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。
在美国,第一台连续排放监测系统出现于1971年。
但是直到1975年末,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[2]。
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80年代中期就开始大量安装CEMS系统,用于及时监测大气污染物的排放总量。
1.2.2我国发展现状
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[2,9,10]。
70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。
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。
90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JYZ-I型烟气浊度在线监测仪,太原中绿环保新技术公司生产的TGH-YI型烟气自动监测仪,都只是在线式烟尘连续监测装置,对于二氧化硫;氮氧化物等气体连续监测的产品还在开发中[14,16]。
目前国内CEMS系统中使用的分析仪器主要是美国KVB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火电厂烟气监测现状
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。
1997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》(GB13223-96)明确规定,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,300MW以上机组应装设氮氧化物连续监测装置,第Ⅱ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[5]。
1986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,这是在我国火电厂安装使用的第一套烟气连续监测系统。
90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,而且一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GB13223-1996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,但只有少数几个电厂的CEMS系统能正常投运。
我国部分环境科研单位也开始研制CEMS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靠从国外进口。
由于目前国内的CEMS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[3,7]:
(1)设备无认证:
引进的CEMS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CEMS都有,各种类型的CEMS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CEMS,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CEMS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CEMS运行管理制度不完善。
由于CEMS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CEMS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CEMS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CEMS运行情况及烟气污染物的排放状况。
应将各省的CEMS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。
1.3本文的主要工作
综上所述,本文主要了解火电厂烟气排放连续监测系统的国内外现状及研究动态、发展方向,本论文的主要工作为:
1.进一步学习PLC编程的相关知识。
2.学习组态软件MCGS的相关知识。
3.学习火电厂CEMS系统的工艺流程和相关智能仪表的相关知识。
4.设计基于组态软件MCGS及PLC的火电厂烟气排放连续监测系统。
5.利用三菱PLC组成系统,并进行局部的调试。
第二章烟气排放连续监测系统的原理与结构
2.1烟气排放连续监测系统的组成
2.1.1CEMS的监测项目
根据国家环境保护局的规定,烟气排放连续监测(CEMS)项目主要包括:
(1)颗粒物:
颗粒物是指燃料和其它物质在燃烧、合成、分解以及各种物料在机械处理中所产生的悬浮于排放气体中的固体和液体颗粒状物质[13],如烟尘。
(2)气态污染物:
包括二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)。
如果需要评价燃煤的利用效率和有毒物的排放情况,还应测量一氧化碳(CO)。
(3)烟气参数:
为了计算标准状况下的烟气体积,需要测量烟道内的压力、温度;为了计算总的排放量,需要测量烟气的流量,因要换算为标准状态下的干排气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必须测量氧气(O2)的含量。
2.1.2CEMS的结构组成
CEMS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,如图2.1所示。
CEMS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。
烟气连续监测系统的流程图如图2.2所示。
一般来说,CEMS包括以下一些部分:
烟尘监测子系统
烟气参数监测子系统
数据采集与控制系统
显示
打印
气态污染物监测子系统
数据处理
多路稀释探头控制器
校验标气
稀释气体
图2.1CEMS的结构组成
气态污染物
烟气含氧量
激光测尘仪
流速温度
烟气压力
差压变送器
氧化锆探头
流速温度测定仪
稀释探头
激光
打印机
零气系统
数据处理
除水、净化、缓冲设备
校验用标准气
分析仪
探头控
制器
数据采
集器
采样器
图2.2CEMS系统的流程图
(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SO2、NOx、CO2、CO等。
(3)激光测尘仪。
(4)流量计。
(5)测氧系统(也可通过测量CO2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SO2、NOx、O2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)仪器控制柜及其它必须的部件和材料。
2.2采样的基本要求
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,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=2AB/(A+B),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采样孔
(1)在选定的测定位置上开设采样孔采样孔,内径应不小于80mm,采样管长应不大于50mm,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,其内径应不小于40mm。
(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。
2.3CEMS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。
2.3.1采样式CEMS
采样式CEMS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5-40℃,然后送至分析装置、分析污染物气体浓度。
这些过程中要用到阀、泵、冷却装置、加热管以及输送和调节气体所需的许多部件,对这些部件必须经常进行维护、保养、排除故障,定期更换探头的过滤器,防止管路漏气等等。
在早期,这些问题的出现曾使用户感到气馁。
如今这些问题得到较好的解决,直接抽取监测系统在日本和我国都有应用。
稀释采样法是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:
100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。
此方法在美国应用十分广泛。
2.3.2在线式CEMS
在线式CEMS系统又称横跨烟道烟气连续监测系统或现场监测系统,不抽取烟气,而是直接测量烟道中的烟气成分。
分为两类:
“点”和“线”系统[14]。
“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。
单光束是由烟道一侧的发射装置发射光,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一侧的反射镜反射回来,发射器同时又是接受器,它检测返回的光强。
2.3.3遥感监测系统
遥感技术在自然灾害预报、气象、农业、勘探、生态环境监测等领域得到了广泛应用。
在美国,遥感技术也应用于污染源排放物监测。
遥感技术仅仅是向烟道发射光或感知烟道排放“热”分子的光辐射就能检测排放污染物的浓度。
美国EPA已经制定了用激光测量烟气不透明度的参比方法,但是由于既没有制定用遥感监测系统测量气体浓度的参比方法,也没有标准化的规范操作程序,因而遥感监测系统发展缓慢。
2.3.4稀释采样法的特点及应注意的问题
本文用稀释采样法进行烟气连续监测,此种采样方法的优点是:
能有效防止水蒸汽凝结防止SO2、NOx等气体成份的溶解损失;可用低浓度环境分析仪分析高浓度烟气成分;采用简单的系统组分设计,系统易扩充;系统精度高,再现性好,校准方法可靠,可一套分析仪切换监测多个烟囱或烟道;分析仪器不易受腐蚀,使用寿命较长(一般可超过10年);可以根据废气排放浓度大幅度变
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 烟气 排放 连续 监测 系统 设计