烟气排放连续监测系统设计.doc

精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除摘 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；MCGSAbstractContinuous Emission Monitoring System (CEMS) is monitoring the gas pollutant emissions of modern means. Based on engineering background, outlines the development of CEMS status at home and abroad, introduces the components and working principles of CEMS study of the thermal power plant flue gas emissions and continuous monitoring system, gives the power plant flue gas emissions monitoring system software and hardware design ideas, and implemented the monitoring system control functions. On this basis, design and implementation of the above bit machines, programmable controller as the core of a Continuous Emission Monitoring System monitoring capacity in order to realize real-time power plant flue gas emissions monitoring. Described the power plant flue gas continuous emission monitoring system of the overall program, sequential control design method in the PLC ladder program design, focusing on software design using MCGS configuration PC monitoring software is given on the monitor using the configuration software screen configuration method. PC software has powerful function and friendly user interface, process and operating parameters to achieve a list of display, alarming, historical queries, parametric curve tracking functions. Independently designed by the electrical and pneumatic components and control system consisting of PLC, and the system was debugged, the last of the Power Plant Continuous Emission Monitoring System were reviewed. Keywords: Continuous Emission Monitoring; programmable controller; MCGS目 录摘 要1Abstract2第一章 绪论51.1烟气排放连续监测的意义51.2烟气排放连续监测技术的发展61.2.1国外发展现状61.2.2我国发展现状61.2.3火电厂烟气监测现状61.3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82.1烟气排放连续监测系统的组成82.1.1 CEMS的监测项目82.1.2 CEMS的结构组成82.2采样的基本要求102.2.1采样工况102.2.2采样位置102.2.3采样孔102.3 CEMS的技术分类102.3.1采样式CEMS102.3.2在线式CEMS112.3.3遥感监测系统112.3.4稀释采样法的特点及应注意的问题112.4 烟尘监测子系统122.4.1烟尘监测的目的和监测项目122.4.2烟尘连续监测方法122.4.3激光浊度法工作原理132.4.4测尘仪的校准与反吹132.5 气态污染物监测子系统132.5.1 SO2的连续监测方法142.5.2 NOx的连续监测方法142.5.3气体分析仪器的标定152.6 烟气参数监测子系统162.6.1烟气温度的监测162.6.2烟气流量和压力的监测172.6.3含氧量的监测17第三章 CEMS系统硬件设计183.1分析仪器183.2采样系统硬件183.2.1稀释采样探头183.2.2采样管线183.2.3冷凝系统和干燥器193.2.4采样泵193.3数据采集193.4系统控制20第四章 系统硬件功能分析与设计224.1上位机的选型224.2现场控制系统硬件分析选择224.2.1 PLC的选择224.3 PLC控制系统研究与设计234.3.1 PLC程序设计方法234.3.2顺序控制法在仪器标定控制中的应用244.3.3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265.1上位机与PLC通信265.1.1上位机与PLC互联通信方式265.1.2 PLC与计算机的硬件连接265.2利用组态软件设计监控系统265.2.1组态软件简介265.2.2 MSCG组态软件275.2.3组态软件MSCG实现上位机监控软件的开发275.3软件总体设计305.3.1软件功能305.3.2用户控制界面30第六章 结论与展望346.1结论346.2监测系统展望34参考文献35致 谢36附 录37附录1 FX2-48MR PLC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(Continuous Emissions Monitoring System,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(GB 13223一2003)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(GBl32232003)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-Y I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2.1.1 CEMS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。2.1.2 CEMS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2.1 CEMS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2.2 CEMS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。2.3 CEMS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化，及时调整监测系统，保证检测仪器的精度，一旦国家环保局定出在全国范围内征收SO2等排放费，该方法能准确校核付费的数量15。同时稀释采样法存在一定的缺点：系统设备相对复杂，给维护管理带来许多工作；稀释比例不易控制，若稀释比控制不好，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注意以下几点；采样流量需大于0.5升/分钟；根据电厂环境与烟气排放实际情况确定稀释比，稀释比一般不宜超过1:250，如稀释比超过1:250，应采用加热与稀释相结合的方式。稀释比误差不大于±1%稀释器温度变化小于±2；采用临界孔稀释时，临界孔前后压差不低于500mmHg16。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。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13。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。其优缺点如表2.1所示11,16。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称重法测量烟尘浓度的标准方法，精确度高，精密度好不能了解烟尘浓度的动态变化林格曼黑度测定法简便易行，成本低廉，特别适用于黑色烟气的测定人为因素大，环境条件影响大光电投射法仪器结构简单，使用方便，维护量小，响应快，能在被测含尘气体物理化学性质不变的条件下进行连续测定对仪器的安装要求高，且标定工作复杂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CEMS系统中，较适用的方法为光电投射法。光电投射法主要分为射线法和光学法两类。(1) 射线法射线法利用烟尘对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，然后照射射线通过测量吸收的射线剂量，可得到烟尘的含量。(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，通过测定光束通过烟气后的光强与原来光强的比值来定量烟气浊度或烟尘浓度18。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-比乐定律，采用不透明度测试原理，即单色平行光束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。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射出的波长为633nm的激光，具有极好的平行光束和激光强度，主要特点如下10：(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10mm-20mm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10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。2.4.4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12%。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，通过空气过滤器器，流通过反吹管内的传感器，然后进入烟道，对取样区不产生影响。2.5 气态污染物监测子系统气态污染物监测子系统采用稀释采样法，主要监测SO2、NOx等气体的浓度。图2.3为本系统采样状态的流程简图。稀释探头过滤器1双重控制阀SO2分析仪CO分析仪NOx分析仪O2分析仪旁路调节器过滤器2双冷凝器泵FM5FM4FM3FM2FM6旁路排水管道图2.3 系统采样状态的流程简图2.5.1 SO2的连续监测方法SO2的连续监测方法主要有红外吸收法(NDIR法)、紫外吸收法(UV法)和紫外荧光法三种7。(1) 红外吸收法：通过测量SO2对7.3 m附近的红外线吸收量的变化，连续测定烟气中SO2的浓度。该方法抗水分、CO 、CO2的干扰能力较弱。(2) 紫外吸收法：通过SO2在280320nm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、CO2的影响。(3) 紫外荧光法：通过一定波长的紫外光（214nm）照射到含有SO2的气样上，激发SO2产生荧光，用光电倍增管检测荧光强度，测定烟气中的SO2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SO2的连续监测采用红外吸收法。2.5.2 NOx的连续监测方法NOx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四种9。(1) 红外吸收法：通过测量NO对5.3 m附近的红外线吸收量的变化，连续测定烟气中NO浓度。NO2是通过还原转换器转换成NO再测量。抗水份、CO、 CO2、 SO2及有机物的干扰能力较弱。(2) 紫外吸收法：通过NO在195230nm附近或NO2在350450nm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、CO2的影响。(3) 脉冲荧光法：采用脉冲紫外光照射到含有NOx的气样上，激发NOx产生荧光，用光电倍增管检测荧光强度，测定烟气中的NOx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：测量NOx是NO和O3反应产生激发态的NO2，激发态的NO2转为常态的NO2时，伴随着光子的发射，产生化学发光，测量发光强度即NO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NOx的连续监测采用红外吸收法。2.5.3气体分析仪器的标定标定就是通过标准浓度的标气来校正仪器的偏差。本系统中有三种标定，即零点标定、量程1标定和量程2标定。如图2.4所示，零点标定是通入零气(本系统中用的是仪用空气)对SO2、NOx、CO和O2的零点进行标定。量程1标定是通入标气(二氧化硫和氮氧化物的混和气)对分析仪进行定标，二氧化硫和氮氧化物的量程由其标气中的浓度决定，而一氧化碳和氧气在量程1标定时为0。量程1标定的系统流程图如图2.5所示。量程2标定是通入标气(一氧化碳和氧气的混和气)对分析仪进行定标，而一氧化碳和氧气的量程由其标气的浓度决定，同样二氧化硫和氮氧化物在量程2标定时为0。量程2标定的系统流程图如图2.6所示。零空气FM1SO2分析仪CO分析仪NOx分析仪O2分析仪旁路调节器过滤器2双冷凝器泵FM5FM4FM3FM2FM6旁路排水管道图2.4 CEMS零点标定系统流程双冷凝器过滤器2SO2分析仪NOx分析仪标气NOx/SO2泵FM3FM4旁路排水管道FM1图2.5 CEMS量程1标定系统流程图双冷凝器过滤器2SO2分析仪NOx分析仪标气CO/O2泵FM2FM4旁路排水管道FM1图2.6 CEMS量程2标定系统流程图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。2.6.1烟气温度的监测烟气温度的监测方法有铂电极法和红外线测温仪两种：(1) 铂电极法是将一根铂丝和另一根金属导线（冷端）连成一闭路，当两连接点处于不同的温度环境时，使热电耦金属端温度保持恒定，铂电极产生的热电势大小，便能反映烟气温度。(2)红外线测温仪的原理是当物体温度大于绝对零度时，物体因热运动发射红外线，红外辐射能量的大小取决于烟气温度。2.6.2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：烟气气流流过已知距离的两个测点时，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。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2.7所示。皮托管面向烟气方向的一侧产生全压 P（全），背向烟气方向的一侧产生静压P（静），二者的压力差为动压，即P（动）=P(全)- P(静) ，而流速V的平方与P(动)成正比，从压力计可读出P(动)(即烟气压力)，从而计算出流速V ，V乘以烟道截面积S，则得出流量。图2.7 皮托管法流量计原理图2.6.3含氧量的监测CEMS系统在计算排放物成份的真实含量时,为了防止用空气稀释烟道气，必须测量氧气(O2)的含量。对烟气含氧量的监测方法有磁气式测氧法和氧化锆法两种：磁气式测氧法基于氧的顺磁性原理，即氧分子在磁界被磁化时产生吸引力的原理，在不考虑体积磁化大的气体（如NO、NO2）影响或可排除此影响的情况下可使用此法。氧化锆法利用极限电流的氧化锆传感器实时对气体中的氧进行分析，当氧化锆被加热时，由于氧离子在氧化锆晶体结构中的迁移作用，使氧化锆体变成导电体，气体中氧浓度的不同使这种迁移作用产生的电流不同4。CEMS的监测项目中氮氧化物是很重要的一项，若使用磁气式测氧法，氮氧化物体积磁化大的特点会影响含氧量的测量，故在本论文中采用氧化锆法进行含氧量的监测。第三章 CEMS系统硬件设计3.1分析仪器CEMS各子系统的监测项目不同，因而各自使用的监测方法和分析仪器也不同，本系统采用模块化设计，用户可以自己选择各子系统所使用的分析仪器，用户配置的自由度较大。CEMS各子系统的监测项目、监测方法、可用的分析仪器及系统的主要性能参数如表3.1所示。表3.1 CEMS系统硬件组成及主要性能参数子系统监测项目监测方法分析仪器烟尘监测系统烟尘浓度激光浊度法激光测尘仪气态污染物 监测系统SO2红外吸收法SO2分析仪NOx红外吸收法NOx分析仪烟尘参数 测试系统O2氧化锆法测氧仪流量和压力差压法流量计