烟气排放连续监测系统设计.doc
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1、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
2、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 back
3、ground, 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 i
4、deas, 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 monitorin
5、g. 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
6、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
7、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
8、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
9、.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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、,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
17、.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
18、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
19、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
20、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
21、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
22、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CEM
23、S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)
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