ABB在线分析仪在烟气监测系统的应用

摘 要：环境保护越来越被公众所认同，现在大气污染成为需要解决的突出问题。生产企业排出的烟气中含有各种污染物，具体排放的指标需要遵守国家关于固定污染源烟气排放标准。对此，企业需要配有固定污染源烟气排放连续检测系统（CEMS）。

关键词：CEMS AO2040红外分析仪 氧化锆分析仪 烟尘检测仪 数据采集系统

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（c）-0140-04

为保护我们共有的地球，环保部门对烟气排放企业需要进行固定污染物排放的监督，烟气监测系统就是按照环保部门要求，企业设立的排放物进行连续监测的系统。

固定污染源烟气排放连续监测系统（简称CEMS），由烟尘监测子系统、气态污染物监测子系统、烟气排放参数监测子系统、DAS（数据采集系统）、气源电源通讯等辅助设施子系统等组成。通过选定的采样方式，测定烟气中污染物量，数据按要求进行显示、记录、传输和调用。

标准的监测项目为8个参数：二氧化硫量（SO2）、氮氧化物量（NO NO2）、颗粒物量（烟尘）3个污染物参数和对应的湿基流量（包含流速、温度、压力）3个排放参数、以及换算干基用的氧量（O2）、湿度（RH）2个参数。

1 CEMS系统

1.1 系统简述

系统由SO2，NO NO2多组分气体分析仪、尘含量检测仪、流速仪、氧化锆氧分析仪和DAS（数据采集系统）组成。

SO2，NOX多组分气体分析仪：ABB AO2040 Series。

尘含量检测仪：SICK FW56。

流速仪：MODEL 3060。

氧化锆氧分析仪：ABB ZDT。

DAS（数据采集系统）：SIEMENS S7 200 PLC，DELL计算机，HP打印机。

系统集成为一个分析小屋内安装的分析柜（2200h×800w×800d）和两个现场安装的分析柜（1300h×1300w×500d）。

分析小屋内安装的分析柜安装有ABB AO2040多组分气体分析仪和其预处理系统，SIEMENS S7 200 PLC，220VAC/24VDC电源箱，校验用标准气，电磁阀组。

现场安装的分析柜安装有ZDT氧化锆氧分析仪，SICK FW56尘含量检测仪，MODEL 3060流速仪和其反吹泵。

尘含量检测仪、流速仪、氧化锆氧分析仪将检测的工艺值转变为标准4～20 mA模拟量，传送给PLC，PLC处理后将数据传送给监控计算机。

PLC与监控计算机之间采用PC/PPI连接方式进行通讯。

ABB AO2040多组分气体分析仪与监控计算机之间采用USB—RS485连接方式进行通讯，而不与PLC直接通讯。

1.2 结构图（如图1）

2 CEMS的基本配置（如表1）

下面就各系统详细介绍如下。

2.1 气态污染物监测系统采用ABB AO2040系列产品

ABB AO2040系列包括以下方面。

加热过滤采样探头及电伴热采样管线：

TYPE 40（取样探管ABB）；

PFE2（加热过滤器ABB）；

SE-2C1-57-1-ATPVC-047-XINS（电伴热采样管线Cellex）；

预处理：

SCC-C（样气冷凝器ABB）；

SCC-F（样气泵ABB）；

分析仪：

Uras 14（多组分气体分析仪ABB）；

Oxygen Sensor（氧气传感器ABB）。

ABB AO2040 Series采用直接抽取式采样法，测量排放烟气中的SO2、NOx及燃烧剩余氧含量（干氧）。加热过滤采样探头全不锈钢材料，内置加热陶瓷过滤器，加热温度180 ℃，能有效地除去烟气中的颗粒物，过滤效率2μm>99.9%。具有极低的维护量和长使用周期。电伴热采样管线传输样气从探头到预处理系统，材料为特氟隆，电伴热保证样气温度在130 ℃～150 ℃，以防止结露。（如图2）

通讯方式：

RS232/485串口，与DAS监控计算机连接。

系统原理：湿基直接抽取采样系统是在探头端部去除烟尘，样气保留湿气保持热态。因此样气要在传输到分析仪之间始终保持在酸露点138 ℃～160 ℃以上。由于与此衔接的红外分析仪在测定NOx的波长范围内水分对其有一定的影响，为避免在烟气湿度较大的场所下，红外分析仪会产生误差，采样系统用冷凝器除湿来减少影响。利用采样泵抽取经过防尘探头除尘和采样管线加热的湿样气，进入冷凝器除去水分，干燥后的冷烟气通过转子流量计和支管分送给分析仪。

（1）冷凝器SCC-C及采样泵SCC-F。

ABB预处理系统SCC为一体化集成的标准部件。它集成有冷凝器、蠕动泵、采样泵、过滤器、流量调节器等。同时SCC具有温度、湿度、流量信号输出，及时反应系统工作状况。

（2）多组分分析仪。

ABB AO2040 Series Uras14分析仪采用非分散红外吸收法（NDIR）进行测量，气体污染物对红外线进行选择性吸收，其吸收强度取决于被测气体的浓度，通过对被测气体前后红外线能量的比较，从而达到测量组份含量的目的。这些气态污染物主要为双原子分子，如CO、CO2、NO、SO2、CH4气体等。单原子分子O2组份则由电化学传感器模块检测。

Uras14 NDIR模块化分析仪可选择性的测量1～4个组分，它独特的充气式光学气动检测器具有很高的灵敏度，减少了其他气体对测量值的影响，也具有很高的选择性。分析仪标定可选内置标气池，完成周期性自动标定，减少维护量和维护成本。分析仪和标气池均取得TUV机构。每一个组分都有两个量程，可以根据应用要求进行设定，量程切换比为10∶1。同时可以根据需要选择其他分析模块或其他第三方仪表，如磁氧分析模块、紫外分析模块、湿度计、流量计、尘浓度仪以及数据采集系统等。（如图3）

ABB AO2040的人机信息交换全部通过前面板上的液晶显示屏和触摸按键实现。同时ABB AO2040配备有RS232/RS485数据通信卡，可将需要的数据信息传送到监控站PC机。

2.2 ABB氧化锆分析仪

烟气湿度检测方法主要有干基和湿基氧测量计算法、红外吸收法、电容法等等连续或非连续监测方法。本系统采用氧化锆法测量湿基氧含量及分析仪内电化学法测量干基氧含量，经过公式计算得出烟气湿度值。

氧化锆分析仪的原理是：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，使氧化锆晶体变成导电体，烟气中氧浓度的不同使这种迁移作用产生的电流不同。称为氧浓差电池。

ABB氧化锆分析仪包括以下方面。

（1）ZDT 氧化锆分析；

（2）ZFG 氧化锆探头结构示意图（如图4）。

通讯方式：

4～20 mA模拟量，继电器输出。（如图5）

2.3 SICK FW56烟尘检测仪

本系统选用的烟尘检测仪为德国SICK公司的FW56-I型单光程烟尘测试仪，采用浊度法测量烟尘颗粒含量，其测量原理是：光通过含有烟尘的烟气时，入射光强因烟尘颗粒物的吸收和散射作用而减弱，通过测定光束通过烟气前后的光强衰减值来定量给出烟尘浓度值。

SICK FW56烟尘检测仪包括以下方面。

FWA56 计算单元；

FWS56 发射单元；

FWR56 接收单元；

FWSE 保护空气装置（如图6）。

通讯方式：

4～20 mA模拟量，继电器输出。

空气保护装置的作用如下。

空气保护装置提供压缩空气，在发射单元与接收单元镜面前形成一个空气柱，将镜面与烟气隔离，防止烟气污染镜面。

2.4 烟气流速计

烟气流速计的测量方法主要有皮托管差压法、热导法、超声波法等连续或非连续监测方法。本系统采用的是皮托管压差法，由温度、压力测量系统、微控制器系统、反吹控制系统、模拟信号输出系统等部分组成。采用皮托管法测烟气流速；微控制器系统采集各种传感器检测的信号，计算出动压、静压、大气压、烟温等参数，根据公式计算出烟气流速，经D/A转换后成为标准模拟电流信号输出（4～20 mA）。

2.4.1 烟气流速计包括

皮托管；

主机模块；

反吹泵。

2.4.2 工作条件

工作电源：交流220 V±10%，50 Hz；

环境温度：-10 ℃～45 ℃；

环境湿度：0 %～85 %；

大气压：86～106 kPa。

适用环境：非防爆场合。

接地良好。

2.4.3 输出方式

4～20 mA

2.4.4 计算公式

（1）静压（kPa）。

（2）烟气流速（m/s）。

（3）湿烟气密度（kg/m3）。

参数符号及单位（如表2）。

2.4.5 主要技术指标（如表3）

2.5 数据采集系统（DAS）

数据采集系统采用SIEMENS S7-200 PLC加工控软件组态王，通过上下位机的通讯，将CEMS系统的数据实时显示到上位机屏幕上。同时，上位机可以按照环保要求记录污染物排放的瞬时两积累量。上位机配有串行通讯接口，可以与环保部门通过电话线进行数据传输。便于环保部门的实时监督。

3 结语

该系统在全国有多套应用实例，运行稳定可靠。值得注意的是，在线式分析仪表需要经常维护，系统才能稳定连续运行。

执行标准如下。

《固定污染源排放烟气连续监测系统技术要求及监测方法》HJ/T 76-2001。

《火电厂烟气排放连续监测技术规范》HJ/T 75-2001。

参考文献

[1]《Continuous Gas Analyzers A02000 Series：Operator’s Manual》 ABB.

[2]《Modular Sample Gas Extraction System |Probe Tubes and Filter Units：Operator’s Manual》 ABB

[3]《Advance SCC-C| Sample Gas Cooler：Operator’s Manual》 ABB

[4]《Advance SCC-F| Sample Gas Feed Unit：Operator’s Manual》 ABB

[5]《ZDT Oxygen Analyzer System： Installation and Operation Guide》ABB

[6]《ZFG2 Series Oxygen Probes Operating Instructions》ABB.

[7]《FW 56-I含尘量监测仪》 SICK|MA IHAK.