На главную

Статьи, публикации, архив номеров  

«     2018     2017  |   2016  |   2015  |   2014  |   2013  |   2012  |   2011  |   2010  |   2009  |   2008  |   »
«     Январь  |   Февраль  |   Март  |   Апрель  |   Май  |   Июнь  |   Июль  |   Август  |   Сентябрь  |   Октябрь  |   Ноябрь  |   Декабрь     »

Технологии

01.02.2010 Aвтоматизированные системы контроля и учета выбросов загрязняющих веществ и парниковых газов в атмосферу

 

Aвтоматизированные системы контроля и учета выбросов загрязняющих веществ и парниковых газов в атмосферу

 

Точное определение состава продуктов сгорания является одной из важнейших задач при автоматизированном контроле и учете выбросов загрязняющих веществ (NOx, SOx, CO, пыли и др.) в атмосферу. Стремление к получению достоверной информации о выбросах, подкрепляемое экономическими факторами (торговля квотами на выбросы, конкуренция и использование для продвижения на рынке методов получения более экологически чистой продукции) и поддерживаемое законодательной базой, вызвало в последние десятилетия усиленный рост рынка стационарных газоанализаторов и систем непрерывного контроля (мониторинга).

 

Автоматизированная система контроля (АСК) и учета выбросов загрязняющих веществ и парниковых газов в атмосферу служит для непрерывных измерений (с известной погрешностью) концентраций и выбросов загрязняющих веществ и парниковых газов и обеспечивает получение информации о фактиче­ских величинах этих выбросов.

АСК представляет собой информационно-измерительный комплекс и состоит из следующих основных узлов:

• первичные средства измерений нижнего уровня – газоанализаторы, пылемеры, измерители расхода (скорости) дымовых газов или топлива, средства измерения физических параметров отходящих дымовых газов (температура, давление, влажность) со своими датчиками, сенсорами, узлами самоконтроля;

• информационная сеть, предназначенная для передачи первичной информации о концентрациях, расходе (скорости), температуре, давлении и других необходимых параметрах на средства сбора, обработки, хранения и передачи информации;

• средства сбора, обработки, хранения и передачи информации, предназначеные для сбора первичной информации, ее обработки, хранения, архивирования и выдачи во внешнюю информационную сеть, а также для выполнения расчетов выбросов в режиме реального времени, накопленных данных за заданный интервал времени, ряда других функций в соответствии с алгоритмом;

• средства регистрации и отображения результатов измерения.

По существующей сети Ethernet информация о выбросах передается на любой компьютер, на котором установлено соответствующее программное обеспечение. Средства регистрации и отображения результатов измерений предназначены для визуализации информации о непрерывном контроле, что позволяет пользователям получать ее как на экране монитора, так и в виде распечаток.

Вспомогательное оборудование включает в себя кабели и сети для передачи аналоговых и/или цифровых сигналов.

 

Измерение состава газов

Одним из основных элементов АСК является газоаналитическое оборудование. Системы непрерывного контроля концентраций загрязняющих веществ в отходящих газах по принципу действия используемых газоанализаторов бывают двух типов.

К первому типу относятся газоанализаторы с отбором и транспортированием пробы газа (далее – экстрактивные, или пробоотборные). Они представляют собой системы, в которых пробы дымового газа постоянно передаются на анализатор по пробоотборной линии от места их отбора в газоходе или дымовой трубе (рис. 1).

 

 

Газоанализаторы без отбора пробы (второй тип) устанавливаются по месту измерения (или «in-situ»). В этом случае поток измеряемых газов в трубе или газоходе просвечивается лучом с определенными частотно-волновыми характеристиками и по изменению интенсивности луча определяется концентрация измеряемых веществ (рис. 2). Такие приборы имеют излучатель и приемник световой энергии.

 

 

Отдельную группу газоанализаторов, устанавливаемых «по месту», представляют приборы, снабженные специальным зондом, внутри которого протекают химические реакции, например приборы с датчиком из ZrO2 для кислорода.

Работа стационарных газоанализаторов основана на различных методах измерений, в том числе на основе измерения оптического поглощения в определенной области спектра при просвечивании газохода или дымовой трубы, включая метод инфракрасного поглощения (в том числе недисперсионного инфракрасного (NDIR) и ультрафиолетового поглощения), хемилюминесцентный и электрохимический методы. Наиболее перспективными являются газоанализаторы, работающие по принципу недисперсионного инфракрасного анализа (NDIR-технология).

В предлагаемом газоаналитическом оборудовании состав анализируемого газа определяется путем измерения его физико-химических свойств. Одним из способов является измерение оптических свойств газов (степень поглощения инфракрасного или ультрафиолетового излучения), используемое как при методе «in-situ», так и при экстрактивном.

Для уверенности в правильной работе оптических измерителей выбросов загрязняющих веществ требуется решение ряда сложных технических задач. Прежде всего речь идет о поддержании стабильной интенсивности источника излучения и, по возможности, более продолжительного периода его работы. Во-вторых, необходимо создать светофильтры с соответствующей узкой полосой пропускания. Оптические элементы также необходимо защитить от быстрого загрязнения и перегрева. Нужно учитывать и компенсацию влияния содержащихся в газопылевом потоке субстанций, затрудняющих количественное определение измеряемых компонентов (например, водяные пары, СО2, высокая запыленность), а также возможность проведения калибровки нуля и диапазона с использованием образцовых газов во всех скоростных режимах газопылевого потока.

Все приведенные выше основные методы являются пригодными для выполнения измерений, однако метод «in-situ» при использовании аналитического оборудования нового поколения обладает рядом преимуществ:

• условия измерения исключают возможность изменения состава пробы на пути ее подачи и пробоподготовки (в типовом экстрактивном методе вместе с влагой удаляется также часть измеряемых газовых компонентов, частично растворенных в воде (например, SO2), – в таких случаях показания по экстрактивному методу могут быть занижены);

• высокая надежность и меньшие затраты на обслуживание, связанные с выходом из строя элементов, участвующих в подаче пробы и пробоподготовке измеряемого газа (побудителей расхода, фильтров, подогревателей, холодильников, арматуры и т. д.). Эти элементы достаточно быстро выходят из строя и склонны к загрязнению и разгерметизации;

• благодаря измерению влажности газопылевого потока имеется возможность приведения концентраций загрязняющих веществ как к «сухим», так и «мокрым» газам (экстрактивный метод обычно имеет возможность измерения только в «сухих» газах);

• лучшие условия проведения калибровки нуля и диапазона с использованием сухого воздуха или азота для калибровки нуля, а также образцовых газов в баллонах для калибровки диапазона (калибровка может быть проведена как в неподвижном, так и в движущемся газопылевом потоке);

• короткое время отклика на скачкообразные изменения.

Недостатком данного метода является трудность обслуживания аналитического оборудования при установке его на большой высоте (дымовые трубы), где дымовые газы от нескольких источников перемешаны в гомогенную смесь, а также трудность организации раздельных измерений от нескольких источников.

В некоторых производственных процессах может быть использовано аналитическое оборудование, работающее по экстрактивному методу. Показателем для его применения является, прежде всего, очень высокая температура газопылевого потока в месте измерения (выше 400 °С). На практике это относится к отходящим газам газовых турбин, работающих без котла-утилизатора.

К данному методу прибегают также в случае, когда возникает необходимость измерения очень низких концентраций загрязняющих веществ, дополнительно при низкой температуре и высокой влажности газопылевых потоков, например в случае сжигания мусора в установках с высокоэффективной системой газоочистки.

Экстрактивный метод эффективен и при очень низкой температуре газопылевых потоков (ниже точки росы) и присутствии химически агрессивной пыли, которая может вызвать забивание отверстий зондов («in-situ»).

Данный метод благодаря усовершен­ствованной автоматической калибровке также дает возможность проведения калибровки окружающим воздухом или встроенными калибровочными ячейками. При этом отпадает необходимость в использовании баллонов с поверочными газовыми смесями и существенно упрощается техническое обслуживание газоанализаторов. В таких случаях предлагается использовать экстрактивные газоанализаторы с горячей (мокрой) ячейкой. Отобранная проба газа подогревается по всему пути отбора, а также в самом газоанализаторе до температуры 150–180 °С, что позволяет сохранить влажность отобранной пробы. В отличие от типовых экстрактивных газоанализаторов с холодной (сухой) пробой газоанализаторы с горячей (мокрой) пробой позволяют избежать большинства перечисленных недостатков экстрактивного метода. В этом случае с уверенностью можно сказать, что результаты измерений не являются заниженными на величину частично растворенных в воде измеряемых газовых компонентов, содержащихся в удаленной влаге. Принимая во внимание возможные неисправности охладителя пробы, объем эксплуатационных расходов будет значительно меньшим. Важным является и сохранение возможности измерения содержания влаги.

При выборе метода измерения концентраций загрязняющих веществ и непосредственно марки газоанализатора необходимо принимать во внимание то, что АСК предназначена для выполнения следующих задач:

• контроля за соблюдением нормативов допустимых выбросов загрязняющих веществ;

• оценки эффективности мероприятий по снижению вредного воздействия загрязняющих веществ на состояние атмосферного воздуха;

• учета выбросов загрязняющих веществ по результатам непрерывных измерений, подготовки отчетности и исчисления налога за выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух;

• использования в рамках Национальной системы мониторинга окружающей среды;

• наблюдения при осуществлении локального мониторинга окружающей среды.

Следовательно, допустимая погрешность измерения концентраций загрязняющих веществ должна соответствовать определенным требованиям. Измерения выбросов являются косвенными. Максимальная относительная погрешность измерения выбросов в случае определения расхода дымовых газов через их скорость вычисляется по формуле:

 

(1)

 

где δ  – максимальная относительная погрешность измерения выброса по каждому загрязняющему веществу;

δс – предел допускаемой относительной погрешности газоанализатора по измеряемому загрязняющему веществу;

δv – предел допускаемой относительной погрешности измерения скорости дымовых газов;

δf – предел относительной погрешности измерения площади поперечного сечения газохода;

δi – предел относительной погрешности измерения других составляющих (давления, температуры, влажности отходящих газов);

k – коэффициент, равный 1,1 при доверительной вероятности 0,95 и 1,4 – при доверительной вероятности 0,99.

Из формулы (1) видно, что допустимая погрешность газоанализатора зависит от суммарной погрешности других средств измерения, входящих в состав системы измерения.

Согласно требованиям ТКП 17.13.01- 2008 (02120) «Охрана окружающей среды и природопользование. Мониторинг окружающей среды. Правила проектирования и эксплуатации автоматизированных систем контроля за выбросами загрязняющих веществ и парниковых газов в атмосферный воздух» суммарная относительная погрешность δ измерения выбросов газообразных загрязняющих веществ не должна превышать ±20 %.

Если предел допускаемой относительной погрешности измерения скорости дымовых газов δv принять равным 5 %, предел относительной погрешности измерения площади поперечного сечения дымовой трубы δf – равным 1 %, а предел относительной погрешности измерения других составляющих δi – 2 %, мы сможем определить предел допускаемой относительной погрешности газоанализатора по измеряемому загрязняющему веществу δс. Для наших условий он составит 17,3 %. Поэтому еще на стадии разработки технических решений и проектирования АСК следует, используя формулу (1), выбрать приборы таким образом, чтобы соблюдалось условие δ ≤ ±20 % во всем диапазоне рабочих концентраций загрязняющих веществ и расходов отходящих газов. В противном случае необходима замена средств измерений.

 

Измерение содержания твердых частиц

Объем выбросов пыли является одним из основных критериев оценки загрязнения окружающей среды выбросами котлов и других промышленных объектов (прежде всего, металлургических и цементных). Эффективность работы пылеулавливающего оборудования подлежит оценке путем непрерывного измерения содержания пыли в отходящих газах. Большинство производителей аналитического оборудования для автоматизированного контроля выбросов загрязняющих веществ для определения содержания твердых частиц предлагают оптические пылемеры. Все они измеряют оптические параметры пылегазового потока, а затем пересчитывают их в концентрацию пыли на основании эмпирических зависимостей или характеристик.

В оптических измерителях запыленности используется ряд принципов измерения. Первый метод – это измерение коэффициента пропускания света (трансмиссометрия). При прохождении светового луча через пылегазовую среду его интенсивность уменьшается из-за поглощения и рассеивания света на твердых частицах. Ослабление света тем сильнее, чем больше концентрация пыли и оптический путь. Коэффициент пропускания представляет собой отношение интенсивностей принятого и испущенного света. Эта величина автоматически пересчитывается в оптическую плотность, которая пропорциональна концентрации пыли. Такой принцип пригоден для определения средних и высоких концентраций пыли в газоходах диаметром до 15 м.

Измерение содержания пыли, выполняемое с помощью пылемера данного типа, опирается на определение степени ослабления луча света, проходящего поперек пылегазового потока.

Обычно оптические пылемеры кроме степени ослабления измеряют и величину видимой степени зачернения, при этом:

зачернение + прозрачность = 1.

Взаимное влияние степени ослабления и зачернения описывается формулой Ламберта-Бера:

зачернение = 1 – е–ослабление.

Условием пригодности оптического метода для определения выбросов твердых частиц является размер частичек пыли. Предполагается, что он должен превышать 20 мкм.

Ослабление луча света твердыми частичками зависит как от размеров частиц, так и от длины волны. Способность ослабления уменьшается при размере твердых частиц меньше длины волны источника света, применяемого при измерениях. В связи с этим при определении содержания твердых частиц микронных размеров инфракрасное излучение является менее подходящим, чем видимый свет. Видимый свет не поглощается другими компонентами газопылевого потока (такими как СО2, водяные пары), что подтверждает сходность результатов с методом Рингельмана.

Содержание пыли в газопылевом потоке С прямо пропорционально зависит от степени ослабления света Е и определяется следующим выражением:

 

(2)

 

где L – длина измерительного пути (внутренний размер газохода или дымовой трубы в месте установки пылемера);

k – коэффициент пропорциональности, определяемый эмпирически путем сравнения измеренной оптической плотности с результатом измерения содержания пыли гравиметрическим способом. В случае невозможности выполнения сравнительных измерений можно принять приблизительную величину коэффициента пропорциональности k, типичную для данного процесса. Например, для пыли при сжигании каменных углей его величина составляет примерно 2 500.

Используется в оптических измерителях и такой метод, как измерение коэффициента рассеивания света. Свет от источника излучения рассеивается на частицах пыли, присутствующих в газе, и затем попадает на высокочувствительный приемник излучения. При измерении рассеивания света используется техника измерения в прямом или обратном направлениях. Этот принцип пригоден для низких концентраций пыли и применим даже для уровней запыленности ниже 1 мг/м3. Интенсивность рассеянного света зависит от оптических свойств частичек пыли и их количества. Проведенные исследования показали, что можно выбрать такой угол между осями источника света и детектора, при котором интенсивность рассеянного света пропорциональна содержанию пыли в области, охваченной измерением.

Еще один принцип измерения – это трубоэлектрические измерения выбросов пыли. Твердые частицы, находящиеся в пылегазовом потоке, взаимодействуют с частями зонда. Это взаимодействие приводит к появлению электрического заряда, вызванного взаимным трением материалов пыли и зонда. Заряд, переданный от твердых частиц к зонду, составит:

 

(3)

 

где K – постоянная, определяющая зависимость между массой и зарядом;

mn – масса твердых частиц;

М – суммарная масса твердых частиц.

Если зонд заземлен, то появляется трубоэлектрический ток:

 

(4)

 

где М – массовый расход.

Трубоэлектрический ток пропорционален массовому расходу пыли.

Трубоэлектрические пылемеры применяются для оптимизации работы пылеулавливающих устройств, а также в качестве чувствительных сигнализаторов различных возмущений. Практика последних лет показала, что при низком содержании твердых частиц трубоэлектрические пылемеры могут использоваться также при измерении выбросов для коммерческого учета.

Чаще всего применяются пылемеры, измеряющие коэффициент пропускания света. Практический диапазон измерения данного типа пылемеров лежит в границах от нескольких мг/м3 до нескольких г/м3, охватывая полный диапазон измерений за электрофильтрами, включая залповые выбросы.

Альтернативным решением являются пылемеры, действующие по принципу рассеивания света. Их диапазон измерения достигает значений от – <1 мг/м3 до – >100 мг/м3, охватывая только диапазон нормальной работы рукавных фильтров и высокоэффективных электрофильтров.

В зависимости от принятых технических решений производителями предлагаются измерители пыли с двумя блоками приемопередатчиков, расположенными на противоположных стенках газоходов (дымовых труб) или с одним блоком приемопередатчика на одной стенке газохода и источником света на другой стенке. Блоки приемопередатчиков, расположенные на противоположных стенках, десятки раз в секунду меняются своими функциями. Преимуществом двухстороннего расположения приемопередатчиков является возможность полной компенсации загрязнения оптической поверхности по отдельности для каждого блока. Более дешевый вариант с использованием отражателя позволяет компенсировать загрязнение оптики только на одной стенке газохода, предполагая, что загрязнение на стороне отражателя является таким же, а это часто не соответствует действительности и приводит к искажению результатов измерений.

 

Измерение скорости (расхода)

Можно выделить три метода измерения скорости (расхода) газов: ультразвуковой, пневмометрический (по переменному перепаду давления) и с помощью сужающих устройств (по переменному перепаду давления).

Первый метод основан на измерении разности времени прохождения ультразвуковых импульсов. Блоки приемопередатчиков монтируются на противоположных сторонах газохода под определенным углом к направлению потока (рис. 3). Блоки приемопередатчиков содержат ультразвуковые преобразователи, работающие попеременно и как приемник, и как передатчик. Звуковые импульсы излучаются под углом α к направлению потока газа. Скорость газа v определяется по разности времени прохождения сигнала в прямом и обратном направлениях и не зависит от величины скорости звука (формулы 5, 6). Разность времени прохождения сигнала тем больше, чем выше скорость газа и чем меньше угол к направлению потока. Изменения скорости звука в результате колебаний давления или температуры при этом способе измерений не влияют на измеряемую скорость газа.

Измерительное расстояние L соответствует активному измерительному расстоянию, т. е. расстоянию между преобразователями. Время прохождения импульса в направлении потока газа (прямое направление) рассчитывается по следующему уравнению:

 

(5)

 

В направлении против потока газа (обратное направление) оно рассчитывается по уравнению:

 

(6)

 

Отсюда:

 

(7)

 

где v – скорость газа, м/с;

L – измерительное расстояние, м;

α – угол установки;

tv – время прохождения звука в направлении потока;

tr – время прохождения звука в направлении против потока.

Таким образом, для определения скорости потока необходимо иметь данные о времени прохождения ультразвукового сигнала, измерительном расстоянии и угле установки датчиков (приемопередатчиков ультразвука).

Использование ультразвуковых измерителей скорости для исследования измерительных сечений имеет ряд преимуществ:

• усредненное измерение скорости поперек сечения газохода не зависит от давления, температуры и состава газа;

• цифровая обработка сигнала гарантирует высокую точность и низкую чувствительность к помехам;

• регулярное самотестирование во время контрольных циклов;

• безредукционная установка в газовый поток обеспечивает отсутствие нарушения потока;

• легкая установка;

• минимальное обслуживание.

Ультразвуковые измерители скорости могут быть использованы для измерения скорости газовых потоков в трубопроводах, газоходах отходящих газов и дымовых трубах. В соответствующей конфигурации систему можно использовать не только для измерения очищенного газа, но и для измерения неочищенного газа перед фильтром.

Особенность ультразвукового метода заключается в автоматическом определении средней скорости газового потока вдоль оси измерения. Метод бесконтактный (прямой) характеризуется хорошими рабочими характеристиками в сложных условиях эксплуатации.

Пневмометрический метод основан на измерении разности полного и статического давления в потоке измеряемого газа. Эта разность представляет собой динамический напор, пропорциональный квадрату скорости. По величине динамического напора определяется скорость потока.

Способ измерения расхода на базе сужающих устройств является наиболее распространенным и реализуется путем установки диафрагм, до и после которых отбирается импульс давления для измерения. Импульсы давления воспринимаются специальными датчиками, преобразующими давление в электрический сигнал (обычно аналоговые выходы 4–20 мА).

 

Передача данных измерения

Некоторые производители аналитического оборудования для автоматизированных систем контроля выбросов предлагают традиционную аналоговую форму передачи данных от аналитического оборудования к центральному блоку. Измерительные токовые (выходные) сигналы (4–20 мA) чаще всего передаются по многожильным кабелям (по две жилы на каждый сигнал) к блокам-концентраторам, преобразующим аналоговый сигнал в цифровой, а дальше (в цифровом виде) – к компьютеру. Передача выходных сигналов в цифровом виде характеризуется целым рядом существенных преимуществ.

Прежде всего это оптимальная точность показаний во всем измерительном диапазоне и отсутствие отказов, вызванных внешними воздействиями (например, общим электромагнитным полем). Кроме того, очевидна экономия материалов – независимо от количества передаваемых цифровых сигналов требуются только четыре жилы (вместо нескольких десятков при аналоговой передаче), к тому же наблюдается и удешевление из-за отсутствия аналогово-цифровых преобразователей. Еще одно преимущество – возможность двунаправленной передачи. Благодаря этому помимо передачи данных измерения с помощью компьютера становится возможным выполнение конфигурирования анализаторов, а также диагностика оборудования, что значительно увеличивает производительность работы системы и выполняет сервисные функции.

Проведенный анализ показывает наличие большого количества аспектов, влияющих на выбор аналитического оборудования для автоматизированных систем контроля и учета выбросов загрязняющих веществ и парниковых газов в атмосферу. Основными факторами, определяющими выбор того или иного способа измерения (аналитиче­ского оборудования), являются, прежде всего, его стоимость и применимость к данному технологическому процессу, а также требуемая погрешность измерений, низкие эксплуатационные расходы и возможность удаленного контроля за работой системы.

 

Иван БОГДАНОВИЧ, кандидат технических наук, руководитель проектов ООО «Энергопромис»

 

Контакты

Беларусь: 220121, г. Минск
а/я 72
Тел.: +375 (17) 385-94-44,
385-96-66

Факс: +375 (17) 392-33-33
Gsm: +375 (29) 385-96-66 (Vel)

Е-mail: energopress@energetika.by
E-mail отдела рекламы:
reklama@energetika.by

© ОДО Энергопресс, 2003—2009. Все права защищены.
Мониторинг состояния сайта
Создание сайта Атлант Телеком