Создание автоматизированных систем контроля выбросов через дымовые трубы

Создание систем промышленно-экологического мониторинга выбросов промышленных предприятий через дымовые трубы

Основными источниками загрязнения окружающей среды вредными продуктами промышленных предприятий являются выбросы через дымовые трубы предприятий

Объектом автоматизации являются следующие процессы:

• измерение концентрации диоксида серы (SO₂) в выбросах;
• измерение концентрации оксидов азота (NO, NO₂) в выбросах;
• измерение концентрации оксидов углерода (СО, CO₂) в выбросах;
• измерение объема выброшенного газа и температуры газа;
• расчет суммарных выбросов по компонентам за выбранный промежуток времени.

Сбор информации о параметрах осуществляется с помощью набора газоаналитического оборудования, анализаторов концентрации пыли, расходомеров и анализаторов температуры.

Контроль параметров производится при помощи стационарных постов контроля,  расположенных вблизи источников источникам выбросов. При этом в непрерывном режиме выполняются следующие функции:

• непрерывный автоматический сбор и обработку информации о составе и массовых характеристиках выбросов;
• отображение контролируемых параметров и диагностической информации;
• архивирование, хранение и документирование информации;
• сравнение текущих значений контролируемых параметров с заданными пороговыми уровнями;
• отображение аварийно-предупредительной сигнализации;

Режим работы системы – непрерывный круглосуточный.

Технические характеристики системы

АСЭМ строится как 2‑х уровневая информационно-измерительная система с централизованным управлением и распределенной структурой измерения, сбора и обработки информации.

Верхний уровень системы образует информационно-вычислительный комплекс обеспечивающий обработку, хранение и представление информации.

Нижний уровень образуют средства измерительной техники и технологическое оборудование постов контроля.

Способ передачи данных между компонентами нижнего и верхнего уровней определяется на этапе рабочего проектирования.

Режим работы АСЭМ– непрерывный круглосуточный.

Структура программных и технических средств АСЭМ обеспечивает возможность последующей модернизации, ввода дополнительного оборудования, повышающего технические и эксплуатационные характеристики системы.

Структура АСЭМ допускает поэтапное внедрение на объекте автоматизации, с последовательным наращиванием технических средств, состава и полноты функций.

Технические средства нижнего уровня.

В состав программно-технического комплекса нижнего уровня (ПТК НУ) подсистемы экологического контроля выбросов входят стационарные посты (информационно-измерительные системы точек контроля), обеспечивающих контроль параметров выброса.

Пост контроля выбросов обеспечивает выполнение следующих функций:

• измерение концентраций химических веществ в выбросе;
• диагностирование собственных программно-технических средств;
• отображение на встроенных дисплеях значений измеряемых параметров и диагностической информации;
• ведение локально архива данных измеряемых параметров (глубиной не более 48 часов);
• обмен информацией с ПТК ВУ по цифровым каналам связи.

Обеспечена возможность функционирования каждого из постов контроля независимо от состояния и работоспособности оборудования верхнего уровня системы и каналов передачи данных на ВУ.

Газоанализаторы

Основой газоаналитической системы поста контроля являются газоанализаторы.

Основным отличием газоанализаторов разных производителей является метод измерения и способ доставки пробы.

Измерение без отбора пробы

Безпробоотборный газоанализатор основан на оптоэлектронном методе прямого измерения состава газов.

Измерения выполняются непосредственно в газовом потоке без отбора пробы — измерительный зонд устанавливается в газоход. Зонд имеет измерительную щель или газопроницаемую вставку (фильтр). Измеряется спектр поглощения газовой среды на активном измерительном расстоянии. Газоанализатор1 определяет концентрацию присутствующих газовых компонентов. Световой поток из блока приемопередатчика проходит через активное измерительное расстояние и отраженный призматическим зеркалом на торце зонда возвращается. Часть отраженного потока делительным зеркалом направляется в модуль полихроматора (включающего в себя фокусирующие линзы, щелевую диафрагму, дифракционную решетку и фотоприемник). Дифракционная решетка разлагает свет на спектральные составляющие и проецирует на фотоприемник, который состоит из линейки высокочувствительных фотодиодов

Измерение с отбором пробы

Из общего объема газа отбирается определенное количество для анализа-проба, которая направляется в газоанализатор по линиям отбора, обогреваются.

Поток измерительного газа поддерживается постоянным и это позволяет газоанализатора непрерывно выдавать текущие данные измерений.

Для подготовки и анализа состава газа в газоанализатор используются специальные устройства, а именно:

— зонд отбора пробы с блоком управления режимами отбора пробы и обратной продувки фильтров, с подсистемой подогрева, фильтрами грубой и тонкой очистки;

— линии подачи пробы обогревается — для предупреждения появления конденсата и прохождения посторонних реакций между компонентами газа при снижении температуры в газовом тракте;

— система пробоподготовки газовой пробы в шкафу газоанализатора с набором фильтров, водяных барьеров, ротаметров и пневмоклапана для управления трактом прохождения пробы.

— холодильник-конденсатор (осушитель) газа — для удаления жидкости или конденсата из газа;

— подсистема автоматической калибровки газоанализатора с использованием баллонов с эталонными смесями;

— подсистема микроклимата в шкафу газоанализатора — обеспечивает необходимый подогрев в зимний период и охлаждение в летнее время,

— измерительный прибор – газоанализатор.

Сравнение методов анализа

При выборе газоаналитического оборудования надо учитывать следующие факторы:

• Необходимая точность измерения
• Соответствие оборудования условиям эксплуатации
• Возможность получения квалифицированной техподдержки от производителя во время эксплуатации
• Уровень сложности эксплуатации и обслуживания оборудования

Следует отметить тот факт, что зачастую газоаналитическое оборудование, имеющее отличные технические характеристики, имеет очень слабую техническую поддержку от производителя и поставщиков, что создает очень серьезные трудности при эксплуатации и обслуживании оборудования.

Поэтому  выбор производителя газоаналитического оборудования обуславливается наличием квалифицированной технической поддержки.

Пример построения АСЭМ на базе стационарного поста контроля  на базе газоанализатора ПЭМ-2

Пост контроля на базе газоанализатора ПЭМ-2М предназначен для экологического мониторинга  уходящих газов  топливосжигающих установок.

В состав поста контроля входят:

• Газоанализатор ПЭМ-2М (модуль управления пробоотбором (включая пробоотборное устройство); линии транспортировки пробы; модуль основной (с блоком пробоподготовки и блоком аналитическим — газоанализатором ПЭМ-2М), станции сбора данных (ССД);.
• Измеритель скорости газовых потоков,
• Измеритель концентрации взвешенных частиц Пылемер-ЭКОМЕР,
• Измеритель температуры дымовых газов,
• Блочно-модульное здание (2200х3200, h-2550) для  размещения  поста контроля на базе газоанализатора ПЭМ-2М со всеми системами жизнеобеспечения (кондиционирование, отопление, освещение, пожарная сигнализация).

ПК на базе газоанализатора ПЭМ-2М

Пост Контроля на базе газоанализатора ПЭМ-2М   обеспечивает:

• Измерение концентраций  газов   O₂, CO₂,  CO,  SO₂, NO, NO₂  в уходящих газах в к Точке Измерения (ТИ).
• Расчёт  суммы оксидов азота  NOx,
• Измерение скорости потока  уходящих газов в ТИ,
• Измерение концентрации взвешенных частиц в уходящих газах в ТИ,
• Измерение температуры уходящих газов в ТИ,
• Измерение текущего атмосферного давления,
• Расчёт расхода  уходящих газов в ТИ,
• Отображение измеренных и расчётных данных на мониторе АРМ в табличном и графическом виде.
• Сбор и архивирование измеренных данных.
• Оперативную индикацию возникающих ошибок в работе поста контроля в виде всплывающих окон.
• Ведение оперативного Технологического архива, содержащего в себе список всех отработавших команд (циклов) и таблицу числовых параметров состояния оборудования  в каждый момент измерения.
• Расчёт объемов выбросов на основе данных по измерению температуры,  расхода и концентраций газов  в ТИ.
• Формирование отчётов о валовых выбросах за заявленный период.

Краткое описание оборудования

Газоанализатор ПЭМ-2М

Принцип действия газоанализатора основан на оптико-абсорбционном методе измерения поглощения инфракрасного излучения анализируемым компонентом газовой смеси. Селективность осуществляется за счёт использования узкополосных интерференционных фильтров. Используемый метод гарантирует высокую точность результатов измерений и длительный срок работы прибора без замены измерительных узлов и дополнительной калибровки. После каждого измерения газоанализатор  производит автокалибровку нуля.

Используемый метод гарантирует длительный срок работы прибора без замены измерительных узлов и дополнительной калибровки. Высокая точность замеров достигается за счет учета взаимного влияния газов друг на друга. Сбор и архивирование полученных результатов обеспечивает ССД. Архивная информация хранится в файлах с возможностью просмотра полученных результатов за любой выбранный период.

Газоанализатор ПЭМ-2М  состоит из следующих блоков:

• Модуль основной (МО), смонтирован в шкафу 600x500x1800мм., (степень защиты IP54) с кондиционером и состоящий из Блока Аналитического (газоанализатор ПЭМ-2М), модуля токовых выходов, контроллера БПП (блока подготовки пробы) и элементов газовой схемы БПП: термоэлектрического осушителя пробы, насосов пробы, воздуха и слива конденсата, газовых фильтров, влагоотделителя).
• Модуль управления пробоотбором (МУП) состоят из контроллера и системы клапанов, которые регулируют режимы подачи пробы, обратной продувки сжатым воздухом (аспирации), а также температуру фильтра пробоотборного устройства. Все элементы МУП смонтированы в шкафу, степень защиты IP
• Пробоотборное устройство (ПУ), состоит из погружного зонда и подогреваемого фильтра предварительной очистки пробы — монтируется непосредственно на газоходе в точке измерения.

Подогреваемый фильтр предварительной очистки пробы  автоматически очищается обратной продувкой сжатым воздухом.

• Линии транспортировки пробы (ЛТП), изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, Ø10х1 мм, (стыковочные узлы герметизированы фторопластовыми уплотнениями), в комплекте с греющим кабелем и теплоизоляцией.
• Станция сбора данных (ССД) осуществляет управление/слежение за комплексом, сбор, обработку, представление (табличное и графическое) и архивирование данных.

Диапазоны измерений и пределы допускаемой основной погрешности газоанализатора по измерительным каналам соответствуют приведенным в таблице 1.

*Сумма оксидов азота (NOx) — расчётная.

Структура поста контроля выбросов через ДТ на базе газоанализатора ПЭМ-2М

Климатический блок-контейнер с аппаратурой газоанализа

Газоаналитическая аппаратура с пробоподготовкой внутри ПК

Станция сбора данных

Станция сбора данных (ССД) является информационным ядром поста контроля. ССД является средством унификации информации в системе, так как формируя локальную базу данных, приводит данные к единому формату.

ССД обеспечивает выполнение следующих функций:

• прием информации от подключенных к ней средств измерения и контроля по последовательным интерфейсам RS485 и RS232;
• расчет объемных и массовых значений выбросов за указанный интервал времени;
• отображение на встроенном дисплее значений измеряемых параметров и диагностической информации;
• ведение локального архива данных измеряемых;
• обмен информацией с ПТК ВУ по проводным или беспроводным каналам связи.

Сбор данных в точке контроля с использованием ССД

Пример диагностического видеокадра ССД

Построение верхнего уровня системы

Верхний уровень системы мониторинга включает в себя Центр сбора и обработки информации, который содержит комплекс специализированных программно-аппаратных средств. В структуру Центра входят серверы, базы данных и автоматизированные рабочие места.

Программное обеспечение строится на основе SCADA системы, обеспечивающей сбор, хранение обработку и визуализацию данных, управление датчиками, базами данных и автоматизированными местами операторов

Программно-технический комплекс верхнего уровня (ПТК ВУ) обеспечивает:

• непрерывный автоматический сбор и обработку информации о концентрации химических веществ в воздухе населенного пункта, поступающей от ПК;
• отображение контролируемых параметров, диагностической информации о состоянии оборудования в форме, удобной для восприятия оператором;
• архивирование, хранение и документирование информации;
• непрерывное автоматическое сравнение текущих значений контролируемых параметров с заданными пороговыми уровнями;
• отображение аварийно-предупредительной сигнализации;

Функция «Отображение контролируемых параметров»

Программно-аппаратная реализация функции «Отображение контролируемых параметров» обеспечивает представление диспетчеру, оператору на мониторах АРМ обобщенной и/или детальной информации в виде технологических мнемосхем, гистограмм, графиков, таблиц, текстовых сообщений.

Для параметров характеризующих состояние контролируемой среды (концентрация ЗВ), отображаемая информация отражает следующие характеристики:

• нормальная эксплуатация;
• превышение установленных порогов;
• недостоверная информация.

Для параметров, характеризующих состояние оборудования, отображаемая информация отражает следующие характеристики:

• нормальная эксплуатация;
• отказ.

Отображение недостоверных данных, обнаруженных при контроле входных сигналов или техническом диагностировании, сопровождается четко различимым и однозначно понимаемым признаком недостоверности.

Отображаемые данные (видеокадры) организованы в виде системы с иерархической структурой, построенной с использованием принципа «от общего к частному».

Функция «сигнализация о превышении концентраций загрязняющих веществ»

Программно-аппаратная реализация выполнения функции обеспечивает сравнение измеренных текущих параметров выбросов с установленными порогами:

• предупредительным порогом;
• аварийным порогом.

При превышении предупредительных и/или аварийных порогов параметров, на  АРМ-оператора выдается тревожная сигнализация, сопровождаемая звуковым сигналом. При этом обеспечивается селективность сигнализации в зависимости от степени опасности (изменением цвета, миганием символов, изменением частоты звука).

Пороги срабатывания предупредительной и аварийной сигнализации согласовываются с Заказчиком и могут изменяться в процессе эксплуатации  системы.

Подтверждение (квитирование) приема тревожной сигнализации отображается на экране изменением цвета и вызывает отключение звукового сигнала.

Тревожные сообщения отображаются на мониторе АРМ в выделенной зоне экрана, не перекрываемой другими изображениями.

Функция «Архивирование информации»

Программно-аппаратная реализация функции «Архивирование информации» обеспечивает:

• архивирование информации о превышении контролируемыми параметрами предупредительных и аварийных порогов, допустимых и контрольных уровней;
• создание архивов измеренных и рассчитанных параметров для каждых отчетных суток;
• просмотр архивных файлов для создания отчетных документов;

Функция «Документирование информации»

Программно-аппаратная реализация функции «Документирование информации» обеспечивает генерацию и представление в печатном виде следующих документов:

• отчет (смена, сутки, месяц, квартал, год, за выбранный период);
• журнал событий;
• графическое и/или табличное представление архивных параметров.

Функция «Ведение базы данных «

Программно-аппаратная реализация функции «Ведение базы данных» обеспечивает автоматическое ведение базы данных по результатам измерений и обработки. В базе данных содержатся паспортные параметры датчиков, уставки на срабатывание сигнализации, коэффициенты для расчета неизмеряемых параметров. Средствами управления базой данных возможно гибко настраивать параметры системы.

Структура информационных потоков верхнего уровня АСЭМ