連續排放煙氣中的二氧化硫在線監測系統的製作方法

2023-06-08 00:33:36 3

專利名稱：連續排放煙氣中的二氧化硫在線監測系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於環境汙染監測技術領域。具體涉及到煙氣中二氧化硫等大氣汙染物的在線監測及計量系統。
背景技術：
燃煤鍋爐排放的煙氣中含有大量的大氣汙染物。其中二氧化硫對大氣環境造成最嚴重的汙染，形成酸雨破壞生物鏈，危害人類的生存和社會經濟發展。
我國能源的70％來自燃燒煤碳。為了減少和控制煙氣中二氧化硫的排放量，國務院決定全國所有工業汙染源排放二氧化硫必須達到排放標準，實行總量控制。在全國劃定酸雨控制區和二氧化硫汙染控制區。對蒸發量在每小時20噸以上的鍋爐實施在線監測。目前，僅兩控區內蒸發量在每小時20噸以上鍋爐的運行保有量為30萬臺。1999年國家頒布了「鍋爐大氣汙染物排放標準」，又進一步規定自2000年1月起，新改擴建的單臺容量大於14MW(20t/h)的鍋爐，必須同時安裝煙塵和二氧化硫連續監測系統。這就需要有適合中國國情，滿足執法要求的煙氣在線監測系統。
國內用來作煙氣中二氧化硫等大氣汙染物連續監測的設備尚不多見。新聞曾報導北京、大連和長春等地，有高科技公司在開發煙氣二氧化硫在線監測系統。長春大禹環保工程技術有限責任公司鑑定了《ZXJ型煙氣二氧化硫在線監測系統》產品，採用直接抽氣法，使用電化學傳感器連續檢測煙氣中的二氧化硫。效果很好，評價頗高，該系統由檢測二氧化硫濃度和檢測煙氣流量兩個子體系組成。以其為例分析技術特點。
一、檢測二氧化硫濃度子體系圖1是《ZXJ型煙氣二氧化硫在線監測系統》產品氣路圖。
1、氣路功能的分析由伸入煙道的採樣槍(1)、連接設備櫃的加熱保溫管(2)、櫃內的電磁閥(4)、致冷器(5)、二次濾塵器(6)、泵(7)、流量計(8)、電磁閥(9)和(10)、A和B檢測室(11)和(12)，連接致冷器(5)疏水口的集水罐(22)，構成被測煙氣的檢測通道。
濾塵器(13)、泵(14)、電磁閥(15)和流量計(16)，組成第一標定通道。用於標定氧氣傳感器，標定二氧化硫傳感器的「零點」。
二氧化硫標準氣瓶(17)、電磁閥(18)和流量計(19)，組成第二標定通道。用於標定二氧化硫傳感器的量程。
兩個標定通道與A、B檢測室(11)、(12)分別由電磁閥(20)和(21)連接，構成兩個標定使用的通路。
電磁閥(3)和高壓氣供氣設備，構成反向吹掃採樣槍內濾塵片的清理通路。
2、檢測煙氣中二氧化硫和氧的濃度啟動泵(7)開啟電磁閥(4)直接從煙道中抽菸氣，經採樣槍(1)和加熱保溫管(2)進致冷器(5)降溫脫水，冷凝水進集水罐(22)，煙氣經二次濾塵器(6)，由流量計(8)控制流量，開電磁閥(9)或電磁閥(10)，被檢煙氣進入分別設有二氧化硫和氧氣傳感器的檢測室A(11)或檢測室B(12)。傳感器對應輸出煙氣中含二氧化硫和氧氣濃度的電信號。連同檢測室內煙氣溫度和大氣壓力的電信號，同時送入自行設計的測濃度單片機中計算濃度。需要控制的泵、電磁閥和其他元器件，由單片機執行。
3、標定傳感器圖1的氣路可以在不中斷檢測工作的同時，標定傳感器。若A檢測室在檢測煙氣，同時可以對B檢測室內傳感器進行標定。反之亦可。其程序是泵(14)抽經濾塵器(13)過濾的乾淨空氣，開啟電磁閥(15)和(21)，經流量計(16)控制流量，進入B檢測室。完成B室的氧氣傳感器和二氧化硫傳感器「零點」的標定後，仃泵(14)，關閉電磁閥(15)。開啟電磁閥(18)，標氣並(17)中的二氧化硫標準氣，經流量計(19)控制流量，通過已開啟的電磁閥(21)進入B檢測室，標定二氧化硫傳感器的量程。若B檢測室處於檢測煙氣狀態，在上述的程序中，只要開電磁閥(20)而不是開電磁閥(21)。其他動作完全相同。標定過程與檢測過程都是由單片機自行管理。
二、檢測煙氣流量子體系為了準確測量煙氣的流量，必須測量煙道內煙氣的溫庋，絕對壓力、絕對溼度和平均流速，結合煙道的截面積，就能準確地計算出煙氣的流量。
為此，必須在煙道內，按規程設置測煙氣溫度的溫度變送器、測煙氣壓力的絕對壓力變送器、測煙氣含水量的溼度變送器，以及測量煙氣流速的差壓變送器。四種變送器按常規設置，這裡不另出圖表示。各變送器在煙氣中檢測出的標準電信號，送進另一臺單片機中計算單位時間內煙氣的流量。
檢測出二氧化硫的質量濃度與同步測量出單位時間內煙氣流量的乘積，就是該時間內的二氧化硫排放量。
該系統的優點在於1、有A、B檢測室可以切換檢測，保證煙氣檢測和傳感器標定同時進行，互不影響，不幹擾，附合在線檢測的要求。同時，實踐證明設雙檢測室有效地延長電化學傳感器的使用壽命。
2、能測出煙氣中的氧含量，就能夠計算出來在標準狀態下，幹煙氣中二氧化硫的質量濃度。
3、用標準狀態下幹煙氣中二氧化硫的質量濃度，計算出某段時間內排放二氧化硫的數量，這是國家規定的執法依據。
本實例「系統」和其他系統目前尚不能解決的問題有1、電化學傳感器在使用中，會出現「零點、」和「量程」漂移現象，這是由於傳感器本身結構決定的，不能克服。所以國家在相關的標準中，規定了測定傳感器的「零點」漂移量和「量程」漂移量，只要在規定的範圍內，認為是允許的。本實例「系統」和其他系統，為減少由傳感器漂移而導至的不準確度，只能採用較頻標定傳感器的手段，來保證使用，為此消耗是很大的。
只有實現自動修正傳感器「零點」和「量程」上各點的漂移，才能保證檢測的準確性。
2、被檢煙氣在降溫脫水等環節的處理過程中，其中部分二氧化硫等汙染物被溶解吸收而減少，所以傳感器測量值肯定要小於真實值。這部分損失不能得到補償，也直接影響檢測的準確度。只有實現自動補償被吸收的減少量，才能保證檢測的準確性。

發明內容
一、目的為了實現自動修正傳感器「零點」和「量程」上各點的漂移；為了實現自動補償被吸收的減少量，確保檢測準確度提出本發明。本發明將圖1氣路中兩個檢測室共用一個驅動泵不獨立的測氣通道，改為兩個完全獨立的煙氣檢測通道。兩個標定通道與兩個檢測通道之間，有不同閥門控制，形成四個供標定使用的通路，用來實現修正傳感器的漂移和補償吸收損失。
為了保證產品能夠規範化生產，電氣線路採用工業自動化模塊式結構。在計算機上雙工實現數據處理和控制執行器件。計算機上留有功能擴展平臺，可以進一步用來檢測氮氧化物和一氧化碳等煙氣中其他大氣汙染物。
二、結構與連接本發明「連續排放煙氣中的二氧化硫在線監測系統」的氣路見圖2。可在圖1的基礎上增加電磁閥(23)、電子致冷器(24)、膜式二次濾塵器(25)、隔膜泵(26)、不鏽鋼浮子流量計(27)和密封的集水罐(30)等六個部件。圖1中電磁閥(9)、(10)改位為電磁閥(28)和電磁閥(29)構成一個全新的氣路。
說明1、每個電磁閥都有入口端和出口端之分，圖1和圖2中電磁閥圖形下的箭頭表示氣體流動方向，箭頭所指方向為出口端，另一端則為入口端。
2、由於檢測室內置氣體傳感器排列有序，亦決定檢測室有入、出口端之分，檢測氣體進入方向為入口端。
3、電子致冷器設置目的是煙氣降溫脫水，在結構上除氣體的進出口，還有排出冷凝水的疏水口。
氣路圖2的連接，其特徵是電磁閥(4)出口端依次串接致冷器(5)、二次濾塵器(6)、泵(7)、流量計(8)、A檢測室(11)集水罐(22)排水管接致冷器(5)疏水口，導氣管並接在電磁閥(4)出口端上(組成第一檢測通道)；電磁閥(23)出口端依次串接致冷器(24)、二次濾塵器(25)、泵(26)、流量計(27)、B檢測室(12)，集水罐(30)排水管接致冷器(24)疏水口，導氣管接電磁閥(23)出口端上(組成第二檢測通道)；濾塵器(13)接泵(14)、接電磁閥(15)入口端，其出口端接流量計(16)(組成第一標定通道)；標氣並(17)接電磁閥(18)入口端，其出口端接流量計(19)(組成第二標定通道)；流量計(16)、(19)出口並接，並與4支電磁閥(20)、(21)、(28)、(29)入口端並接；電磁閥(20)出口端接A檢測室(11)入口端(形成第一個標定通路)；電磁閥(21)出口端接B檢測室(12)入口端(形成第二個標定通路)；電磁閥(28)出口端接電磁閥(4)出口端(形成第三個標定通路)；電磁閥(29)出口端接電磁閥(23)出口端(形成第四個標定通路)；採樣槍(1)接加熱保溫管(2)(為採氣通路)；電磁閥(3)入口端接高壓氣源(為高壓氣清掃通路)，其出口端與加熱保溫管(2)另一端連接，再與電磁閥(4)、(23)入口端並接，即完成氣路的連接。
A、B檢測室(11)、(12)內部設置相同的傳感器。傳感器的排列見圖3，從被測煙氣的入口先後依次設二氧化硫傳感變送器(32)、(31)和氧氣傳感變送器(34)、(33)。功能擴展可以進一步測氮氧化物和一氧化碳等大氣汙染物，則需要依次安裝二氧化硫過濾器、氮氧化物傳感變送器、氮氧化物過濾器和一氧化碳傳感變送器。
電氣線路由計算機、RS-485傳輸線、熱電阻輸入模塊、模擬量輸入模塊、繼電器輸出模塊、分布式數據採集控制器、鉑電阻、變送器和執行器件組成。在計算機上雙工實現數據處理和控制執行器件。
電路圖4的連接，其特徵是熱電阻輸入模塊(35)、(36)、(37)的輸入端接部件上的鉑電阻(Pt100)，模擬量輸入模塊(38)、(39)的輸入端接變送器，繼電器輸出模塊(40)、(41)、(42)的輸出端接執行器墊；熱電阻輸入模塊(35)、(36)、(37)及模擬量輸入模塊(38)、(39)輸出端和繼電器輸出模塊(40)、(41)、(42)輸入端插接在分布式數據採集控制器(43)，數據採集控制器(43)接RS-485傳輸線(44)的一端，傳輸線(44)另一端接RS-485與RS-232轉換卡(45)，轉換卡(45)接計算機(46)。
熱電阻輸入模塊、模擬量輸入模塊的輸入端和繼電器輸出模塊的輸出端的端子，分別與圖2、圖3中的器件具體連接位置見圖5。
三、效果1、檢測開啟電磁閥(4)與泵(7)，被檢煙氣經採樣槍(1)，加熱保溫管(2)、電磁閥(4)、致冷器(5)、二次濾塵器(6)、泵(7)、流量計(8)進入A檢測室(11)，由A檢測室內的傳感器完成檢測，輸出電信號。
開戶電磁閥(23)與泵(26)，被檢煙氣經採樣槍(1)、加熱保溫管(2)、電磁閥(23)、致冷器(24)、二次濾塵器(25)、泵(26)、流量計(27)進入B檢測室(12)，由B檢測室內的傳感器完成檢測，輸出電信號。
只需要作到電磁閥(4)、泵(7)與電磁閥(23)、泵(26)的供電切換，就能實現兩個檢測通道的檢測切換。
以下重點闡述在某一檢測通道進行檢測的同時，對另一個沒有作檢測的通道施以標定，用來實現修正傳感器的漂移和補償汙染物被吸收的損失。
2、修正傳感器的「零點」和「滿量程」漂移操作過程以修正A室內的二氧化硫傳感器為例。
首先，開啟泵(14)和電磁閥(15)打開第一標定通道，經濾塵器(13)過濾的乾淨空氣，開啟電磁閥(20)進入A檢測室(11)，空氣用來標定A室內二氧化硫傳感器的「零點」，若「零點」有漂移，新標定出「零點」數值與原來存貯在計算機裡的「零點」數值不同，求其之差稱為「零點」漂移值。標完關閉泵(14)和電磁閥(15)。然後，開啟電磁閥(18)打開第二標定通道導入濃度接近「滿量程」的二氧化硫標準氣。通過已經開啟的電磁閥(20)進入A檢測室(11)，標定A室內二氧化硫傳感器的「滿量程」，新標出「 滿量程」數值與原來存貯在計算機裡「滿量程」數值之差，稱為「滿量程」漂移值。標定完成關閉電磁閥(18)、(20)。將二氧化硫濃度從「零點」到「滿量程」設定在坐標的橫軸上，縱軸設定為漂移值。已經標定出「零點」和「滿量程」漂移值，可以在坐標上確定兩個點，由這兩個點構成一條直線。這條直線就是A檢測室中的二氧化硫傳感器漂移線。當傳感器測出濃度時，實際上是包含有漂移量的。某濃度在漂移線上對應的漂移值就是修正量。所以A室二氧化硫傳感器測定值減掉修正量，即是A室二氧化硫傳感器測出經過修正漂移後，二氧化硫的濃度值。對於B室二氧化硫傳感器修正完全相同，只要開啟電磁閥(21)重複上述動作即可。所以修正二氧化硫傳感器「零點」和「滿量程」漂移的計算公式可以寫成 3、補償檢測通道吸收的損失量操作過程以補償第一檢測通道吸收二氧化硫的損失量為例。標定時採用低(濃度小於「滿量程」20％)和高(濃度大於「滿量程」80％)兩種濃度的二氧化硫標準氣。
開啟電磁閥(18)打開第二標定通道導入低濃度二氧化硫標準氣，先開啟磁閥(20)，標定A室(11)內的二氧化化硫傳感器，標定完成關閉電磁閥(20)。再開啟電磁閥(28)，標定第一檢測通道，標定完成關閉電磁閥(28)、(18)。計算出兩次標定數值的差值，該值表示低濃度二氧化硫標準氣經過第一檢測通道時，被吸收的損失量，稱為低濃度損失量。取下低濃度標準氣瓶(17)，改換高濃度二氧化硫標準氣瓶，重複以上操作過程。完成標定後。計算出兩次標定數值的差值，該值表示高濃度二氧化硫標準氣經過第一檢測通道時，被吸收的損失量，稱為高濃度損失量。將二氧化硫濃度設定在坐標的橫軸上，縱軸表示被吸收的損失量。已經確定的低、高濃度損失量可以在坐標上決定兩個點，由此形成的直線稱為被吸收的損失線。在傳感器測出不同濃度時，實際上損失量已經損失掉測不出來，但某濃度在損失線上對應的損失量就是補償量。所以A室二氧化硫傳感器測定值經過漂移修正後，再加上損失量就是測量的準確值。對於第二檢測通道補償也完全相同，只要分別開啟電磁閥(21)、(29)重複上述動作即可。所以補償吸收損失量計算公式可以寫成


圖1「ZXJ型煙氣二氧化硫在線監測系統」氣路圖。
圖2本發明「連續排放煙氣中的二氧化硫在線監測系統」氣路圖，也是摘要附圖。
圖3本發明「連續排放煙氣中的二氧化硫在線監測系統」中檢測室內部設置圖。
圖4本發明「連續排放煙氣中的二氧化硫在線監測系統」電路圖。
圖5本發明電路中端子與器件連接圖。
圖2、圖3和圖4中各元器件代號的說明1、採樣槍；2、加熱保溫管；3、電磁閥；4、電磁閥；5、致冷器；6、濾塵器；7、泵；8、流量計；11、A檢測室；12、B檢測室；13、濾塵器；14、泵；15、電磁閥；16、流量計；17、標氣並；18、電磁閥；19、流量計；20、電磁閥；21、電磁閥；22、集水罐；23、電磁閥；24、致冷器；25、濾塵器；26、泵；27、流量計；28、電磁閥；29、電磁閥；30、集水罐；31、B室二氧化硫傳感變送器；32、A室二氧化硫傳感變送器；33、B室氧氣傳感變送器；34、A室氧氣傳感變送器；35、熱電阻輸入模塊；36、熱電阻輸入模塊；37、熱電阻輸入模塊；38、模擬量輸入模塊；39、模擬量輸入模塊；40、繼電器輸出模塊；41、繼電器輸出模塊；42、繼電器輸出模塊；43、分布式數據採集控制器；44、RS-485傳輸線；45、RS-485與RS-232轉換卡；46、計算機。
實現方式參照圖2、圖3、圖4和圖5，提出對元器件的技術要求，以實現本發明。相同元器件合為一組，每組序號按器件代號從小到大依次排列。
1、採樣槍(1)採用不鏽鋼材料數種規格，自行設計製造。採樣槍內置一片規格為φ40×2mm，孔隙為15～25μm的不鏽鋼粉末燒結濾塵片。其內設一支電加熱帶，規格為功率200瓦，交流220伏供電。
2、加熱保溫管(2)採用有售商品。其規格為輸氣中心管用φ7×1mm聚四氟乙烯管，管外敷導電橡膠加熱帶，每米長功率36瓦，交流220伏供電。其外層是玻璃絲保溫材料。
3、電磁閥(3)、(4)、(23)公稱通徑3mm，二位二通，無曳漏，常閉型不鏽鋼電磁閥。承受壓力小於1.5Mpa，使用溫度為0～180℃，直流24伏供電。
4、致冷器(5)、(24)採用規格為直流電壓12伏，電流8安的電子致冷片。機械部分由自行設計製造。
5、濾塵器(6)、(13)、(25)採用規格為中40×2mm，孔隙為10～15μm的不鏽鋼粉末燒結濾塵片，自行設計製作不鏽鋼殼體，濾片置於其中。
6、泵(7)、(26)採用耐腐蝕隔膜泵，最大流量為5.5L/min，吸程壓力-15KPa，揚程壓力+10KPa交流220伏供電。
7、流量計(8)、(16)、(19)、(27)
採用量程為0.16～1.6L/min不鏽鋼可調節浮子流量計。
8、檢測室(11)、(12)採用防磁薄板，自行設計製造。
9、泵(14)採用膜式振動空氣泵。流量1.5～2L/min，揚程壓力+10Kpa。
10、電磁閥(15)、(18)、(20)、(21)、(28)、(29)公稱通徑3mm，二位二通，無曳漏，常閉型不鏽鋼電磁閥。承受壓力小於1.5Mpa，使用溫度0～60℃，直流24伏供電。
11、標準氣並(17)採用8L容積的標準氣瓶(包括連接件)，分別裝有不同濃度二氧化硫標準氣，直接從廠家購買。
12、集水罐(22)、(30)容積1.5L，採用不鏽鋼自行設計製作。保證罐體與封蓋密封良好。
13、二氧化硫傳感變送器(31)、(32)量程0～2000PPm靈敏度0.10～0.15±0.02μA/ppm變送器輸出1～5V14、氧氣傳感變送器量程0～100％傳感器輸出10.0～15.5mv變送器輸出1～5v15、熱電阻輸入模塊(35)、(36)、(37)16位分辯率3個熱電阻輸入通道(端子)。可配二線、三線或四線鉑電阻(Pt100)。
牌號ADAM5013《研華科技》產品。
16、模擬量輸入模塊(38)、(39)16位分辯率8個模擬量輸入通道(端子)。
可以在軟體上設定mV、V、mA等不同輸入類型和範圍。
牌號ADAM5017《研華科技》產品17、繼電器輸出模塊(40)、(41)、(42)6個繼電器輸出通道(端子)觸點容量AC250，0.3A；DC30V，2A。
牌號ADAM5060《研華科技》產品18分布式數據採集控制器(43)內置實時時鐘，看門狗定時器採用ASCII命令/響應通訊協議8個I/O槽，傳輸速度115.2Kbps牌號ADAM5000E/485《研華科技》產品18、RS-485信號傳輸線(44)長度視現場需要設。
20、RS-485與RS-232轉換卡(45)牌號PCL745B《研華科技》產品。
21、計算機(46)只要滿足使用的技術指標要求，品牌不限。
硬體環境CPU PIII600MHz以上；硬碟佔用空間20MB以上內存64MB以上
22、其他(1)溼度變送器1支量程0～100％RH 精度0.2％ 使用溫度180℃以上輸出1～5V(2)溫度變送器1支量程0～200℃精度0.2％ 輸出1～5V(3)絕對壓力變送器2支量程0～100KPa 精度0.2％ 輸出1～5V(4)差壓變送器1支量程0～1.5KPa 精度0.2％ 輸出1～5V(5)導氣管採用φ9×2mm矽橡膠管或中7×1mm聚四氟乙烯管。
(6)排水管採用中12×2mm矽橡膠管。
權利要求
1.「連續排放煙氣中的二氧化硫在線監測系統」氣路的連接，其特徵是電磁閥(4)出口端依次串接致冷器(5)、二次濾塵器(6)、泵(7)、流量計(8)、A檢測室(11)，集水罐(22)排水管接致冷器(5)疏水口，導氣管並接在電磁閥(4)出口端上；電磁閥(23)出口端依次串接致冷器(24)、二次濾塵器(25)、泵(26)、流量計(27)、B檢測室(12)，集水罐(30)排水管接致冷器(24)疏水口，導氣管並接在電磁閥(23)出口端上；濾塵器(13)接泵(14)、接電磁閥(15)入口端，其出口端接流量計(16)；標氣並(17)接電磁閥(18)入口端，其出口端接流量計(19)；流量計(16)、(19)出口並接，與四支電磁閥(20)、(21)、(28)、(29)入口端並接；電磁閥(20)出口端接A檢測室(11)入口端；電磁閥(21)出口端接B檢測室(12)入口端；電磁閥(28)出口端接電磁閥(4)出口端；電磁閥(29)出口端接電磁閥(23)出口端；採樣槍(1)接加熱保溫管(2)；電磁閥(3)入口端接高壓氣源，其出口端與加熱保溫管(2)另一端連接，再與電磁閥(4)、(23)入口端並接。
2.「連續排放煙氣中的二氧化硫在線監測系統」電路的連接，其特徵是熱電阻輸入模塊(35)、(36)、(37)的輸入端接鉑電阻(Pt100)，模擬量輸入模塊(38)、(39)輸入端接變送器，繼電器輸出模塊(40)、(41)、(42)輸出端接執行器件；熱電阻輸入模塊(35)、(36)、(37)及模擬量輸入模塊(38)、(39)輸出端和繼電器輸出模塊(40)、(41)、(42)輸入端插接分布式數據採集控制器(43)，數據採集控制器(43)接RS-485傳輸線(44)一端，傳輸線(44)另一端接RS-485與RS-232轉換卡(45)，轉換卡(45)接計算機(46)。
全文摘要
「連續排放煙氣中的二氧化硫在線監測系統」屬環境汙染監測技術領域。應用在對煙氣中二氧化硫等汙染物作在線監測和計量。本發明用直接抽氣法，由電化學傳感器檢測電信號。氣路設計獨特，煙氣檢測和傳感器標定可以同時進行，不幹擾。確保實現修正傳感器「零點」、「滿量程」漂移和補償汙染物被吸收損失部分之目的。電氣線路是模塊式結構。計算機雙工完成數據處理和控制執行器件。即有利於規範化生產，又有利於系統功能的擴充。系統性能可靠、操作簡便、數據準確，滿足國家執法要求。
文檔編號G01N35/00GK1439879SQ0210299
公開日2003年9月3日 申請日期2002年2月18日 優先權日2002年2月18日
發明者李撫生 申請人:李撫生