Do pobrania artykuł w pełnej wersji

elektroenergetyka
System monitoringu emisji zanieczyszczeń
O niepewności pomiaru
dr inż. Anna Mainka
inż. Eugeniusz Głowacki
mgr inż. Andrzej Gołębiowski
Zakład Ochrony Środowiska
Zakład Ochrony Środowiska
Zakład Ochrony Środowiska
„ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.
„ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.
„ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.
Problem monitorowania emisji zanieczyszczeń do atmosfery jest już w krajowej energetyce
dostatecznie dobrze rozpoznany co do kwestii kluczowych. Niemniej jednak wciąż jeszcze można
znaleźć zagadnienia godne omówienia. Jednym z nich jest niepewność pomiaru i jej właśnie
poświęcony jest nasz artykuł.
Z
alety automatycznych metod pomiarowych, takie jak: duża precyzja
i dokładność oznaczeń, możliwość
uzyskiwania wyników w sposób ciągły w czasie rzeczywistym, zminimalizowanie wpływu
czynnika ludzkiego na jakość otrzymywanych
wyników powodują, że metody te są bardzo
użyteczne w pomiarach emisji. Głównym zadaniem systemu ciągłego pomiaru emisji jest kontrola dotrzymania standardów emisyjnych.
Możliwe jest również wykorzystywanie
danych uzyskiwanych z systemu do naliczania opłat za gospodarcze korzystanie
ze środowiska.
Zgodnie z najlepszą dostępną
technologią (BAT)
Rozporządzenie Ministra Środowiska
z dnia 4.11.2008 r. w sprawie wymagań
w zakresie prowadzenia pomiarów wielkości emisji oraz pomiarów ilości pobieranej
wody (Dz. U. Nr 206, poz. 1291) w sposób
pośredni, obliguje operatorów systemów
monitorowania emisji do opracowania
oceny zgodności pomiarów. Jednym z dokumentów pomocnych przy wdrażaniu
nowych mechanizmów prawidłowego
monitorowania emisji zanieczyszczeń jest
„Dokument Referencyjny BAT dla ogólnych zasad monitoringu” zatwierdzony
przez Komisję Europejską, przetłumaczony i wydany przez Ministerstwo Środowiska
w lipcu 2003 roku.
Ogólnie rzecz biorąc, ocena zgodności
oznacza wykonanie statystycznego porównania pomiędzy elementami opisanymi poniżej:
• pomiarami lub podsumowaniem statystycznym oszacowanym na podstawie
•
•
pomiarów: np. percentyle z pomiarów
(taki jak 95% percentyl), oszacowane na
podstawie pomiarów muszą bazować
na tych samych warunkach i jednostkach co graniczne wielkości emisyjne
- zwykle są wartością absolutną (np. jak
w podanym powyżej Rozporządzeniu
- w mg/m3) lub podsumowaniem statystycznym, takim jak średnia roczna;
n iepewnością pomiarów, która jest
zazwyczaj oszacowaniem statystycznym (np. błąd standardowy) i może
być wyrażona jako procent zmierzonej
wartości lub wartość absolutna;
odpowiednią graniczną wielkością emisyjną lub równoważnym parametrem,
który jest zazwyczaj wielkością emisji
zanieczyszczenia (np. masowa szybkość
uwalniania lub stężenie w emitorze).
fot.: Energopomiar Sp. z o.o.
Niepewność pomiarów
Mobilne Laboratorium Pomiarów Emisji
42
Stosując automatyczny system pomiaru
do celów oceny zgodności, szczególnie
ważne jest zwrócenie uwagi na niepewności związane z pomiarami, występujące
podczas całego procesu monitoringu.
Główne źródła niepewności są związane
z poszczególnymi etapami pomiarów w ciągu otrzymywania danych, takimi jak:
• plan pobierania próbek,
• pobieranie próbki,
• w stępne przetwarzanie próbki (np.
wzbogacanie/ekstrakcja w miejscu
pobierania),
• transport/magazynowanie/utrwalanie
próbek,
Energetyka Cieplna i Zawodowa 5/2010
5_2010_energetyka.indd 42
2010-04-26 11:10:53
elektroenergetyka
•
•
rzetwarzanie próbek (np. ekstrakcja/
p
kondycjonowanie, itp.),
analiza.
Należy również rozważyć inne zewnętrzne źródła występowania niepewności, takie jak:
• niepewności pomiarów przepływu, gdy
obliczane są ładunki,
• n iepewności obróbki danych, np.
niepewności związane z brakującymi
wartościami przy obliczaniu średnich
dobowych lub innych średnich,
• niepewności z powodu rozrzutu wyników, związane z systematycznymi
różnicami (błąd systematyczny), które
mogą wystąpić pomiędzy wynikami
otrzymanymi przy badaniu tego samego
kontrolowanego parametru za pomocą
różnych obowiązujących norm,
• niepewności związane z zastosowaniem
dodatkowej metody lub parametrów
zastępczych,
• n iepewności z powodu naturalnej
zmienności (np. procesu lub warunków
pogodowych).
2.
Wiarygodność, porównywalność
6.
Praktyczna wartość pomiarów i danych
z monitoringu zależy od ich dwóch głównych
cech wiarygodności, tj. stopnia ufności, z jakim
można przyjąć wyniki oraz porównywalności, tj.
ich walidacji przy porównaniu, przykładowo
z wynikami pochodzącymi z innych instalacji,
sektorów bądź regionów lub krajów.
Aby otrzymać wyniki wiarygodne i porównywalne, istotne jest dobre zrozumienie
monitorowanego procesu. Biorąc pod
uwagę złożoność, koszty oraz późniejsze
decyzje podejmowane na podstawie danych
monitoringu, należy dołożyć starań, aby
otrzymane dane posiadały odpowiednią
wiarygodność i porównywalność. Ponieważ wyniki są na tyle niedokładne, na
ile niedokładne są poszczególne etapy
procesu otrzymywania danych, informację
o niepewności całego procesu uzyskuje
się na podstawie określenia niepewności
poszczególnych etapów.
W większości sytuacji proces otrzymywania danych można podzielić na następujące po sobie etapy:
1. Pomiar przepływu/ilości gazów odlotowych: ma on znaczący wpływ na wyniki
obliczeń całkowitego ładunku emisji.
Chociaż oznaczanie stężeń w próbce
może być bardzo dokładne, to dokładność oznaczania przepływu w czasie
pobierania próbek może się znacznie
3.
4.
5.
wahać. Drobne wahania w pomiarach
przepływu mogą potencjalnie doprowadzić do dużych różnic przy obliczaniu
ładunków.
Pobieranie próbek: jest złożoną operacją
składającą się z dwóch zasadniczych
etapów: ustalenia planu poboru próbek
oraz pobierania próbek. Ważne jest, aby
próbka była reprezentatywna.
Przygotowanie próbek: zależy głównie
od stosowanej metody analitycznej oraz
analizowanego składnika.
Analiza próbki: oznaczanie danego parametru można wykonać przy pomocy
wielu metod analitycznych. Wybór odpowiedniej metody zawsze dokonywany
jest zgodnie z potrzebami pobierania
próbek (tj. określonymi kryteriami właściwego wykonania) i zależy od wielu
czynników, w tym przydatności, dostępności i kosztów.
Przetwarzanie danych: przy prowadzeniu
monitoringu, zwłaszcza ciągłego, może
być generowana znaczna ilość danych.
Często niezbędne jest redukowanie lub
agregacja danych, aby otrzymać informację
w formacie odpowiednim dla raportu.
Raporty z badań: z dużej ilości danych
generowanych podczas monitorowania
parametru, zazwyczaj robi się podsumowanie wyników dla pewnego czasu
(godzina, miesiąc, rok).
pomiaru, jego niepewność oraz graniczna
wielkość emisji wymagają przetworzenia.
Zmierzoną wartość można wtedy
porównać z graniczną wielkością emisyjną
(standard emisyjny). Wynik porównania
można oznaczyć jedną z trzech kategorii:
1. Zgodny: zmierzona wartość jest mniejsza niż graniczna wielkość emisyjna
nawet, gdy wartość wzrasta po dodaniu
niepewności.
2. Niepewny: zmierzona wartość jest pomiędzy graniczną wielkością emisyjną
pomniejszoną o niepewność a graniczną wielkością emisyjną powiększoną
o niepewność.
3. Niezgodny: zmierzona wartość jest
większa niż wartość graniczna nawet,
jeżeli wartość pomiarowa będzie pomniejszona o niepewność.
Trzy strefy zgodności przedstawiono
schematycznie na rysunku 1. Wartości
zmierzone mogą znajdować się poniżej (tj.
są zgodne), w pobliżu (tj. są niepewne) lub
powyżej wartości granicznej (tj. są niezgodne). Zakres niepewności pomiarów określa
się jako wielkość strefy niepewności.
Strefy zgodności
Można wyróżnić kilka sposobów podejścia do monitoringu danego parametru:
• pomiary bezpośrednie,
• parametry zastępcze,
• bilanse masowe,
• obliczenia,
• wskaźniki emisji.
Nie wszystkie jednak wymienione wyżej
możliwości mogą być stosowane przy badaniu określonego parametru. Wybór zależy
od różnych czynników, w tym prawdopodobieństwa przekroczenia granicznej wielkości
emisyjnej, konsekwencji z tytułu przekroczenia granicznej wielkości emisyjnej, wymaganej
dokładności, kosztów, prostoty, szybkości,
wiarygodności itp. Wybór powinien być również dopasowany do formy, w której składniki
mogą być emitowane. W zasadzie stosowanie
metody pomiarów bezpośrednich (konkretne
ilościowe oznaczanie emitowanego związku
u źródła) jest prostsze, ale niekoniecznie
dokładniejsze.
Przed wykonaniem oceny zgodności
wszystkie trzy elementy, czyli wartość
Rys. 1. Schematyczny diagram trzech możliwych
scenariuszy przy ocenie zgodności. ELV - graniczna
wartość emisji
Jak obliczyć niepewność
Sposób obliczania niepewności pomiarowych został jednoznacznie określony
w normie PN-EN 14181 „Emisja źródeł
stacjonarnych – Zapewnienie jakości automatycznych systemów pomiarowych”.
Do końca 2008 roku, czyli momentu
zastąpienia Rozporządzenia Ministra
Środowiska z dnia 23 grudnia 2004 r. Rozporządzeniem Ministra Środowiska z dnia
4 listopada 2008 r. (Dz. U. Nr 206, poz.
1291), ocena niepewności była prowadzona
zgodnie z „Wytycznymi doboru, warunków
5/2010 Energetyka Cieplna i Zawodowa
5_2010_energetyka.indd 43
43
2010-04-26 11:10:54
elektroenergetyka
Współczynnik
A
B
C
X
Współcz. Współcz.
Typ
z.f.D
z.f.G wyliczeń
Niepewność
σ0
mg/m3USR
Wartość
t0,95
mg/m3USR
SO2
0.000 0.976 -14.62 1.000
0.000
1160
K
-
43,7
NOx
0.000 0.914 0.000 1.000
0.000
370
K
-
53
Pył
0.000 0.000 0.000 1.000
0.000
100
Z
15
-
Tab. 1. przykładowe dane pomiarowe wraz z konfiguracjami
gdzie: σ0 - niepewność podana przez Rozporządzenie Ministra Środowiska dla pomiarów, w których nie były wprowadzone
funkcje kalibracyjne.
t0,95 - poziom ufności 95% dla pomiarów, gdzie wprowadzono funkcje kalibracyjne.
σ0 i t0,95 mg/m3USR obliczono zgodnie z PN-EN14181.
Typ wyliczeń: K - wartość fizyczna liczona z funkcji kwadratowej (współczynniki A, B, C ), Z - wartość fizyczna liczona liniowo z zakresu
dolnego i górnego (współczynniki z.f.G i z.f.D)
eksploatacji, stacjonarnych systemów
ciągłego pomiaru zanieczyszczeń wprowadzanych do powietrza” - PIOŚ oraz,
w przypadku kalibracji urządzeń, zgodnie z uznaniową normą PN-EN 14181.
W Rozporządzeniu Ministra Środowiska
z dnia 4 listopada 2008 r. uściślono wymagania dotyczące oceny jakości pomiarów
i ich statystycznej obróbki.
„
dłową weryfikację jakości automatycznych
systemów pomiarowych.
Na podstawie równoległych pomiarów
kalibracyjnych każdego systemu monitoringu emisji, poza wyznaczeniem współczynników kalibracyjnych A, B, C, X oraz
współczynników zakresu dolnego i górnego, powinny również zostać wyliczone
niepewności pomiarowe poszczególnych
Głównym zadaniem systemu ciągłego pomiaru
emisji jest kontrola dotrzymania standardów
emisyjnych
pomiarowej lub na poziom zgodny z graniczną wartością emisji, a co za tym idzie
- użytkownik instalacji nie ponosi wówczas
opłat karnych za przekroczenia standardu
emisyjnego.
Automatyczny System Pomiaru (AMS)
Emisji realizowany przy pomocy urządzeń
do ciągłego odczytu, powinien być badany
i weryfikowany zgodnie z obowiązującymi
przepisami prawa (Dz. U. Nr 206, poz.
1291, zał. nr 1 pouczenia, pkt 3 „Systemy
do ciągłych pomiarów emisji do powietrza co najmniej raz w roku podlegają
procedurom zgodnym z normą PN-EN
14181, zapewniającym odpowiedni poziom jakości...”).
W przypadku, gdy któryś z elementów
niezbędnych do oceny zgodności ulegnie
zmianie należy podjąć działania korygujące, powtórzyć badania lub też wyznaczyć
nowe funkcje kalibracyjne.
Zatem w interesie operatora systemu
monitoringu jest, by zakres rutynowych
pomiarów sprawdzających uwzględniał
prawidłowe wyznaczenie niepewności
fot.: Energopomiar Sp. z o.o.
Nazwa
parametru
Wnętrze mobilnego laboratorium pomiarowego
Cyt. z punktu 5.2 pouczeń do Załącznika nr 1 Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 4 listopada 2008 r.:
„wartości przedziału ufności dla pojedynczego wyniku pomiaru określa się
zgodnie z normą PN-EN 14181.
Przyjmując, że 95% wartości przedziału ufności pojedynczego wyniku pomiaru
nie powinno przekraczać następujących
wartości wyrażonych w procentach standardu emisyjnego:
1) 20% - w przypadku dwutlenku siarki,
2) 20% - w przypadku tlenków azotu,
3) 30% - w przypadku pyłu całkowitego.”
Powyższe wymagania zostały wdrożone na podstawie dyrektywy Parlamentu
Europejskiego i Rady nr 2001/80/WE
z dnia 23 października 2001 r. w sprawie
ograniczenia emisji niektórych zanieczyszczeń do powietrza z dużych źródeł
spalania paliw (LCP).
Przyjęcie w analizie niepewności wymagań rozporządzenia umożliwia prawi-
44
parametrów w odniesieniu do ich granicznych wartości emisji. W tab. 1. zestawiono
przykładowe dane pomiarowe wraz z konfiguracjami, które na podstawie pomiarów
równoległych powinny zostać wprowadzone do komputera emisyjnego.
Porównując pomiary realizowane
przez automatyczny system monitoringu
z granicznymi wartościami emisji ELV
(standardami emisyjnymi), w całkowitej niepewności pomiarowej należy
uwzględnić niepewność σ0 powiązaną ze
standardem emisyjnym. Wprowadzenie
tej niepewności ma szczególne znaczenie
w przypadku rejestrowania przekroczeń
standardów emisyjnych lub gdy pomiar
znajduje się w zakresie niepewnym
(rysunek 1). W tych przypadkach powiększenie zakresu niepewności o σ0 ma
wymiar przede wszystkim ekonomiczny,
gdyż pozwala na przejście z poziomu
niezgodnego (przekroczenie standardu
emisyjnego o wartość większą niż niepewność pomiarowa) na poziom niepewności
oraz by zostały one wprowadzone do
komputera emisyjnego wraz z właściwym
algorytmem oceny dotrzymania standardów emisyjnych.
Wszędzie tam, gdzie dotychczas
w procesie oceny zgodności z standardami
emisyjnymi nie uwzględniano odpowiednich niepewności, wdrożenie właściwego
algorytmu będzie ewidentną korzyścią dla
operatora instalacji.
Literatura
[1] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 4
listopada 2008 r. w sprawie wymagań w zakresie
prowadzenia pomiarów wielkości emisji oraz
pomiarów ilości pobieranej wody (Dz. U. Nr
206, poz. 1291)
[2] PN-EN 14181:2005 Emisja ze źródeł stacjonarnych. Zapewnienie jakości automatycznych
systemów pomiarowych
[3] Zintegrowane Zapobieganie i Ograniczanie
Zanieczyszczeń (IPPC), „Dokument Referencyjny BAT dla ogólnych zasad monitoringu”
- Komisja Europejska, lipiec 2003.
Energetyka Cieplna i Zawodowa 5/2010
5_2010_energetyka.indd 44
2010-04-26 11:10:54