optyczny system pomiarów ciągłych emisji pentol

Wrzesień 2008
PENTOL - ENVIRO POLSKA Sp. z o.o.
Osiedle Piastów 21B, 31-624 Kraków
Tel. +48 12 686 36 86, fax +48 12 686 11 01
www.pentol.pl, e-mail: [email protected]
OPTYCZNY SYSTEM POMIARÓW CIĄGŁYCH EMISJI
PENTOL-CODEL
1. POMIAR OPTYCZNY „IN SITU” W PORÓWNANIU Z INNYMI METODAMI POMIAROWYMI.
Stosowana obecnie nowoczesna aparatura do monitoringu emisji dzieli się na dwie zasadnicze
grupy ze względu na miejsce dokonania pomiaru:
¾ metodę "in situ", tzn. w strumieniu przepływających spalin;
¾ metodę ekstrakcyjną, tzn. z poborem próbki ze strumienia spalin i przetłoczeniem jej do
urządzenia pomiarowego.
Skład mierzonego gazu określany jest drogą pomiaru jego własności fizykochemicznych. Jednym
z uznanych sposobów jest pomiar własności optycznych (stopnia pochłaniania promieniowania
widzialnego, podczerwonego lub ultrafioletowego o określonej częstotliwości) przy zastosowaniu
zarówno metody "in situ", jak i ekstrakcyjnej.
Obie wspomniane wyżej metody pomiarowe są powszechnie dopuszczone do stosowania,
jednakże dobrze zaprojektowany pomiar "in situ", zwłaszcza działający na zasadzie optycznej
charakteryzuje się istotnymi zaletami, a przede wszystkim:
¾ naturalnymi warunkami pomiaru eliminującymi zafałszowanie składu na drodze przepływu i
przygotowania próbki;
¾ wysoką niezawodnością i minimalizacją czynności obsługowych na skutek braku
konieczności stosowania elementów związanych z przesyłem i obróbką mierzonego gazu;
¾ uśrednianiem pomiaru wzdłuż osi ścieżki optycznej (dotyczy zwłaszcza pomiaru pyłu, gdzie
rozbieżności na szerokości kanału spalin mogą być znaczne);
¾ łatwością przeprowadzenia kalibracji – najnowsza konstrukcja mierników wielogazowych
umożliwia kalibrację zera oraz kontrolę zakresu za pomocą gazów wzorcowych w dowolnym
stanie ruchowym – opcja ta była wcześniej możliwa tylko w przypadku mierników
ekstrakcyjnych;
W dalszej części przedstawiono rozwiązania zastosowane w optycznych miernikach „in situ”
produkcji brytyjskiej firmy CODEL INTERNATIONAL, reprezentowanej na rynku polskim przez
PENTOL-ENVIRO POLSKA.
2. OPTYCZNE POMIARY ZANIECZYSZCZEŃ GAZOWYCH
Opracowane i wdrożone przez CODEL wielogazowe analizatory typu G-CEM 4000 służą do
pomiaru SO2, NOx, CO, CO2, HCl, pary wodnej i w wykonaniu specjalnym innych gazów. Jeden
przyrząd może mierzyć stężenie do siedmiu gazów spośród wymienionych powyżej.
Pomiar stężenia gazów wykorzystuje zjawisko absorpcji promieniowania podczerwonego o
określonej częstotliwości przez poszczególne gazy.
Miernik składa się z głowicy pomiarowej zawierającej elementy nadajnika i odbiornika oraz sondy
pomiarowej. Promieniowanie podczerwone przechodzi przez strefę pomiarową sondy i wraca do
odbiornika po odbiciu w zwierciadle pokrytym rodem. Strefa pomiarowa jest wypełniona
Strona 1 z 8
mierzonym gazem, który przedostaje się do wnętrza sondy przez filtry dyfuzyjne zatrzymujące pył.
Wewnątrz odcinka pomiarowego rury kalibracyjnej znajduje się więc gaz odpylony o składzie
zgodnym ze strumieniem spalin w kanałach lub kominie. Doświadczenie potwierdza, że dyfuzja
gazu przez filtry jest na tyle szybka, że nie zauważa się dodatkowej bezwładności wskazań przy
zmianie stężeń mierzonych gazów. Strefa pomiarowa ma długość 0,5 do 1m, a łączna długość
sondy wynosi w zależności od wersji 0,6 do 1,8m. Widok analizatora przedstawia rysunek 1.
Przestrzeń pomiarowa połączona jest z instalacją powietrza sprężonego (suchego i
oczyszczonego). Jego podanie umożliwia całkowite usunięcie spalin z wnętrza rury kalibracyjnej,
a więc stworzenie warunków zerowych niezależnie od składu gazów w kanale lub kominie.
Procedura kalibracji zera prowadzona jest automatycznie w zaprogramowanych odstępach
czasu, lub na życzenie w dowolnym momencie.
Jako opcję przewidziano możliwość podłączenia butli z gazami wzorcowymi, co umożliwi
przeprowadzenie wraz z kalibracją zera również kontroli wskazań w punktach pracy.
Wszystkie mierniki są wyposażone w wyjścia analogowe i cyfrowe do współpracy ze
Zintegrowanym Systemem Monitoringu Emisji oraz dwustanowe (sygnalizacyjne).
Zastosowany procesor umożliwia wybór czasu uśredniania na czterech definiowanych przez
użytkownika poziomach w zakresie od 10 sekund do 30 dni.
Dokładność wskazań pomiarów stężeń wynosi 2% wartości mierzonej.
Analizator posiada brytyjski certyfikat zgodności z normami monitoringu emisji – MCERTS.
Rysunek 1 Widok ogólny miernika wielogazowego Codel typ 4000
Sposób zabudowy miernika na obiekcie przedstawia rysunek nr 2.
Rysunek 2. Sposób zabudowy analizatora wielogazowego G-CEM 4000
Strona 2 z 8
Analizator zawiera zintegrowane mierniki temperatury i ciśnienia bezwzględnego, co upraszcza
połączenia między elementami systemu.
Zintegrowany z analizatorem sterownik lokalny (SCU) zawiera procesor miernika, a jednocześnie
pełni rolę zasilacza i bufora danych nie tylko dla analizatora gazowego, ale również dla
zamontowanego na tym samym obiekcie pyłomierza i ew. przepływomierza.
3. PYŁOMIERZE
Przyrządy optyczne do pomiaru stężeń pyłu wykorzystują zjawisko liniowej zależności stopnia
pochłaniania (ekstynkcji) światła widzialnego od stężenia pyłu (a ściślej od iloczynu stężenia
przez długość ścieżki pomiarowej). Współczynnik proporcjonalności zależy od własności
optycznych mierzonego pyłu i z wystarczającą dokładnością można przyjąć, że dla danego
rodzaju obiektu, jak np. kotła węglowego, cementowni, spiekalni rud jest wielkością stałą. Musi
być on jednakże empirycznie określony w ramach pomiarów kalibracyjnych po zainstalowaniu i
wprowadzony do pamięci miernika.
Pyłomierz typ D-CEM 2000/2100 jest wyposażony w układ kalibracji punktu zerowego podczas
przepływu spalin - a więc może znaleźć zastosowanie również dla procesów ciągłych oraz
kominów zbierających spaliny z kilku źródeł emisji. Układ kompensacji zanieczyszczeń
powierzchni optycznych zapewnia precyzyjny pomiar również dla niskich poziomów zapylenia.
Miernik (rys. 3) składa się z dwóch identycznych zespołów nadajnik-odbiornik i elektronicznego
zespołu pomiarowo-sterującego. Źródłem światła są diody elektroluminescencyjne (LED)
świecące na przemian.
W wybranych przez użytkownika odstępach czasu zostaje zainicjowana procedura kalibracyjna
dla zerowego zaczernienia. Każdy z nadajników-odbiorników jest kalibrowany indywidualnie,
dzięki czemu w odróżnieniu od innych systemów, zanieczyszczenie układów optycznych jest
automatycznie kompensowane. Najnowsza wersja przyrządu umozliwia dodatkowi weryfikację
wskazań w wybranym punkcie zakresu pomiarowego.
Przyrząd oferuje możliwość odczytu wartości pomiaru w postaci zaczernienia (w procentach lub
jednostkach Ringelmana), ekstynkcji bądź (po wprowadzeniu charakterystyki) - stężenia pyłu,
mierzonego w miligramach na rzeczywisty lub normalny metr sześcienny. Charakterystyka
określana jest empirycznie podczas pomiarów kontrolnych, wykonywanych metodą
grawimetryczną. Zakres wskazań ustawiany jest indywidualnie w zależności od spodziewanego
poziomu zapylenia.
Dokładność wskazań wynosi 0,2% zaczernienia.
Rysunek 3. Sposób montażu pyłomierza typ G-CEM2000.
Strona 3 z 8
4. POMIAR / OBLICZANIE PRZEPŁYWU SPALIN
Dla uzyskania wartości emisji bezwzględnej (w jednostkach masy na jednostkę czasu) niezbędna
jest znajomość, oprócz wartości stężeń, również wartości przepływu spalin. Tradycyjne pomiary
przepływu obarczone były dużą zawodnością z uwagi na wysoką temperaturę i duże
zanieczyszczenie medium.
Firma CODEL stosuje nie wymagającą kontaktu ze spalinami metodę korelacji poprzecznej.
Prędkość przepływu mierzonego gazu jest określona (rys. 4) w funkcji czasu przepływu
identyfikowanych przez procesor miernika naturalnych zaburzeń promieniowania
podczerwonego w strudze spalin między punktami pomiarowymi o znanej odległości.
Miernik V-CEM 5000 składa się z dwóch odbiorników mierzących natężenie promieniowania
podczerwonego przepływającego gazu oraz procesora.
Zakres pomiarowy może być ustawiany od 1do 50 m/s, dokładność wskazań wynosi 2%.
Drugi czujnik
Pierwszy czujnik
Proste procedury matematyczne realizowane w
mikroproceso rze
pozwalają
obliczyć
czas
przepływu
odpowiadający
maksymalnemu
nałozeniu się sygn ałów z ob u czujników.
Rysunek 4. Zasada działania i typowa konfiguracja przepływomierza spalin typ V-CEM 5000
Jako alternatywę dla bezpośredniego pomiaru przepływu spalin Pentol proponuje obliczanie
przepływu. Opracowano kilka alternatywnych wariantów algorytmu obliczeń w zależności od
rodzaju kotła oraz uzgodnień z Użytkownikiem i Władzami Ochrony Środowiska.
Metoda obliczeniowa jest znacznie tańsza od pomiaru przepływu.
5. POMIARY WYMAGANE PRZY SPALANIU PALIW ALTERNATYWNYCH
Pentol oferuje systemy monitoringu emisji w najszerszym zakresie wymaganym w Załączniku 6
do Rozporządzenia Ministra środowiska z dn. 23.12.2004r. w sprawie pomiarów wielkości emisji
(Dz.U. nr 283, poz. 2842), a więc dla instalacji spalania lub współspalania odpadów. Oprócz SO2,
NOx, CO, CO2 i współczynnika wilgotności, wymagany jest jeszcze pomiar następujących
substancji gazowych:
-
HCl – mierzonego za pomocą analizatora Codel G-CEM 4000;
-
HF – mierzonego za pomocą optycznego analizatora spalin „In situ” Norsk Elektro
ptikk LaserGas;
-
Substancji organicznych w postaci gazów i par wyrażonych jako całkowity węgiel
organiczny – mierzonych za pomocą analizatora Thermo-FID MK.
Pentol zainstalował w ostatnim okresie rozszerzone systemy monitoringu emisji w trzech
cementowniach.
Strona 4 z 8
6. ZINTEGROWANY SYSTEM MONITORINGU EMISJI
W wielu obiektach energetycznych i przemysłowych istnieje, bądź będzie w niedalekiej
przyszłości istniała konieczność zainstalowania zestawu mierników do pomiaru emisji
zanieczyszczeń. PENTOL-CODEL oferuje sprawdzone rozwiązanie w postaci Inteligentnego
Systemu Monitoringu Emisji. Opis poszczególnych elementów systemu i przykładowe
konfiguracje przedstawiono poniżej.
Typowe konfiguracje systemu
W przypadku zabudowy systemu na kominie lub kanale ewakuującym spaliny z całego kotła,
konfiguracja zakłada rozmieszczenie zestawu mierników na każdym kominie (kanale) ze wspólną
jednostką centralną i komputerem.
Typową konfigurację systemu monitoringu emisji dla kominów lub kanałów spalin
przyporządkowanych jednemu lub kilku kotłom (bądź innym źródłom emisji) przedstawia rys. 5.
Jest to konfiguracja maksymalna, obejmująca zakres pomiarów jak dla instalacji spalania lub
współspalania odpadów. Dla instalacji energetycznego spalania paliw należy pominąć pomiary
wymienione powyżej w rozdziale 5. Pojemność systemu umożliwia podłączenie do 12 grup
pomiarowych.
4000
4000
GCC
O2
2000
GCC
O2
2000
5000
HF
5000
HF
FID
FID
SCU
SCU
Objaśnienia:
4000
– analizator optyczny „in situ” wielogazowy Codel G-CEM4000
GCC
– sterownik kalibracji
O2
– tlenomierz cyrkonowy
2000
– pyłomierz optyczny Codel D-CEM2000
5000
– przepływomierz optyczny spalin V-CEM5000
SCU
– sterownik lokalny
FID
– analizator całkowitego węgla organicznego JCT typ Thermo FID MK
HF
– analizator optyczny „In situ” LaserGas
Rysunek 5. Przykładowa Konfiguracja Zintegrowanego Systemu Monitoringu Emisji dla dwóch
kominów
System zapewnia normalizację wielkości mierzonych. Parametrami normalizującymi są:
temperatura, ciśnienie, wilgotność i zawartość O2. Wilgotność spalin mierzona jest w mierniku
wielogazowym, pozostałe wielkości za pomocą mierników zewnętrznych. Wartości stężeń mogą
Strona 5 z 8
być alternatywnie przedstawione w postaci mg/m3 lub mg/Nm3, w przeliczeniu na stałą
zawartość O2 i/ lub na spaliny suche.
Cyfrowa magistrala danych służy do zapewnienia dwukierunkowej transmisji danych między
elementami systemu a jednostką centralną. Dla zapewnienia prawidłowej pracy systemu
wystarczające jest połączenie w szereg (w dowolnej konfiguracji) wszystkich elementów systemu
czterożyłowym przewodem ekranowanym. Zapewnia to znaczną oszczędność przewodów,
zwłaszcza w przypadku rozczłonkowania przyrządów w terenie. Długość magistrali danych może
wynosić (w wykonaniu standardowym) do jednego kilometra.
Sterownik Centralny (CDC) umożliwia dwukierunkową komunikację pomiędzy wchodzącymi w
skład systemu miernikami i modułami a komputerem. Elementami łączącymi są: w kierunku
obiektu - magistrala danych i sterowniki lokalne (SCU), a w kierunku komputera - standardowe
złącze szeregowe RS232C.
Komputer systemowy to standardowy komputer kompatybilny z IBM PC, wyposażony w procesor
Intel Dual Core lub równorzędny, z dwoma dyskami twardymi umożliwiającymi rejestrację i
bezpieczne przechowywanie danych przez 5 lat, kolorowym monitorem oraz dowolną drukarką
atramentową lub laserową.
Ostatnio CODEL wprowadził zaktualizowaną wersję oprogramowania, jeszcze bardziej
rozszerzającą możliwości systemu, zwłaszcza w zakresie wizualizacji i weryfikacji danych oraz
pracy w sieci. Oprogramowanie SmartCEM w najnowszej wersji dla Windows jest napisane w
oparciu o nowoczesny pakiet programowania DELPHI 7. Oprogramowanie to przewidziane jest do
pracy w środowisku WINDOWS XP Pro/Vista Business. W skład oprogramowania IEM dla
Windows wchodzą cztery pracujące równocześnie programy.
Program 1 (CEMComm)- obsługa komunikacji i gromadzenia danych
Program ten służy do komunikowania się z CDC i odczytywania danych pomiarowych. Dane te są
następnie zapisywane na dysku twardym w standardzie bazy danych w formacie Paradox 5.0.
Wykorzystanie tej standardowej bazy danych daje wiele korzyści i wychodzi naprzeciw
obowiązującym w świecie informatyki trendom. Baza danych dostarcza wielu mechanizmów,
pozwalających na łatwe wprowadzanie i przetwarzanie danych w celu pozyskiwania z nich
interesujących użytkownika informacji. W programie jest przewidziane zastosowanie kompresji
gromadzonych danych. Dane mogą być przechowywane przez co najmniej 5 lat wstecz. Istnieje
możliwość tworzenia zapasowej kopii danych.
Program 2 (SmartCEM) - analiza danych
System umożliwia jednoczesne wyświetlenie na ekranie monitora aktualnych wartości
wszystkich pomiarów należących do wybranej grupy.
Wartości te mogą być - zależnie od decyzji użytkownika:
¾ przedstawione w postaci znormalizowanej lub bezpośrednio mierzonej
¾ bieżąco uśredniane w jednym z czterech uprzednio zdefiniowanych przedziałach czasu
¾ wyrażone w jednostkach stężenia lub emisji.
Poniżej na rysunku 6 przedstawiono przykładowy wydruk.
Oprogramowanie umożliwia również dwukierunkową komunikację ze wszystkimi należącymi do
systemu miernikami celem zmiany nastaw lub prowadzenia diagnostyki. Dane diagnostyczne
pozwalają na precyzyjne określenie poprawności działania przyrządów, a w przypadku usterki na
dokładne określenie rodzaju uszkodzenia. Dane te są także zapisywane w pamięci dyskowej
komputera co daje możliwość pełnej analizy serwisowej urządzeń monitoringu nawet po
pewnym czasie. Modem wraz z oprogramowaniem zainstalowany w komputerze monitoringu
umożliwia zdalne sprawdzanie poprawności działania pracy analizatorów lub lokalizacji usterek,
co pozwala na prowadzenie działań profilaktycznych i osiągnięcie prawie stuprocentowej
dyspozycyjności systemu.
Praca w trybie "Historycznym"
System umożliwia odtworzenie przebiegu każdej rejestrowanej wielkości pomiarowej, w
dowolnym przedziale czasowym w okresie objętym rejestracją. Oprócz odwzorowania
graficznego (w postaci wykresu) można za pomocą kursora wyświetlać kolejne wartości średnie
w analizowanym przedziale czasu odczytując je co 1 min lub co 10 min. Przebiegi graficzne
mogą być prezentowane we wszystkich dostępnych w systemie jednostkach i stałych czasowych
Strona 6 z 8
uśredniania. Wykres pozwala na oglądanie trendu bieżących wartości. Przykładowe wydruki
przedstawiono na rysunku 7.
Rysunek 6. Wydruk ekranu w trybie "Na żywo"
Rysunek 7. Wydruki ekranu w trybie "Historycznym"
Strona 7 z 8
Program 3 (PCEMRaport)
Pakiet Oprogramowania Zintegrowanego Systemu Monitoringu Emisji zawiera opracowany przez
Pentol program PCEMRaport służący do sporządzania okresowych raportów emisji
zanieczyszczeń. Są to raporty służące do przedstawiania zmierzonej lub wyliczonej na podstawie
podanych algorytmów emisji zanieczyszczeń wprowadzonych do powietrza. Forma, treść
raportów i sposób ich generowania jest tak skonstruowany aby spełnić wymagania zawarte w
obowiązujących przepisach.
Program składa się z czterech podstawowych części, krótko opisanych poniżej:
Raport emisji
Jest to raport służący do przedstawiania zmierzonej lub wyliczonej na podstawie podanych
algorytmów emisji zanieczyszczeń wprowadzanych do powietrza wyrażonych bądź w
jednostkach masy (kg/h) lub w jednostkach stężenia (mg/Nm3 gazów suchych odniesionych do
tlenu standardowego charakterystycznego dla danego rodzaju paliwa). Okresem raportu może
być doba, tydzień, miesiąc, kwartał, rok lub dowolny inny wybrany przez użytkownika przedział
czasowy. Raport może obejmować jedno lub kilka źródeł emisji podłączonych do wspólnego
emitora. Może także obejmować wszystkie źródła emisji na których są prowadzone pomiary
ciągłe w danym zakładzie tworząc raport zakładu. Po każdej zmianie przepisów dotyczących
treści raportów emisji Pentol opracowuje odpowiednia aktualizację oprogramowania.
Raport przekroczeń
Raport przekroczeń jest wykazem zanieczyszczeń wprowadzanych do atmosfery, które
przekroczyły wartości dopuszczalne.
W części drugiej przedstawiony jest wykaz przekroczeń dla średnich godzinowych
rozpatrywanych w przedziale 48 godzin dla każdego dnia kalendarzowego w ciągu roku.
Raport przekroczeń rocznych
Raport ten służy do wyliczania emisji rocznych podanych w Mg/rok i porównania ich z emisją
dopuszczalną wyrażoną również w Mg/rok. Odnosi się on do roku kalendarzowego i może być
generowany tylko po jego zakończeniu.
Raport przekroczeń rocznych może być wykonany zarówno dla pojedynczego źródła jak i dla
emitora czy całego zakładu.
Listing danych
Ta część raportu nie jest wprawdzie wymagana przez obowiązujące przepisy, może być jednakże
przydatna do analizy przebiegów wielkości emisji w czasie stanów awaryjnych, optymalizacji
procesów, pomiarów kontrolnych lub innych zjawisk podlegających ocenie. Raport ten daje
możliwość wylistowania danych dla wybranej grupy analizatorów za dowolnie wybrany przedział
czasu oraz zapisanie go formacie arkusza kalkulacyjnego MS Office Excel. Dane te będą
wyrażone w wybranych jednostkach, wybranej stałej czasowej uśredniania i edytowane w
wybranych odstępach czasowych.
Program 4 (PCEMDane) – konwersja danych
Integralną częścią programu raportującego jest program PCEMDane służący do konwersji
danych jednominutowych na średnie jednogodzinne lub półgodzinne w zależności od typu
instalacji spalania paliw i zapisów w aktach prawnych dotyczących standardów emisyjnych (Dz.
U. Nr 260, poz. 2181 z 2005r.) oraz wymagań w zakresie prowadzenia pomiarów wielkości
emisji (Dz. U. Nr 283, poz. 2842 z 2004r.) Przekonwertowane przez program PCEMDane
wartości średnich jednominutowych wykorzystywane są w programie PCEMRaport do tworzenia
raportów emisji, przekroczeń oraz Listingu danych.
Rozbudowa systemu
Konstrukcja zainstalowanego systemu umożliwia jego późniejszą rozbudowę o dalsze grupy i
jednostki pomiarowe, co wymaga jedynie przyłączenia nowych mierników do cyfrowej magistrali
danych oraz korekty konfiguracji systemu za pomocą klawiatury komputera.
Strona 8 z 8