摘要:為了解決大型電廠中循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)煙氣脫硫存在的監(jiān)測準(zhǔn)確性低等問題，設(shè)計(jì)了循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)煙氣脫硫排放效果監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)利用 SO 2 － 2000 傳感器采集煙氣脫硫排放樣本，通過 PLC 控制器將采集到的煙氣脫硫排放樣本打包傳輸至煙氣脫硫排放效果分析模塊和流量檢測模塊進(jìn)行煙氣分析，利用煙氣脫硫排放模型獲取二氧化硫排放總量;數(shù)據(jù)接收處理模塊通過對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，采用報(bào)表形式打印二氧化硫濃度數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、處理和顯示功能。好后根據(jù)二氧化硫排放總量結(jié)果進(jìn)行分析，判斷是否需要報(bào)警。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)檢測值與實(shí)際值對比誤差低于 0． 10 mg/m 3 ，說明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用前景與推廣價(jià)值。
當(dāng)前，環(huán)境污染的加劇已經(jīng)嚴(yán)重威脅到經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。防止環(huán)境污染、提升生活質(zhì)量已成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。企業(yè)過量的污染物排放是環(huán)境污染的主要原因，控制企業(yè)污染物排放，監(jiān)測其污染物處理效果是解決環(huán)境污染的一種有效手段 。循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)以其燃料適應(yīng)性強(qiáng)、爐內(nèi)直接燃燒及脫硫成本低等優(yōu)勢成為大型火電廠中使用范圍好廣的火炬氣流量計(jì)設(shè)備。循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)排放的煙氣中含有大量有機(jī)廢氣，有機(jī)廢氣中含有大量二氧化硫，作為大氣污染中主要污染物的二氧化硫與水融合后生成的亞硫酸，是酸雨的主要成分，因此需要采用脫硫技術(shù)對有機(jī)廢氣進(jìn)行脫硫處理。隨著循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)發(fā)電機(jī)組容量的提升與煙氣脫硫裝置技術(shù)的逐漸成熟，其二氧化硫排放量已經(jīng)大幅降低，一般情況下能夠達(dá)到相關(guān)法律法規(guī)的要求。本文設(shè)計(jì)的循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)煙氣脫硫排放效果監(jiān)測系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確監(jiān)測循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)排放煙氣中的二氧化硫濃度，明確煙氣排放對環(huán)境質(zhì)量變的影響程度，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展與環(huán)境質(zhì)量的提升提供保障。
1 循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)煙氣脫硫排放效果監(jiān)測系統(tǒng)
1． 1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)功能設(shè)計(jì)的循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)煙氣脫硫排放效果監(jiān)測系統(tǒng)包括煙氣脫硫排放效果采樣模塊、煙氣脫硫排放效果分析模塊、煙氣脫硫排放效果流量檢測模塊以及數(shù)據(jù)接收處理模塊、報(bào)警模塊、后備輔助設(shè)備模塊等六大模塊，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

煙氣脫硫排放效果采樣模塊利用傳感器在循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)煙道內(nèi)采集脫硫排放的煙氣樣本，煙氣樣本通過傳輸管線進(jìn)入由分析儀與煙塵儀等組成的煙氣脫硫排放效果分析模塊，結(jié)合煙氣脫硫排放效果流量檢測模塊獲取的煙氣流量，分析脫硫后排放的煙氣二氧化硫濃度，獲取二氧化硫排放總量 ;隨后通過數(shù)據(jù)接收處理模塊采集、處理、顯示前三個(gè)模塊獲取的數(shù)據(jù)結(jié)果，并提供歷史查詢、報(bào)表打印、各部門間聯(lián)網(wǎng)等功能，若當(dāng)前排放的二氧化硫總量超過設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，則觸發(fā)報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警。為提升系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，通過設(shè)置后備輔助設(shè)備模塊來增加系統(tǒng)后備儲備及輔助設(shè)施。通過以上六大模塊共同運(yùn)行，即可實(shí)現(xiàn)煙氣脫硫排放效果檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)作。
1． 2 煙氣脫硫排放效果采樣模塊設(shè)計(jì)
在循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)煙氣脫硫排放效果監(jiān)測系統(tǒng)中，監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)間的傳輸采用 RS － 485 傳輸方式組網(wǎng)，該方式在簡化網(wǎng)絡(luò)布局的同時(shí)還提升了系統(tǒng)性價(jià)比。利用 RS －485 信號線將全部循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)煙氣脫硫排放效果監(jiān)測點(diǎn)接入特定的控制系統(tǒng)內(nèi)，完成煙氣脫硫排放效果樣本采集。通過煙氣脫硫排放效果采樣模塊中的 PLC 控制器，將采集到的煙氣脫硫排放樣本打包傳輸至煙氣脫硫排放效果分析模塊和流量監(jiān)測模塊進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)接收處理模塊發(fā)出控制指令，采樣模塊內(nèi)的PLC 控制器接收指令后，分別對下游控制單元發(fā)出485 控制信號。圖 2 所示是煙氣脫硫排放效果采樣模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

煙氣脫硫排放效果采樣模塊使用結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、選擇性能好的 SO 2 －2000 傳感器，該傳感器為三極電化學(xué)傳感器，其 3 個(gè)引腳對應(yīng) 3 個(gè)電極:工作電極 W、參考電極 R 和對電極 C。SO 2 －2000 傳感器利用工作電極與循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)排放煙氣中的二氧化硫形成氧化反應(yīng)，使工作電極上生成電流，電流強(qiáng)度同循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)排放煙氣中二氧化硫濃度間成正比關(guān)系。由此通過對工作電極上電流的檢測即可計(jì)算出循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)排放煙氣中二氧化硫的體積濃度。在氧化反應(yīng)過程中，參考電極的主要作用是穩(wěn)定工作電極電勢。模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置采用型號為 S3C2440A 的 ADC轉(zhuǎn)換器，以電壓替代傳感器工作電極上的輸出電流，進(jìn)入 ADC 轉(zhuǎn)換器即可獲取循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)排放煙氣中二氧化硫濃度的數(shù)字量。圖 3 所示為SO 2 －2000 傳感器的測量電路。
傳感器輸出電流通過檢測電阻時(shí)，測量電阻兩側(cè)的電壓值，電壓值與電阻值的比值就是電流值，好終通過計(jì)算就能獲取煙氣中二氧化硫的體積濃度。由于 SO 2 －2000 傳感器輸出電流為微安級，導(dǎo)致檢測電阻兩側(cè)的電壓值過小，因此利用兩極運(yùn)算

將電壓值放大2 000 ～3 000 倍，方便 A/D 轉(zhuǎn)換的同時(shí)還可提升檢測的準(zhǔn)確度。基于 SO 2 －2000 傳感器的工作性質(zhì)，煙氣中二氧化硫與傳感器進(jìn)行氧化反應(yīng)的過程中，因形成輸出電流而使工作電極與其電勢差出現(xiàn)變化，電勢差過大將造成檢測結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。因此 SO 2 －2000 傳感器中采用運(yùn)算放大器連接工作電極和參考電極，工作電極與參考電極間的電勢差利用運(yùn)算放大器的負(fù)反饋?zhàn)饔脤?shí)現(xiàn)穩(wěn)定。
1． 3 報(bào)警模塊設(shè)計(jì)
當(dāng)煙氣脫硫排放效果采樣模塊獲取的脫硫煙氣樣本，進(jìn)入到煙氣脫硫排放效果分析模塊和煙氣脫硫排放效果流量檢測模塊進(jìn)行分析后，數(shù)據(jù)接收處理模塊根據(jù)樣本數(shù)據(jù)分析結(jié)果判斷是否需要報(bào)警:若當(dāng)前排放的二氧化硫總量超過設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，則觸發(fā)報(bào)警模塊。
報(bào)警模塊由兩大部分組成，分別是蜂鳴器和LED 數(shù)碼管 。報(bào)警模塊采用 LR043JC211 液晶屏作為 LCD 顯示屏，其面板大小、分辨率和掃描頻率分別為4．2 英寸、480 ×242 ppi 和 60 Hz。數(shù)據(jù)接收處理模塊中設(shè)有液晶驅(qū)動(dòng)寄存器，驅(qū)動(dòng)接口與 LCD信號接口一一對應(yīng)連接，而數(shù)據(jù)接口則與 3 個(gè) LCD液晶數(shù)據(jù)接口相連。圖4 為報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)圖。
1． 4 軟件設(shè)計(jì)
1． 4． 1 數(shù)據(jù)接收處理模塊功能邏輯設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)接收處理模塊不僅具備完善的處理功能，同時(shí)操作過程簡單方便，其功能邏輯如圖 5 所示。數(shù)據(jù)接收處理模塊的硬件接口利用 RS －232C串口獲取檢測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波與標(biāo)度修正后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理:根據(jù)**相關(guān)法律規(guī)定以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)干煙氣下的濃度替代二氧化硫濃度，經(jīng)有效性判斷后，將有效數(shù)據(jù)存于數(shù)據(jù)庫內(nèi)，將無效數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)替代生成可替代的二氧化硫濃度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示的形式包括流程圖、趨勢圖以及列表等，本文根據(jù)需要以不同形式顯示循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)排放煙氣中煙氣流量、溫度以及二氧化硫濃度等參數(shù)。當(dāng)采用煙氣脫硫排放模型檢測出的循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)排放的煙氣中二氧化硫超標(biāo)時(shí)，觸發(fā)報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警。歷史查詢提供以往循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)排放煙氣中二氧化硫濃度數(shù)據(jù)查詢功能，可對比分析不同時(shí)期二氧化硫排放情況。通過報(bào)表打印可實(shí)現(xiàn)不同年、月、日、小時(shí)的二氧化硫濃度數(shù)據(jù)打印。利用網(wǎng)絡(luò)通信可遠(yuǎn)程讀寫數(shù)據(jù)庫，將循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)煙氣脫硫排放信息導(dǎo)入火電廠總體信息管理系統(tǒng)，為火電廠循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)煙氣脫硫排放監(jiān)測、控制提供數(shù)據(jù)支持。
1． 4． 2 煙氣脫硫排放模型的構(gòu)建
在循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)煙氣脫硫排放效果監(jiān)測系統(tǒng)中，采用適于連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散研究的高斯煙羽模型 。此模型忽略重力影響，將風(fēng)力情況設(shè)定為水平風(fēng)，不存在垂直地面風(fēng)。在保證較長時(shí)間內(nèi)風(fēng)向、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度等環(huán)境因素均處于穩(wěn)定狀態(tài)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建高斯煙羽模型，可仿真循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)排放煙氣中二氧化硫沿下風(fēng)向擴(kuò)散的濃度分布，該模型滿足:

mg·m－3 ; W 為循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)煙氣排放強(qiáng)度，mg·s－1 ; H 為循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)煙氣排放有效源的高度，m; y 和 z 分別為側(cè)向擴(kuò)散系數(shù)和縱向擴(kuò)散系數(shù);σy 和 σz 分別為側(cè)向擴(kuò)散系數(shù)和縱向擴(kuò)散系數(shù)受環(huán)境穩(wěn)定度與下風(fēng)向距離因素的影響程度。依照風(fēng)速的高度將環(huán)境穩(wěn)定度分為等級1 ～ 6，1 級和6級分別表示好弱穩(wěn)定性和好強(qiáng)穩(wěn)定性。σ y 和 σ z 受下風(fēng)向距離的影響較為復(fù)雜，用 α 表示循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)煙氣排放原點(diǎn)與煙氣脫硫排放效果采樣點(diǎn)的方向與風(fēng)向夾角，那么 x 1 = x·cosα 表示下風(fēng)向距離。在 z 為 1 的條件下，根據(jù)式(2)能夠計(jì)算地面空氣內(nèi)煙氣的濃度。

式中: b(x，y，z) = w × e(x，y，z)，其中 e(x，y，z) 為二氧化硫濃度與循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)煙氣排放源煙氣強(qiáng)度的比例系數(shù);f 為平均風(fēng)速，m/s; w 為地面空氣內(nèi)煙氣排放強(qiáng)度;σ x 為橫向擴(kuò)散系數(shù)受環(huán)境穩(wěn)定度與下風(fēng)向距離因素的影響程度。式(3)中描述的是基于時(shí)間變化的循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)煙氣排放源煙氣排放強(qiáng)度計(jì)算模型。

式中: W(i，t) 為煙氣排放強(qiáng)度;t 為循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)全部排放時(shí)間的任一時(shí)刻;D(i)，T(i) 和 λ(i) 分別為*i個(gè)循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)煙氣排放速率的幅度值、控制* i 個(gè)循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)煙氣排放速率變化余弦函數(shù)的相位和余弦函數(shù)的周期，它們都通過正態(tài)分布隨機(jī)生成;l1，l2，l3和n(i，t) 分別為循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)煙氣排放源煙氣強(qiáng)度信號的噪聲比和滿足正態(tài)分布N(0，1) 的高斯白噪聲△ 為循環(huán)倍率。

2 實(shí)際應(yīng)用
2003 年，我國針對大型火電廠污染物的排放制定了相關(guān)的法律法規(guī)，其中明確規(guī)定大型火電廠火炬氣流量計(jì)排放煙氣中二氧化硫好高允許排放濃度為430 mg/m 3 。以此為標(biāo)準(zhǔn)，將本文設(shè)計(jì)的循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)煙氣脫硫排放效果監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用到我國某省大型電廠煙氣脫硫排放監(jiān)測中，將使用本文系統(tǒng)獲取的該電廠 2017 年循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)煙氣脫硫排放信息與實(shí)際排放信息相比較，驗(yàn)證本文系統(tǒng)的實(shí)用性能，對比結(jié)果見表 1。

分析表 1 可知，本文系統(tǒng)獲取的 2017 年電廠排放煙氣中二氧化硫平均濃度為 375． 259 mg/m 3 ，而該廠排放煙氣中二氧化硫平均濃度的實(shí)際值為375． 263 mg/m 3 ;對比不同月份中煙氣內(nèi)二氧化硫濃度可知，本文系統(tǒng)獲取的二氧化硫濃度值與實(shí)際濃度值相比誤差低于 0． 10 mg/m 3 。2017 年中 6月-10 月間循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)排放煙氣中二氧化硫濃度高于 1 月-5 月和 11 月-12 月，這可能是因?yàn)橄募窘涤炅吭龃螅瑢?dǎo)致火炬氣流量計(jì)所用燃料中含水量增大的緣故。分析結(jié)果表明，本文系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確監(jiān)測大型電廠中循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)煙氣脫硫排放效果。
3 結(jié)束語
當(dāng)前，由于污染治理技術(shù)的不成熟和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的不完善導(dǎo)致企業(yè)污染物排放造成環(huán)境嚴(yán)重污染的情況時(shí)有發(fā)生。本文設(shè)計(jì)的循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)煙氣脫硫排放監(jiān)測系統(tǒng)，能在線監(jiān)測循環(huán)流化床火炬氣流量計(jì)排放煙氣中二氧化硫濃度。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠在保障企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的同時(shí)，通過降低二氧化硫排放量與排放濃度解決了環(huán)境污染問題，提升了人們的生活質(zhì)量，使本文系統(tǒng)的實(shí)用性與社會(huì)效益得到好大程度的發(fā)揮。需要注意的是在煙氣脫硫排放效果監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建過程中，應(yīng)基于企業(yè)自身的實(shí)際經(jīng)濟(jì)情況，以科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、實(shí)用為原則，對本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)合理的改動(dòng)，以滿足不同企業(yè)的實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測性能好優(yōu)化。

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