軟件CEM -- 先進的連續(xù)排放監(jiān)測

ainet.cn 2014年12月09日

　　Pavilion8 CEM軟件是一種預測排放監(jiān)視系統(tǒng)(PEMS)，是在Pavilion8平臺上開發(fā)的，他能夠?qū)Φ趸?NOx)、一氧化碳(CO)、氧(O2)和其他排放氣體進行高精度測量，是一種替代昂貴、基于硬件連續(xù)排放監(jiān)測(CEM)系統(tǒng)的解決方案。

　　軟件CEM

　　軟件CEM系統(tǒng)開發(fā)了一種在線模式，利用現(xiàn)有工廠傳感器的歷史和實時數(shù)據(jù)，連續(xù)監(jiān)視排放。Pavilion的混合建模技術(shù)集成了非線性經(jīng)驗模型，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及第一原則模型，在工業(yè)領(lǐng)域提供了最準確的預測模型。這些模型通過Pavilion8模型分析引擎的在線執(zhí)行，提供了對熱源和燃料排放的實時預測。

　　模型驗證是一種常見規(guī)程，即使用已知傳感器輸入值，對已知輸出值進行驗證。把預定的輸入值施加到PEMS，然后計算得出輸出值。這些值與已知輸入值對應的已知輸出值(在建模過程中開發(fā))進行比較，確定軟件CEM應用是否準確與合規(guī)。這個過程相當于環(huán)保局(EPA)規(guī)定的每季度審計規(guī)范。

　　軟件CEM模型的開發(fā)

　　已認證的軟件CEM已在美國200多個熱源點使用，連續(xù)對NOx、CO、O2和其他排放氣體進行監(jiān)測。軟件CEM已被證明可以滿足EPA在鍋爐、窯爐、往復發(fā)動機、渦輪機和其他排放源對PEMS系統(tǒng)的要求。

　　在任何現(xiàn)場活動開始前，都要舉行討論軟件CEM項目范圍的開工會。會議中要建立軟件CEM的功能設(shè)計，并確定必要的過程傳感器。后面“過程傳感器舉例”一節(jié)將介紹使用木材、石油或天然氣為燃料燃燒器的典型傳感器。

　　如果沒有現(xiàn)成的系統(tǒng)(即硬件CEMS或其他監(jiān)控系統(tǒng))，可以從過程的歷史數(shù)據(jù)庫或Pavilion的數(shù)據(jù)記錄器(Data Logger)獲得過程數(shù)據(jù)。如果現(xiàn)有硬件CEMS沒有排放數(shù)據(jù)，可以使用環(huán)境檢測公司當時收集的累計排放數(shù)據(jù)。排放單位可以按照2至7天的運行周期(取決于單位的復雜性)收集數(shù)據(jù)。在這個過程中處理和累計數(shù)據(jù)，由此構(gòu)建高精確度的排放模型。

　　傳感器驗證系統(tǒng)

　　軟件CEM 可以為過程傳感器構(gòu)建一個傳感器驗證系統(tǒng)。此系統(tǒng)可用于確定可變的輸入(例如空氣流量、過程O2等)和排放輸出(NOX、CO、O2和CO2)。

　　傳感器驗證系統(tǒng)由多個模型組成，模型中包含了能檢出故障(或漂移)的儀器，當儀器出現(xiàn)故障時，軟件CEM會自動重建適當值來代替，確定準確的排放。如果在正常運行期間輸入傳感器出現(xiàn)故障，傳感器驗證系統(tǒng)有能力使用來自其他傳感器的信息，重建發(fā)生故障傳感器的值。

　　除了準確連續(xù)預測排放，軟件CEM也能發(fā)出報警，提醒操作員出現(xiàn)故障的傳感器。

　　預測排放監(jiān)測

　　系統(tǒng)由排放模型構(gòu)成，反映了過程運行和環(huán)境條件與排放之間的關(guān)系。

　　對于大多數(shù)PEMS系統(tǒng)的一個重要監(jiān)管要求是要有95%的正常運行時間。通過使用Pavilion的傳感器驗證系統(tǒng)，本軟件CEM通常能達到> 99%的正常運行時間。

　　使用軟件CEM和傳感器驗證系統(tǒng)模型開發(fā)的在線預測排放，在系統(tǒng)開始上線時，就具有連接過程分布式控制系統(tǒng)或數(shù)據(jù)歷史數(shù)據(jù)庫的接口。軟件CEM獲取當前的過程數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)傳輸給模型執(zhí)行，然后以標簽值的形式返回排放量預測。

　　這種方法可以讓現(xiàn)有的操作員界面為操作或工程人員提供信息。該軟件CEM可以與市售的報告軟件套件相集成。

　　環(huán)保法規(guī)和軟件CEM

　　EPA和政府機構(gòu)已經(jīng)批準了軟件CEM執(zhí)行NOX、CO、O2和其他排放氣體的連續(xù)監(jiān)測，已在美國200多個單位實施。加拿大環(huán)境部和臨時機構(gòu)也接受軟件CEM可以作為預測排放監(jiān)測系統(tǒng)(PEMS)使用。

　　EPA排放測量中心的PEMS評估

　　EPA排放測量中心已開發(fā)了5種PEMS協(xié)議和性能規(guī)范，基于使用5種軟件CEM的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)布到EPA的Web網(wǎng)站()。EPA聘請了一家獨立顧問公司評估PEMS，根據(jù)這家公司提議，EPA已決定要求PEMS具有傳感器驗證，消除了由于傳感器故障造成錯誤預測的可能性。

　　EPA還決定專家人員必須構(gòu)建一個傳感器驗證系統(tǒng)。排放測量中心現(xiàn)在已經(jīng)認可軟件CEM可作為硬件PEMS的一種可替代方案，大多數(shù)州也遵從EPA的建議。

　　EPA對PEMS 的基本要求是：

　　開始運行相對精度測試審計(RATA)的9個測試：

　　? 在低排放率的3個測試運行;

　　? 在正常排放率的3個測試運行;

　　? 在高排放率的3個測試運行。

　　傳感器驗證系統(tǒng)的示范;

　　· 檢測故障和漂流傳感器的能力;

　　· 調(diào)節(jié)錯誤傳感器值的能力;

　　· 季度“金磁片”檢查;

　　· 每年9次測試運行RATA。

　　具有專利的傳感器驗證系統(tǒng)確保預測排放數(shù)據(jù)的精確性

　　減排與過程優(yōu)化

　　除了?降低成本和遵從法規(guī)，軟件CEM還提供了另一個收益 -- 用強大的過程控制減少排放，同時優(yōu)化生產(chǎn)改善運行。下圖描述了燃氣輪機中的NOX和CO之間的反比關(guān)系。在開發(fā) CEM軟件的同時，工程師使用Pavilion8中的一個“甜點(sweet-spot)”，這時的NOx和CO較低，運行優(yōu)化，達到減少排放和改進生產(chǎn)的目的。

　　過程傳感器舉例

　　過程傳感器

　　下面的傳感器可用于燃氣、石油和木材燃燒器的軟件CEM應用輸入。所有的傳感器可用性已經(jīng)完成評估，可以在軟件CEM中使用。

　　鍋爐傳感器：

　　? 給水流量;

　　? 爐排溫度;

　　? 蒸汽流量;

　　? 空氣流量;

　　? 進氣口溫度;

　　? 節(jié)能器出口煙氣溫度;

　　? 節(jié)能器入口煙氣溫度;

　　? 節(jié)能器出口水溫;

　　? 節(jié)能器進口水溫。

　　燃料條件：

　　? 天然氣流量;

　　? 2號油流量;

　　? 木材給進率。

　　環(huán)境條件：

　　? 相對濕度;

　　? 大氣壓;

　　? 溫度(空氣預熱溫度或煙氣再循環(huán)后溫度)。

　　用軟件CEM優(yōu)化燃燒器

　　工業(yè)/商業(yè)/科研機構(gòu)(I/C/I)的燃燒器和過程加熱器(P/H)都使用基于碳的燃料，如天然氣、石油、煤或某種生物質(zhì)形式，連續(xù)地送入燃燒室燃燒。在此過程中，燃料進行著完全燃燒。然而，可以通過優(yōu)化燃燒器的效率使這些燃料的用量最小化，從而減少燃料消耗和排放輸出。

　　效率與來自煙氣溫度和氧(O2)測量的數(shù)據(jù)直接相關(guān)。工業(yè)/商業(yè)鍋爐的燃燒室內(nèi)主要引入的是空氣和燃料，燃料通過燃燒器噴嘴引入，在整個范圍內(nèi)產(chǎn)生火焰的運行條件。完全燃燒是氧氣和溫度的函數(shù)：過氧量越大，鍋爐的燃料效率就越低。所以減少過量氧量可以提高效率。

　　相反，隨著氧減少，一氧化碳就開始形成。CO的超量表示了燃燒不完全和排放增加。監(jiān)控CO可以確保排放水平保持在有限的范圍內(nèi)，并使燃燒器的運行效率最大化。在燃燒器/鍋爐控制的應用中監(jiān)測O2和CO，已被公共設(shè)施和工業(yè)市場所廣泛接受，在優(yōu)化燃燒器/鍋爐效率中起到了強有力的作用。下圖表示了O2和CO與效率之間關(guān)系。

圖：NOX、CO、O2和效率

　　燃燒優(yōu)化

　　圖中顯示了在一個典型燃燒應用中，過氧與NOx和CO的關(guān)系。也顯示了效率與過氧之間的關(guān)系。由于過氧減少，NOx減少，而CO和效率提高。為了盡量減少NOx的產(chǎn)生和最大限度地提高效率，應盡量減少過氧。然而，設(shè)備的安全和環(huán)境法規(guī)的限制了可以產(chǎn)生的CO量。結(jié)果，過氧只能降低到CO所約束的量。從這個角度看，燃燒已經(jīng)優(yōu)化，運行在最大允許的CO生產(chǎn)量對應于最低的NOx生產(chǎn)量和最大的效率。

　　諸如燃料成分、設(shè)備條件、環(huán)境條件和負載變化引起的干擾使這些變量轉(zhuǎn)移。其結(jié)果是，不可能決定根據(jù)負載的最佳過氧的曲線。大多數(shù)運營商使用保證不超過CO限值的輸入，雖然保證了CO的約束，但不能最小化NOx或最大化效率。燃燒優(yōu)化采用了實時CO指示和燃燒過程不斷更新過氧的模型。軟件應用每次運行(每15至30秒)都重新計算最佳曲線。

　　在更復雜的情況下，除了過氧還有其他變量，顯著影響了NOx和CO的形成，可能對最小化NOx和最大化效率有用。這些被控變量的例子包括：燃燒器和過燃空氣擋板，燃燒器和過燃空氣傾斜，風箱至爐子的差壓。此外，對燃燒優(yōu)化被控變量的調(diào)整可能影響其他重要的變量，如煙氣出口溫度、蒸汽溫??度，或調(diào)節(jié)噴射流量。重要的是，燃燒優(yōu)化系統(tǒng)要遵從這些變量的限制。

　　模塊化應用良好定義的運行參數(shù)和可證實的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以施加到燃燒源實時運行，無需額外的硬件和維護成本，最大化效率。典型的(但不限于)的運行參數(shù)(傳感器)是：

　　? 運行O2值;

　　? 出口溫度;

　　? 環(huán)境空氣溫度;

　　? 風箱差壓;

　　? 燃油流量。

　　? 進氣風板位置;

　　? 進氣風扇轉(zhuǎn)速。

　　軟件CEM的應用

　　羅克韋爾自動化的軟件CEM已經(jīng)在眾多國家的300多個現(xiàn)場得到應用，這些國家包括：中國、新西蘭、挪威、巴林、沙特阿拉伯、阿拉伯酋長國和美國。

　　數(shù)據(jù)源

　　·鍋爐;