本文以天津石化某部增上烟气排放连续监测系统和挥发性有机物在线监测系统作为切入口,对CEMS和VOCs测量原理进行剖析。针对防爆形式,预处理形式,采样形式,数据采集形式,验收标准等各种情况加以论述,辅以环保设施在炼化行业的现状,深入探讨如何更好地维护环保在线监测系统的运行。

0 引言

近年来，国内大气污染状况十分严重。污染物主要来源是火电厂，其次为炼钢厂和水泥厂、机动车尾气等，而炼化行业的排放也一直备受社会关注，如炼化行业中高架源排出的SO2、NOx、挥发性有机物、颗粒物等。其中SO2，NOX与大气中的H2O，O2反应，形成硫酸、硝酸分子，产生酸雨破坏生态平衡。颗粒物排入大气使空气污浊，导致PM10，PM2.5增加，尤其PM2.5，当粒径≤2.5μm时，吸入人体后导致肺功能下降，严重危害人类生存。挥发性有机物VOCs危害明显，挥发性有机化合物浓度过高时很容易引起急性中毒，轻者会出现头痛、咳嗽、恶心、呕吐或呈酩醉状，重者会引起肝中毒，很快昏迷，长时间接触会有生命危险。本文例举污染源种类，并从测量原理出发，结合现场特殊情况提出了以下观点，分析了如何能正常平稳地运行环保在线监测分析仪表。

1 环保在线监测系统组成及各自功能

1.1 环保在线监测系统组成

现有炼化企业中环保在线监测可大体分为固定污染源排放连续监测系统和挥发性有机物在线监测系统。

固定污染源排放连续监测系统（CEMS），国内简称烟气排放连续监测系统。CEMS主要用于火电厂锅炉、市政垃圾焚烧炉、危险物焚烧炉等，炼化企业高架源是近年来国家管控加入的。CEMS可对上述固定污染源排放烟气中的颗粒物、气态污染物和排放率做实时连续地跟踪测定。

CEMS由现场监测设备和数采系统两部分组成。其中，由现场监测设备部分采集的烟气经一体化伴热管缆，预处理过滤处理后经制冷除去烟气中的水分。然后分别通过自动恒流装置传至SO2、NOX、CO、O2等气体检测器，各类检测器把4mA～20mA标准信号同时传至现场工控机和数据采集器。烟气温度、烟气压力、烟气流速或流量、烟气含湿量、烟气含氧量等传感器将4mA～20mA标准信号传至工控机和数据采集器[1]。现场工控机通过RS485总线将现场各路采样数据经分析处理后存入现场数据库中并实时显示。数采仪经无线4G网络将数据上传至环保局监控中心。环保主管部门按照国家规定，在污染源在线自动监测数据管理平台上完成排污单位监测点位，污染物排放限值，自动检测设施等的信息核定，实现实时对排污企业的监控。

VOCs主要测量非甲烷总烃，采用气相色谱法测量非甲烷总烃。由现场探头取压管线部分、预处理载气部分、色谱分析仪部分和数采部分组成。现场检测设备把烟气通过射流泵恒流抽至预处理系统，经预处理减压，干燥后的样品通过色谱分析仪中的色谱柱系统，根据介质组分的不同，出柱系统的时间不同区分各组分含量，再经氢火焰燃烧，测量出总烃量和甲烷量，相减得出非甲烷总烃的含量，经过数采运算后，通过无线4G网络将数据上传到环保局监测中心的计算机系统。环保监测中心可以随时调用日报、周报、月报、年报，达到实时监测的目的。

1.2 环保在线监测系统各自功能

1.2.1 CEMS监测系统测量原理

颗粒物监测子系统主要测量烟气中颗粒物浓度，一般采用光散射法。光学法测尘仪测量光线穿过烟气后的透射率，清洁烟道透射率100%，烟尘颗粒的增加透射率降低。气态污染物监测子系统测量烟气中NOx、CO、SO2、CO2的浓度，常见的分析原理为非散射红外吸收法（或紫外吸收法）。烟气排放参数测量子系统主要检测烟气中的温度、压力、流量（流速）、湿度、含氧量等参数。通过皮托管可以得出烟气流量，同时根据烟气温度、压力、湿度计算出标准干烟气量，通过烟气中的含氧量换算成排放总量。系统控制子系统主要由探头部分的反吹、样品的采样部分构成；数据采集处理子系统对信号采集、进行数据处理并生成报表等；气源为系统提供反吹气体；电源部分分别设置为分析仪和数采仪供电的UPS电源与分析小屋内空调、电伴热、照明等GPS电源。

1.2.2VOCs监测系统测量原理

非甲烷总烃采用GC-FID原理测量，根据多组分混合气体通过色谱柱时，被色谱柱内的填充剂吸附后，速度产生差异，柱出口处发生混合气体分离为各个组分，从而进行非甲烷总烃定量和定性的测量分析。载气为氮气，助燃气为氧气，燃烧气为氢气。气相色谱输出为标准4mA～20mA信号或者RS485信号，数据采集处理子系统对信号采集、进行数据处理并生成报表等。

2 环保在线监测系统的设计选型

炼化行业的环保在线监测的国家标准还在逐步地探索中，迄今关于污染物在线监测已经有明确的国家标准HJ75-2017、HJ 76-2017[2,3]，而挥发性有机物在线测量仍没有明确的国家标准，所以各个企业针对自身的特点各自选择相对严格的设备。

某石化环保项目有其特殊的情况，因CEMS和VOCs需要在同一装置，同一高架源上监控，所以分析小屋的配置，分析仪的防爆形式，取样点的设计，取样管缆的设计，预处理系统的设计一系列问题都待解决。

根据污染源在线自动监控数据采集传输仪技术要求HJ477-2009中的要求，数采仪电源需采用UPS，且在外部供电切断时连续工作6h，并在外部电源断电时自动通知上位机。由于环保设施的供电连续性，同时要求环保设施包括分析仪在内也需要UPS供电，保证数据分析的连续性。

2.1 分析仪及附件的防爆形式选择

因为CEMS和VOCs需要设计到同一分析小屋中，那么原CEMS不需要防爆措施的情况就需要改变，因为VOCs是采用GC-FID形式测量，在存在氢气环境的情况下，小屋的危险区域提升至1 Zone，那么要求分析小屋中的仪表设备的防爆要求均达到Ex d IIC+T4标准。因此，CEMS可以采用加隔爆机柜处理，VOCs可以采用整体防爆，防爆接线箱需要采用隔爆形式。仪表设备的防护标准要求IP56以上级别，现场取样点的设备仍沿用本安或者隔爆的形式。

2.2 环保在线监测系统的采样及预处理

2.2.1 CEMS的采样及预处理

CEMS的采样利用取样泵从烟道内抽取样品，采用一体化伴热管缆，一体化伴热管缆全程加热至120℃。由于抽取的烟气温度比较高，而输送的线路较长，如果不采用一体化伴热管缆恒温，那么烟气在运输的过程中就会因为温度降低而使水分从烟气中分离出来，烟气中的NOx、SO2会与析出的水相互融合发生化学反应，形成硝酸和硫酸，硝酸和硫酸的产生会使样品管线腐蚀，并且还会影响到测量的准确性。样品气传输至冷凝器后，冷凝器中的蠕动泵会将烟气中的水分排走，使其不与NOx接触。水分由管线直接排至废液桶，按照国标需每天清理。除去水分的烟气经过气体过滤器后传送到分析仪主机中，从而对烟气进行检测。在对烟气进行取样的过程中，烟气中的粉尘极易堵塞探头，必须在系统中设定定期反吹功能，通过反吹装置对伴热管线和一次取样阀进行吹扫。

2.2.2 VOCs的采样及预处理

本项目中由于CEMS与VOCs为监测同一高架源，所以其中温、压、流、湿、氧含量都由CEMS提供，通过4mA～20mA信号进行柜内传输，这样就可以免去在高架源处开多处取样口，从而对高架源进行结构破坏。但是挥发性有机物的样品还需要通过现场探头来进行抽取，经过样品预处理、除尘、除湿后进入色谱分析仪。针对探头部分易堵的情况，设计有定时、手动反吹功能，加之定期更换探头部分的过滤芯，保证设备正常运行。

2.3 环保在线监测系统的数据采集和处理

数据采集和处理系统负责通过GPRS方式与环保局实现联网，传输数据。所有测量信号进买方DCS系统采用硬接线方式，信号为4mADC～20mADC，分析小屋外设中间接线箱。数据采集和处理系统应至少有一个RS485 MODBUS RTU接口。数据采集和数据处理系统具有满足正常运行所需的模拟量输入/输出通道、数字量输入/输出通道，并为VOCs系统将来扩容预留10%的备用通道。数据采集和数据处理系统能对影响到系统的精度和准确性的任何VOCs部件进行检查，并在发生异常时报警。数据采集和数据处理系统能控制日常VOCs运行，包括：自动校正循环的运行、采样系统过滤器和探头的吹扫、提供认证测试和检查所需材料。

3 环保在线监测系统的验收标准

3.1 环保在线监测系统的FAT情况

通过对石化某项目的验收，发现了分析小屋集成商存在的几处问题，以下分别列出：根据《固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法HJ 75-2017》《固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法HJ 76-2017》《石油化工仪表接地规范SH3081-2003T》《石油化工在线分析仪系统设计规范SH3174-2013T》等国标和行业标准，发现集成商均对强弱电的布局没有做分开敷设或者加装隔板来处理，分析小屋中设备的地线没有做与分析小屋绝缘处理，地线的线径没有逐级增加，小屋内排风口的设计没有按照要求分别设计上排风口和下排风口。

验收监测执行中华人民共和国环境保护行业标准：《固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法HJ 76-2017 》。

3.2 分析方法与规范

①《固定污染源废气 总烃、甲烷和非甲烷总烃的测定气相色谱法HJ 38-2017》；②《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法GB/T 16157-1996》；③《环境监测标准分析方法》(试行)；④《固定污染源废气监测技术规范HJ/T 397-2007》；⑤《污染源在线自动监控（监测）系统数据传输标准》（HJ 212-2005）。

3.3 固定污染源烟气连续监测系统技术验收

CEMS在完成安装、调试检测并和主管部门联网后，进行技术验收，其中包括CEMS技术指标和联网验收。CEMS在安装完成后，检查安装位置，手工采样位置是否符合要求，数据采集和传输是否按照《污染源在线自动监控（监测）系统数据传输标准HJ/T212-2017》要求，是否稳定运行7d，是否能提供一个月自检报告，及调试检测合格报告。CEMS技术验收包括：颗粒物CEMS、气态污染物CEMS、烟气参数CEMS技术指标验收。

3.4 固定污染源烟气连续监测系统校准时的质量保证和措施

CEMS日常运行质量保证正常稳定运行，持续提供有质量保证的监测数据，当数据不能满足技术指标而失控时，应及时采用纠正措施，缩短校准、维护和校验的时间间隔。当对相关设备进行相关校准、复检和校验时，必须联系工艺人员负责监督工况，生产负荷达到75%以上，环境保护设施运行正常时，进行现场监测；若不能满足上述条件时，应通知监测人员停止监测，以保证监测数据的有效性。使检测中的状态不发生明显的波动保持相对稳定。为了减少测定烟气数据的误差，保证准确度，可使用自动跟踪烟尘采样器进行相关校准和复检，校准和复检尽可能用同一台采样器。测定烟道断面每一次颗粒物样品，采样量应不低于10mg或采气量不低于0.5m3。在测量气态污染物CEMS时，采样前和采样后应用标准气体对设备进行校准，测定标准气体的相对误差不应超过±5%，超过规定时，应对测定值进行修正。应在固定污染源正常排放污染物条件下复检和校验CEMS。

4 环保设备投用可能出现的问题及解决方案

4.1 CEMS投用可能出现的问题及解决方案

CEMS投用初期问题大概分成两点：一是温压流湿4个参数测量准确性的问题和O2含量与工艺测量不同。其中温压流湿按周期校准即可保证其测量值在精度范围内，O2含量测量原理与工艺测量原理、位置均不同，这种问题在常规仪表中均有表现；二是测量NOX的红外分析仪零点漂移的情况还是存在，制定相关标准，半个月标定一次使其测量更加准确。

4.2 VOCs投用可能出现的问题及解决方案

VOCs投用初期的问题在于采样形式和样品浓度与流量的关系。根据HJ 75-2017要求监测站房与采样点距离尽可能近，原则上不超过70m。采样管线材质应为不锈钢和聚四氟乙烯导管，不锈钢材质相较聚四氟乙烯材质在取样管线敷设时不好处理外，其他方面都优于聚四氟乙烯材质。因聚四氟乙烯材质会在加热时有可能挥发出部分总烃，影响设备的正常测量，这种挥发出的总烃与管路中的流速成反比，流速越大测量的非甲烷总烃越小，这种影响测量的因素会随时间而降低甚至消失，长时间的120℃高温伴热及大流量的采样会使聚四氟乙烯材质代谢掉总烃的析出。

5 结束语

随着CEMS烟气连续监测系统和挥发性有机物在线监测系统在实际的炼化行业中得到广泛应用，CEMS系统的作用不单纯为了被动地提供排放数据，环保部门的监管也不单纯为了惩罚各相关企业。装置操作人员和工程师可以根据排放记录，特别是年度、月度测量值波动的次数和测量值的范围，烟气除尘、脱硫脱硝装置的运行、烟气中含氧量和含湿量的参数都对优化工艺和设备的操作有直接或间接地影响，控制好各参数排放值在法律限定值内，同时亦可使企业降本增效。本文通过对测量原理的剖析，使故障类型和故障原因在今后的运行维护期间很容易暴露出来，按照HJ/T 75-2017标准，至少进行每周巡检和每季度标定，针对国控源分析仪故障的情况，应及时进行数据修约，保证数据的完整性和实时性。