КОМПЛЕКС ПОСТОЯННОГО КОНТРОЛЯ ВЫБРОСОВ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
COMPLEX FOR CONTINUOUS EMISSION CONTROL IN REAL TIME

Комплекс постоянного контроля выбросов (КПКВ) в режиме реального времени относится к автоматизированным системам для контроля параметров выбросов технологических установок объектов, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду (далее объекты НВОС) I и II категории. Изобретение относится к области измерительной техники, автоматическим средствам измерений и может быть использовано для определения текущих параметров выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух, включая концентрации загрязняющих веществ в таких выбросах, для проведения экологического мониторинга и контроля выбросов, а также для автоматизированного контроля технологических процессов в энергетической, нефтеперерабатывающей, металлургической, химической, цементной и других отраслях промышленности.
Инструментальное определение параметров выбросов осуществляется с целью контроля соблюдения нормативов - значений предельно допустимых выбросов (ПДВ). ПДВ для каждого стационарного источника выбросов устанавливаются по каждому загрязняющему веществу из условия, что сумма приземных концентраций загрязняющих веществ, создаваемая с учетом рассеяния в атмосфере всеми стационарными источниками выбросов, влияющих на жилую зону, не превышает значений предельно допустимых концентраций (ПДК), установленных санитарно-гигиеническими нормативами.
При отсутствии объективных (инструментальных) данных по выбросам от организованных стационарных источников затруднительно объективно оценить индивидуальный вклад каждой технологической установки в загрязнение окружающей среды, контролировать соответствие получаемых выбросов требованиям разрешенным нормативам.
Под выбросом понимается поступление в составе газового потока от стационарного источника выбросов в атмосферу количества загрязняющих веществ в единицу времени, которые определяются с помощью измерения параметров газового потока. Измеряемые значения параметров газового потока выброса, в свою очередь, определяются режимом работы технологической установки объекта НВОС I и II категории.
Настоящее изобретение направлено на проведение мониторинга и учета показателей выбросов стационарных организованных источников объектов НВОС I и II, при котором контролируются и определяются показатели выбросов технологических установок и используются получаемые данные для целей эко мониторинга, в интересах Росприроднадзора.
Из "Уровня техники" известна система автоматического управления и регулирования промышленной и экологической безопасностью выбросов вредных паров и газов кислого и щелочного характера после предохранительных клапанов в аварийной ситуации, имеющая устройство для сбора и конденсации парогазовой фазы, которое содержит паровой эжектор и емкость с центральной перфорированной трубой. Система дополнительно содержит: блок контроля за аварийной ситуацией, содержащий хроматограф и устройство для автоматического отбора пробы газа из приемной трубы, клапан подачи водяного пара в паровой эжектор, для забора вредных паров и газов из приемной трубы в устройство для нейтрализации вредных паров и газов, которое выполнено в виде емкости Ду 400 мм с центральной перфорированной трубой Ду 250 мм с отверстиями Ф 2-3 мм, при этом емкость внизу имеет эллиптическое днище и три штуцера: верхний штуцер для воздушника, на конце которого установлен огнепреградитель; средней штуцер для периодической подачи водного раствора нейтрализующего вещества в устройство для нейтрализации вредных паров и газов; нижний штуцер для спуска, прореагировавшего нейтрализата через регулирующий клапан в промежуточную емкость - водогрязеотделитель, где имеется уровнемер, из которой эта смесь периодически откачивается на утилизацию насосом (см. патент РФ № 2485479, кл. МПК G01N 7/00, опубл. 10.12.2012).
Техническая проблема состоит в отсутствии эффективного полностью автоматизированного контроля выбросов в режиме реального времени, определении вклада конкретного стационарного источника в общее загрязнение окружающей среды, низкой надежности обеспечения выполнения экологических требований по массе выбросов (нормативом в данном случае является значение предельно допустимого выброса (ПДВ).
Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.
Технический результат заключается в обеспечении эффективного полностью автоматизированного  контроля выбросов в режиме реального времени, определении вклада конкретного стационарного источника в общее загрязнение окружающей среды, оптимизации технологических процессов с точки зрения снижения сопровождающих их выбросов, высокой надежности выполнения экологических требований по массе выбросов (нормативом в данном случае является значение предельно допустимого выброса (ПДВ).
Технический результат обеспечивается тем, что комплекс постоянного контроля выбросов  в режиме реального времени выполнен в виде стационарного автоматического устройства, состоящего из вспомогательного оборудования, содержащего систему подготовки сжатого воздуха, систему вентиляции и кондиционирования, датчики загазованности с системой сигнализации, рабочее и аварийное освещение, и двух подсистем, включающих подсистему измерительных каналов, выполняющую функцию измерения, и подсистему информационно-вычислительного комплекса, выполняющую автоматический сбор, диагностику, автоматизированную обработку информации и выдачу информации пользователю. При этом подсистема измерительных каналов состоит из газоаналитического канала анализируемого газа, канала измерения скорости потока, канала измерения температуры, канала измерения абсолютного давления, канала измерения массовой концентрации взвешенных частиц. Подсистема информационно-вычислительного комплекса представляет собой систему сбора и обработки данных, построенную на базе промышленного компьютера с модулями ввода и вывода аналоговых, дискретных и цифровых сигналов или на базе программируемого логического контроллера с модулями ввода и вывода аналоговых, дискретных и цифровых сигналов. Кроме того, комплекс для контроля выбросов в режиме реального времени обеспечивает возможность осуществления одного из следующих методов анализа состава газов:
- экстрактивного холодного или сухого метода анализа состава газов, при этом газоаналитический канал состоит из пробоотборного зонда с обратной продувкой (опционально), обогреваемой линии транспортировки пробы, элементов подготовки пробы, газоанализатора измерений массовой концентрации загрязняющих компонентов и трансмиттера точки росы;
- экстрактивного горячего или влажного метода анализа, при этом газоаналитический канал состоит из пробоотборного зонда с обратной продувкой (опционально), обогреваемой линии транспортировки пробы и газоанализатора загрязняющих компонентов и паров воды, измеряющий проб при температуре 185°С, без отделения влаги.
В соответствии с частными случаями выполнения изобретение имеет следующие особенности.
Построенная на базе промышленного компьютера  система сбора и обработки данных выполнена с возможностью сбора данных от подсистемы измерительных каналов, вычисления усредненных значений данных от подсистемы измерительных каналов, вычисления значения объемного расхода дымовых газов, приведенного к нормальным условиям в состоянии сухой газ, вычисления валовых и массовых выбросов, приведенных к нормальным условиям в состоянии сухой газ, передачи по информационно-телекоммуникационным сетям данных показателей выбросов в реестр объектов, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду, визуализацию показаний содержания компонентов в дымовых газах.
Построенная на базе программируемого логического контроллера система сбора и обработки данных выполнена с возможностью сбора данных от подсистемы измерительных каналов, вычисления значения объемного расхода дымовых газов, приведенного к нормальным условиям в состоянии сухой газ, вычисления массовых выбросов, приведенных к нормальным условиям в состоянии сухой газ, визуализации показаний содержания компонентов в дымовых газах, управления элементами пробоподготовки.
Система подготовки сжатого воздуха содержит компрессор, воздушные фильтры и ресивер.
Сущность настоящего изобретения поясняется блок схемой, характеризующей принцип выполнения комплекса для контроля выбросов в режиме реального времени.
Комплекс для контроля выбросов в режиме реального времени выполнен в виде стационарного автоматического устройства, состоящего из вспомогательного оборудования 1, содержащего систему подготовки сжатого воздуха, систему вентиляции и кондиционирования, датчики загазованности с системой сигнализации, рабочее и аварийное освещение, и двух подсистем, включающих подсистему измерительных каналов 2, выполняющую функцию измерения, и подсистему информационно-вычислительного комплекса 3, выполняющую автоматический сбор, диагностику, автоматизированную обработку информации, выдачу информации пользователю и передачи во внешние базы данных 4.
При этом подсистема измерительных каналов состоит из газоаналитического канала анализируемого газа, канала измерения скорости потока, канала измерения температуры, канала измерения абсолютного давления, канала измерения массовой концентрации взвешенных частиц. Кроме того,  комплекс для контроля выбросов в режиме реального времени обеспечивает возможность осуществления одного из следующих методов анализа состава газов с применением двух вариантов конструктивного выполнения: 1) экстрактивного холодного или сухого метода анализа состава газов, при этом газоаналитический канал состоит из пробоотборного зонда ETL GSP с обратной продувкой(опционально), обогреваемой линии транспортировки пробы ETL GSL, элементов подготовки пробы, газоанализатора измерений массовой концентрации загрязняющих компонентов MGA 12 и трансмиттера точки росы; 2) экстрактивного горячего или влажного метода анализа, при этом газоаналитический канал состоит из пробоотборного зонда ETL GSP с обратной продувкой(опционально), обогреваемой линии транспортировки пробы ETL GSL и газоанализатора загрязняющих компонентов и паров воды MCA 10, измеряющий проб при температуре 185°С, без отделения влаги.
В таблице 1 приведены средства измерения, применяемые в комплексе для контроля выбросов
Таблица 1
Принцип действия комплекса основан на следующих методах для определения:
- всех компонентов - инфракрасная спектроскопия;
- пары воды - сенсор емкостного типа или инфракрасная спектроскопия;
- кислорода - парамагнитная или циркониевая ячейка;
- сероводорода - электрохимия,
- температуры - термометр сопротивления (изменение сопротивления сплава в зависимости от температуры) или термоэлектрический преобразователь температуры;
- давления - тензорезистивный;
- скорости газа - ультразвуковой/перепад давления/ корреляционный метод измерения времени перемещения локальной неоднородности газового потока;
- твердых (взвешенных) частиц - оптический.
Подсистема информационно-вычислительного комплекса 3 представляет собой систему сбора и обработки данных, построенную на базе промышленного компьютера с модулями ввода и вывода аналоговых, дискретных и цифровых сигналов или на базе программируемого логического контроллера с модулями ввода и вывода аналоговых, дискретных и цифровых сигналов.
Программное обеспечение комплекса состоит из ПО  системы сбора и обработки данных, построенной на базе промышленного компьютера или ПО системы сбора и обработки данных, построенной на базе программируемого логического контроллера. Характеристика ПО приведена в таблице 2.
Таблица 2
В одном из вариантов выполнения изобретения построенная на базе промышленного компьютера  система сбора и обработки данных выполнена с возможностью сбора данных от подсистемы измерительных каналов, вычисления усредненных значений данных от подсистемы измерительных каналов, вычисления значения объемного расхода дымовых газов, приведенного к нормальным условиям в состоянии сухой газ, вычисления валовых и массовых выбросов, приведенных к нормальным условиям в состоянии сухой газ, передачи по информационно-телекоммуникационным сетям данных показателей выбросов в реестр объектов, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду, визуализацию показаний содержания компонентов в дымовых газах.
В другом варианте выполнения построенная на базе программируемого логического контроллера система сбора и обработки данных выполнена с возможностью сбора данных от подсистемы измерительных каналов, вычисления значения объемного расхода дымовых газов, приведенного к нормальным условиям в состоянии сухой газ, вычисления массовых выбросов, приведенных к нормальным условиям в состоянии сухой газ, визуализации показаний содержания компонентов в дымовых газах, управления элементами пробоподготовки.
Вспомогательного оборудования 1 обеспечивает функционирование комплекса с помощью системы вентиляции и кондиционирования, датчиков загазованности с системой сигнализации, рабочего и аварийного освещения, системы подготовки сжатого воздуха, содержащей компрессор, воздушные фильтры и ресивер. Набор фильтров, клапаны, обогреватель обеспечивают работу устройства в режимах забора пробы, продувки зонда. Система вентиляции и кондиционирования обеспечивает поддержание температуры комплекса от 15 до 25°С и относительной влажности от 30 до 80%. Датчики загазованности с системой сигнализации позволяют повысить надежность устройства, при возникновении аварийной ситуации сигнал передается на подсистему информационно-вычислительного комплекса 3.
2
2
2
2
3
4
2
2
2
Комплекс для контроля выбросов осуществляет автоматическое непрерывное измерение объемной доли (массовой концентрации) оксида углерода (СО), оксида азота (NO), диоксида азота (NO), закиси азота (NO), диоксида серы (SO), сероводорода (HS), аммиака (NH), фтористого водорода (HF), хлористого водорода (HCl), метана (CH), диоксида углерода (СО), кислорода (О), паров воды (HО), массовой концентрации взвешенных частиц и параметров и параметров газового потока (температуры, давления и скорости) в выбросах промышленных предприятий и технологических газах;
Комплекс предназначен для осуществления следующих действий:
- сбора, обработки, визуализации, хранения полученных данных, представления полученных результатов в различных форматах;
х
2
- расчета массовых и валовых выбросов загрязняющих веществ, в том числе суммы оксидов азота NO (в пересчете на NO);
- передачи информации о показателях выбросов загрязняющих веществ по информационно-телекоммуникационным сетям в соответствие с форматом передачи данных, утвержденным Федеральной службой по надзору в сфере природопользования, в технические средства фиксации и передачи информации в государственный реестр объектов, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду (внешние Базы данных 4).
Комплекс для контроля выбросов имеет следующий принцип эксплуатации.
Подают напряжение питания на щит вводной. Устанавливают, что напряжение есть на обоих вводах шкафа.
Подают напряжение на систему сбора и обработки данных. После включения питания системы сбора и обработки данных автоматически производится загрузка встроенного программного обеспечения контроллера (при включении компьютера автоматически запускается установленное ПО). Подают напряжение на шкаф газоаналитического канала. Включение питания осуществляют путем продолжительного (от 3 до 5 секунд) нажатия на клавишу включения/выключения питания ИБП. Включение ИБП сопровождается звуковым сигналом и включением светового индикатора работы от сети переменного тока 220 В.
Подают напряжение на блок обратной продувки (опционально). Устанавливают, что напряжение есть на входе блока обратной продувки. Включают газоанализаторы. Включают обогрев пробоотборного зонда и пробоотборной линии. Включение отдельных устройств может производиться в любом порядке. После включения всех устройств комплекса выход на рабочий режим осуществляется в течение 2 часов.
После включения и выхода всех компонентов комплекса на рабочий режим устанавливают, что:
• отсутствует предупреждающие и аварийные сообщения, отображаемые средствами диагностики газоаналитического, вспомогательного оборудования и на экране системы сбора и обработки данных;
• на дисплее датчиков ИК индицируется текущая информация об измеряемых параметрах;
• на экране системы сбора и обработки данных отображается текущая информация об измеряемых параметрах.
Выполняют предварительное контрольное измерение массовой концентрации компонентов дымовых газов с использованием газовых смесей с заранее известным качественным и количественным составом. Измерение проводят с использованием газовых смесей для каждого газоаналитического канала системы. Показания измерения, осуществляемого газоаналитическим оборудованием в режиме реального времени, контролируют на дисплее газоаналитического канала и экране системы сбора и обработки данных.
Результаты измерения считаются удовлетворительными, если расхождение показаний, отображаемых на дисплее газоаналитического комплекса и на экране системы сбора и обработки данных, не превышает 0,2 долей от пределов основной погрешности.
Если результаты измерения не являются удовлетворительными, то необходимо выполнить коррекцию нуля и чувствительности газоаналитического комплекса. Далее, повторно выполняют контрольное измерение массовой концентрации компонентов дымовых газов с использованием газовых смесей с заранее известным качественным и количественным составом.
После выполнения вышеуказанных действий с помощью комплекса осуществляют измерение и вычисление параметров дымовых газов в непрерывном автоматическом режиме с помощью ПО.
Результаты измерения передаются по интерфейсам в АСУ ТП и/или сеть предприятия и в государственный реестр объектов, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду, а также отображаются на дисплеях измерительных приборов.