1. Wprowadzenie lat monitoringu emisji Pentolu w Polsce

Transkrypt

1 DOŚWIADCZENIA PENTOLU W ZAKRESIE REALIZACJI SYSTEMÓW CIĄGŁEGO MONITORINGU EMISJI SPALIN METODAMI IN SITU ORAZ EKSTRAKCYJNĄ Z KOTŁÓW, TURBIN GAZOWYCH, CEMENTOWNI I INNYCH OBIEKTÓW 1. Wprowadzenie lat monitoringu emisji Pentolu w Polsce Pojęcie ciągłe pomiary emisji (potocznie monitoring emisji ) pojawiło się w świadomości operatorów obiektów i instalacji emitujących zanieczyszczenia do atmosfery w Polsce ponad 20 lat temu. Początkowo systemy te były tworzone spontanicznie, bez powszechnie obowiązującego wymogu ustawowego. Obowiązujące obecnie Rozporządzenie Ministra Środowiska z 4 listopada 2008 w sprawie wymagań w zakresie prowadzenia pomiarów wielkości emisji oraz pomiarów ilości pobieranej wody wprowadziło do obowiązkowego stosowania normę PN-EN Emisja ze źródeł stacjonarnych - Zapewnienie jakości automatycznych systemów pomiarowych. Wymagania wobec systemów monitoringu emisji, a zwłaszcza procedur zapewnienia jakości zostały w ten sposób znacząco zaostrzone i zunifikowane z wymaganiami Unii Europejskiej. Systemy monitoringu emisji z lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku powstawały często na bazie istniejących pomiarów procesowych. W ten właśnie sposób trafiły do Polski pierwsze analizatory brytyjskiej firmy Codel International w latach zainstalowano na czterech obiektach w Polsce łącznie 13 instalacji kondycjonowania spalin zaprojektowanych i wyprodukowanych przez Pentol. Na każdej instalacji zabudowano pyłomierze i analizatory SO2. W EC Kraków-Łęg, gdzie istniały instalacje kondycjonowania spalin na czterech blokach ciepłowniczych, w roku 1993 uzupełniono wyżej wymienione analizatory procesowe o mierniki Codela: CO, NOx i przepływomierze wraz z systemem transmisji danych i komputerem emisyjnym z oprogramowaniem do prezentacji danych, generacji raportów oraz co 20 lat temu było ewenementem - zdalnej diagnostyki sprawowanej z siedziby serwisanta czy producenta, tworząc w ten sposób jeden z pierwszych w Polsce kompletnych systemów monitoringu emisji. W ciągu ostatnich lat Pentol wdrożył systemy monitoringu emisji zbudowane na bazie gazowych analizatorów ekstrakcyjnych, dzięki czemu jesteśmy w stanie zaoferować system monitoringu emisji praktycznie dla każdego obiektu i optymalnie dobrać rodzaj przyrządów do specyfiki obiektu, wymagań legislacyjnych oraz preferencji użytkowników. W samym 2013 roku dostarczyliśmy 9 ekstrakcyjnych systemów monitoringu emisji dla obiektów spalających węgiel, biomasę i gaz ziemny. Styczeń 2014

2 Przegląd rozwiązań specyficznych dla systemów oferowanych przez Pentol Pomiary gazowe In situ kontra ekstrakcyjne Codel jest jednym z pionierów metody In situ, uzasadniając swoją preferencję praktyczną bezobsługowością analizatorów (dzięki rezygnacji z systemu transportu i przygotowania próbki) i związanymi z tym stosunkowo niskimi kosztami eksploatacji. Pomocniczymi zaletami jest możliwość rzeczywistego pomiaru zawartości pary wodnej w spalinach oraz brak zagrożenia zafałszowaniem wskazań w przypadku, gdy część mierzonych gazów może zostać rozpuszczona w eliminowanym z próbki kondensacie. Codel w odróżnieniu do większości producentów gazowych analizatorów in situ opanował pomiar stężeń wszystkich gazów metodą absorpcji w podczerwieni (NDIR). Alternatywą jest stosowanie dwóch analizatorów jednego mierzącego niektóre gazy w podczerwieni, a pozostałe w ultrafiolecie. Pierwsze analizatory Codela miały otwartą ścieżkę pomiarową, co skutkowało dwiema genialnymi zaletami: uśrednianiem wzdłuż całej ścieżki pomiarowej oraz całkowitą odpornością na wszystkie agresywne składniki spalin, ale uniemożliwiały wiarygodną kalibrację podczas pracy źródła emisji. Obecnie stosowane rozwiązanie (sonda pomiarowa z filtrami dyfuzyjnymi w strudze spalin) daje możliwość kalibracji w każdym stanie obiektu, wymaga za to doprowadzenia powietrza AKPiA stosowanego do osłony optyki i kalibracji. Ponieważ strefa pomiarowa w sondzie ma długość do 1m, można mówić o efekcie uśredniania w poprzek strugi spalin, pamiętając, że w metodzie ekstrakcyjnej praktycznie punktowy pobór próbki nie zapewnia żadnego uśredniania. Analizatory In situ znajdują przede wszystkim zastosowanie w pomiarach spalin za wszelkimi typami kotłów energetycznych (z wyjątkiem wyposażonych w mokre instalacje odsiarczania), za piecami obrotowymi i innymi obiektami w cementowniach (również spalających paliwa alternatywne czyli po prostu odpady) oraz za różnymi instalacjami przemysłowymi (np. za spiekalniami rud w hutach). Metoda In situ przy wszystkich swoich zaletach ma również ograniczenia: nie nadaje się do pomiarów w strudze spalin o temperaturze powyżej ok. 400C oraz o temperaturze poniżej wodnego punktu rosy (powstające w takich warunkach lepkie, często agresywne chemicznie substancje mogą zakleić filtry w sondzie). Ponadto metoda ekstrakcyjna okazuje się dokładniejsza przy pomiarze bardzo niskich stężeń substancji gazowych. W przytoczonych powyżej przypadkach stosuje się metodę ekstrakcyjną. Większość analizatorów ekstrakcyjnych kondycjonuje próbkę osuszając ją, najczęściej metodą wychłodzenia do temperatury nieznacznie ponad 0C Pentol oferuje takie systemy oparte o komponenty wiodących producentów - analizatory japońskiej firmy Fuji Electric oraz drogę gazową austriackiej firmy JCT. Codel produkuje również analizator ekstrakcyjny, ale jest to przyrząd z tzw. gorącą próbką jest ona jedynie odfiltrowana, a na całej długości transportu oraz w samej strefie pomiarowej utrzymywana jest temperatura ok. 150C, co powoduje zachowanie wszystkich składników gazowych (w tym pary wodnej) w stanie identycznym jak w strudze spalin. Tylko analizator z gorącą próbką może mierzyć silnie rozpuszczalne w wodzie gazy jak HCl. Rozwiązanie to jest w praktyce stosowane najczęściej do analizy spalin z turbin gazowych. Specyfiką tego typu obiektów są niskie stężenia mierzonych gazów (np. NOx rzędu 20ppm), konieczność niezależnego pomiaru NO i NO2 oraz (w przypadku turbin nie wyposażonych w kotły odzysknicowe) wysoka temperatura spalin (rzędu 550C) Metoda absorpcyjna pomiaru pyłu kontra metoda rozproszeniowa Większość pyłomierzy optycznych stosowanych w monitoringu emisji działa na zasadzie pomiaru pochłaniania (ekstynkcji) światła widzialnego. Alternatywnymi rozwiązaniami są analizatory oparte na pomiarze rozproszenia światła: do tyłu (back-scatter) lub do przodu (front-scatter). Zaletą metody ekstynkcyjnej jest pomiar na całej szerokości (średnicy) kanału spalin lub komina, a więc odpowiedni dobór osi pomiaru może pozwolić na wiarygodne uśrednienie pomiaru nawet dla rozwarstwionej strugi pyłu, natomiast ograniczeniem tej metody jest pomiar bardzo niskich stężeń

3 3 zwłaszcza na krótkiej ścieżce pomiarowej. Metody rozproszeniowe pozwalają mierzyć bardzo niskie stężenia, ale strefa pomiarowa jest zazwyczaj ograniczona do kilkudziesięciu cm w głąb kanału czy komina. Codel oferuje pomiar pyłu jedynie w technice ekstynkcyjnej, umożliwiając jednakże pomiar typowych stężeń pyłu za filtrami workowymi (rzędu kilku-kilkunastu mg/m 3 ). Przyjęta technika pomiarowa w połączeniu z cyfrową transmisją danych pomiarowych umożliwia wiarygodny pomiar w bardzo szerokim zakresie stężeń (typowo od kilku mg/m 3 do kilku g/m 3 ) bez konieczności jakichkolwiek zmian ustawień w przyrządzie Pyłomierze jednoprzebiegowe kontra dwuprzebiegowe Większość pyłomierzy ekstrakcyjnych składa się z głowicy nadawczo-odbiorczej i zlokalizowanego po przeciwnej stronie ścieżki optycznej lustra. Rozwiązanie to ma szereg zalet, np. dzięki podwójnej ścieżce optycznej może rozszerzyć zakres pomiarów w kierunku małych wartości stężeń, jest jednak obarczona wadą, jaką jest brak możliwości rzeczywistej kompensacji zanieczyszczeń lustra. Codel zastosował w modelu D-CEM2100 rozwiązanie alternatywne: dwie głowice nadawczo-odbiorcze zamieniające się funkcjami kilkadziesiąt razy na sekundę. To rozwiązanie (opisane w rozdziale 3.2) pozwala na rzeczywistą kompensację zanieczyszczeń optyki z obu stron, a poza tym pozwala na wykrycie niewłaściwego osiowania Przepływomierze korelacyjne z detektorami podczerwieni kontra ultradźwiękowe Miarodajny pomiar prędkości (przepływu) spalin w warunkach zanieczyszczonych spalin jest najczęściej realizowany metodami nieinwazyjnymi. Powszechnie stosowana jest metoda ultradźwiękowa, polegająca na zastosowaniu dwóch głowic nadawczo-odbiorczych umieszczonych po przeciwnych stronach kanału spalin lub komina, a oś głowic pochylona jest pod kątem najczęściej 45. Metoda ultradźwiękowa sprawdza się przede wszystkim dla laminarnej strugi spalin, co stawia wysokie wymagania co do lokalizacji analizatora. Ponadto, montaż przyrządu ultradźwiękowego na kominie jest utrudniony (wymaga dodatkowego podestu). Codel stosuje unikalną metodę korelacji sygnałów z głowic odbierających naturalne promieniowanie podczerwone emitowane przez przepływające spaliny. Opis tego ciekawego przyrządu zawarto w rozdziale 3.3. Miernik wiarygodnie pracuje również w umiarkowanie turbulentnej strudze spalin, a zawartość pyłu czy pary wodnej poprawia jakość wskazań. Przepływomierz optyczny wymaga (dokładnie tak jak wszystkie inne przepływomierze) minimalnego prostego odcinka, a ograniczeniem zastosowania są: bardzo niska temperatura i prędkość spalin. Miernik Codela V-CEM5100 uzyskał certyfikat TÜV dla zakresu prędkości 3-50m/s Transmisja cyfrowa danych kontra analogowa Gdy 20 lat temu Codel wdrożył koncepcję generowania danych pomiarowych w postaci cyfrowej oraz szeregowej transmisji danych z analizatorów do jednostki centralnej i komputera był niewątpliwie pionierem w tej dziedzinie. Również w przypadku stosowania aparatury innych niż Codel producentów Pentol preferuje cyfrową transmisję danych w maksymalnym technicznie możliwym zakresie. Wieloletnie doświadczenie potwierdza niewątpliwie zalety takiego rozwiązania. Najważniejsze z nich to: oszczędność na okablowaniu (praktycznie dowolna ilość pomiarów nawet z wielu przekrojów pomiarowych transmitowana jest wspólnym czterożyłowym kablem), brak konieczności przestawiania zakresu nawet przy dużych zmianach wartości mierzonych, możliwość buforowania danych w analizatorach w przypadku przerw w transmisji, wreszcie dwukierunkowa transmisja danych pozwala na zdalny dostęp do diagnostyki i konfiguracji wszystkich podstawowych elementów systemu nie tylko z poziomu komputera emisyjnego, ale poprzez Internet, modem GSM lub sieć telefoniczną z siedziby serwisu lub producenta. Takie rozwiązanie w sposób znaczący podnosi niezawodność systemu, pozwala również na jego eksploatację na obiektach nie zatrudniających kwalifikowanych automatyków.

4 4 2. Koncepcja systemu Każdy system oferowany przez Pentol, niezależnie od typu zastosowanych analizatorów charakteryzuje się wspólnymi cechami: Transmisja cyfrowa miedzy analizatorami (koncentratorem) a komputerem emisyjnym, dwukierunkowa łączność zarówno z analizatorów do komputera (odczyt wartości mierzonych, diagnostyki, parametrów pracy przyrządów) jak i z komputera do analizatorów (kalibracja analizatorów, konfiguracja elementów systemu), Możliwość podłączenia wielu grup analizatorów do wspólnej magistrali danych. Więcej szczegółów na temat transmisji danych w rozdziale System z analizatorami in situ produkcji Codel International Przykładowy schemat systemu dla jednego przekroju pomiarowego pokazano na rys. 1. Wszystkie analizatory zainstalowane są bezpośrednio w przekroju pomiarowym (na kanale spalin lub kominie. Związany z analizatorem gazowym G-CEM4000 sterownik centralny pełni rolę koncentratora, który poprzez szeregowa magistralę danych połączony jest z komputerem emisyjnym. Rysunek 1. Przykładowa konfiguracja systemu ciągłego monitoringu emisji dla jednej grupy analizatorów 2.2 System z gazowymi analizatorami ekstrakcyjnymi Fuji Electric W przekroju pomiarowym (rys. 2) zostaną zabudowane: Sonda do poboru próbki dla gazowego pomiaru ekstrakcyjnego z podgrzewanym filtrem i (w razie takiej konieczności) podgrzewaną rurą poboru próbki; Pyłomierz in situ lub w razie potrzeby ekstrakcyjny; Przepływomierz spalin; Termometr i manometr do celów normalizacyjnych.

5 5 Rys. 2. Przykładowa konfiguracja systemu ciągłego monitoringu emisji z analizatorem ekstrakcyjnym Sonda będzie połączona grzanym wężem z kontenerem ustawionym w pobliżu przekroju pomiarowego. W kontenerze będą zlokalizowane: Układ kondycjonowania próbki produkcji JCT Analizator gazowy ekstrakcyjny Fuji Electric typ ZRE Elementy niezbędne do kalibracji analizatorów Moduły wejść/wyjść analogowo-cyfrowych z komunikacją RS485 do wymiany danych z panelem operatorskim (koncentratorem danych) HMI Panel operatorski HMI pełniący funkcje nadzoru nad elementami wchodzącymi w skład układu pomiarowego, koncentratora danych oraz komunikacji z komputerem emisyjnym

6 6 3. Opis analizatorów Systemu Ciągłego Monitoringu Emisji 3.1. Analizator gazowy in situ Codel G-CEM4000/G-CEM40 Model G-CEM4000 może mierzyć stężenie do siedmiu gazów spośród CO, NO, NO2, SO2, HCl, CH4 i H2O. Jest to miernik optyczny in situ, zachowujący wszystkie zalety tej technologii. Wychodzący z oficjalnego użycia, chociaż wciąż powszechnie stosowany termin NOx oznacza wszystkie tlenki azotu tzn. NO, NO2, N2O, N2O3, N2O5. Dyrektywa IED wprowadza w zamian pojęcie NO+NO2, ponieważ stężenia pozostałych tlenków są pomijalnie małe. Analizy dla spalin kotłowych wykazały, że z całości emisji wszystkich tlenków azotu NO stanowi 95%, a 5% NO2, dlatego też w wersji podstawowej przewidziano pomiar NO bez pomiaru NO2. W przypadku gdy niezbędne będzie uwzględnienie rzeczywistego udziału NO2 zostanie gaz ten będzie bezpośrednio mierzony przez analizator. Zgodnie z obowiązującymi w Polsce i Unii Europejskiej przepisami stężenie NOx ma zostać przeliczony na NO2. Pomiar dokonywany jest wewnątrz sondy zamontowanej wewnątrz kanału spalin lub komina miernik (rys. 3) ma jedną głowicę (pokazaną na rysunku 4) pełniącą rolę nadajnika i odbiornika promieniowania podczerwonego. Element pomiarowy sonda prześwietlana promieniowaniem podczerwonym ma długość zależnie od wersji 0,6 lub 1m. Rysunek 3. Schemat analizatora wielogazowego Codel typ G-CEM4000 Wzdłuż części pomiarowej sondy zabudowane są filtry dyfuzyjne, zapewniające swobodny przepływ gazów i nie przepuszczające do wewnątrz sondy pyłów ani kropel cieczy. Na końcu sondy znajduje się lustro pokryte rodem (metal szlachetny z grupy kobaltowców, bardzo odporny na działanie czynników chemicznych), co zapewnia trwale wysoki współczynnik odbicia również dla promieniowania podczerwonego. Łączna długość sondy (część pomiarowa i część nośna) wynosi w zależności od wersji od 1,0 do 1,8m. Zasada pomiaru oparta jest na niedyspersyjnym pochłanianiu promieniowania podczerwonego (NDIR). Wykorzystuje się zjawisko pochłaniania promieniowania podczerwonego przez gazy heteroatomowe (jak np. CO lub NO) dla każdego gazu da się określić indywidualne częstotliwości promieniowania podczerwonego silnie pochłaniane przez dany gaz. Analizator zawiera zintegrowane mierniki temperatury i ciśnienia bezwzględnego, co upraszcza połączenia między elementami systemu. Zachowanie stabilnej temperatury wewnątrz głowicy jest krytyczne dla dokładności i powtarzalności wskazań analizatora. Aby sprostać temu wymaganiu.

7 7 w najtrudniejszych i szybko zmieniających się warunkach atmosferycznych (np. na kominach), Codel opracował aktywną osłonę pogodową z elementem Peltiera. Rysunek 4. Głowica analizatora G-CEM4000 zabudowana na kominie Sterownik lokalny (SCU) wspólny dla grupy pomiarowej pełni funkcję zasilacza, koncentratora danych pomiarowych oraz realizuje funkcję normalizacji. Parametrami normalizującymi są: temperatura, ciśnienie, wilgotność i zawartość O2. Pierwsze trzy parametry mierzone są w mierniku wielogazowym, O2 za pomocą tlenomierza zewnętrznego. Wartości stężeń mogą być alternatywnie przedstawione w postaci mg/m 3 lub mg/nm 3, w przeliczeniu na stałą zawartość O2 i/lub na spaliny suche. Zastosowany procesor umożliwia swobodny wybór czasu uśredniania w zakresie od 10s do 30 dni. Zastosowanie sondy pomiarowej zamontowanej wewnątrz kanału spalin umożliwia dokonanie kalibracji zera i zakresu. Wykorzystywany do tego celu jest dołączony do analizatora moduł kalibracji. Zero kalibruje się poprzez podanie do wnętrza sondy gazu zerowego (powietrze AKPiA lub azot), który usuwa spaliny ze strefy pomiarowej i umożliwia stworzenie rzeczywistych warunków zerowych. Po przedmuchaniu wnętrza sondy oraz uzyskaniu stabilnych wskazań rozpoczyna się cykl kalibracyjny. Kalibracja zera może być dokonywana automatycznie w zadanych odstępach czasu bądź inicjowana ręcznie z poziomu analizatora lub komputera. Producent zaleca automatyczną kalibrację zera raz na dobę. Ponieważ krzywa pochłaniania promieniowania podczerwonego jest jednoznacznie określona prawami fizyki, ewentualny błąd wskazań analizatora może być skutkiem jedynie pełzania zera. Regularna kalibracja zera gwarantuje, więc długotrwałą poprawność wskazań. Kalibracja zakresu dokonywana jest, podobnie jak kalibracja zera, w warunkach rzeczywistych. Dla uzyskania maksymalnej miarodajności kalibracji punktu pracy, gaz wzorcowy będący mieszaniną gazów wzorcowych o uzgodnionych stężeniach z nośnikiem w postaci azotu jest podawany do tej samej przestrzeni, w której odbywa się pomiar, tzn. do wnętrza sondy pomiarowej. Kalibracja zakresu wykonywana jest po każdym przeglądzie serwisowym i w dowolnej chwili według potrzeb użytkownika. W ostatnich latach Codel wdrożył model analizatora wielogazowego G-CEM40, który zachowuje zasadę działania, podstawy konstrukcji i parametry jakościowe poprzedniego modelu jest jego alternatywą, szczególnie przydatną do zastosowań procesowych. Miernik może mierzyć do pięciu gazów (zamiast siedmiu) z tej samej palety co G-CEM4000. Istnieje również uproszczona, jednogazowa wersja

8 8 analizatora przeznaczona do pomiaru CO. Sonda z filtrami dyfuzyjnymi doskonale sprawdza się w warunkach wysokiego zapylenia rzędu kilkudziesięciu g/m 3, dzięki czemu analizatory znajdują zastosowanie w systemach zabezpieczeń odpylacza przed niekontrolowanym wzrostem stężenia tlenku węgla Ekstrakcyjny analizator gazowy Fuji Electric typ ZRE Uwagi ogólne Analizator model ZRE, wyprodukowany przez firmę Fuji Electric jest urządzeniem wielokanałowym (do 5 ścieżek pomiarowych, jeżeli jednym z mierzonych gazów jest tlen lub do 4 ścieżek pomiarowych bez pomiaru tlenu). Dla typowych zastosowań przewidziano analizator z torami pomiarowymi SO2, NOx, CO i O2. (piątym mierzonym gazem może być np. CO2). Analizator został zaprojektowany, jako podstawowy przyrząd do pomiarów ciągłych dla potrzeb systemów monitoringu emisji dla obiektów energetycznego spalania paliw i posiada certyfikat QAL-1 zgodnie z wymaganiami normy PN-EN W wersji podstawowej przewidziano pomiar NO bez pomiaru NO2. W przypadku, gdy niezbędne będzie uwzględnienie rzeczywistego udziału NO2 zostanie zastosowany konwerter NO2 do NO produkcji Fuji zapewniający, że pomiar NO będzie miarodajny dla łącznego stężenia NO+NO2. Zgodnie z obowiązującymi w Polsce i Unii Europejskiej przepisami stężenie NOx ma zostać przeliczony na NO Zasada działania i budowa Widok panelu czołowego analizatora, montowanego w obudowie typu Rack o podziałce 19 przedstawia rys. 5. Analizator posiada duży wyświetlacz umożliwiający jednoczesne odczytanie wszystkich mierzonych wartości stężeń oraz klawiaturę pozwalającą na konfigurację wszystkich funkcji miernika. Przyrząd łączy dwie techniki pomiarowe, optymalne dla poszczególnych mierzonych gazów. Rys. 5 Widok panelu czołowego analizatora Absorpcja promieniowania podczerwonego Przyrząd może wykorzystywać jednocześnie do 4 kanałów pomiarowych wykorzystujących absorpcję promieniowania elektromagnetycznego w podczerwieni (NDIR). Każdy z kanałów mierzących w podczerwieni (rys. 6) składa się ze źródła promieniowania zabudowanego w wirującym cylindrze ze szczeliną, zapewniającym modulację wiązki promieniowania. Zabudowany po przeciwnej stronie w stosunku do źródła podwójny detektor generuje sygnał pomiarowy. Sygnały ten, po wzmocnieniu jest przetwarzany do postaci cyfrowej i wprowadzany do procesora, który na podstawie odpowiednich algorytmów oblicza sygnał stężenia danego gazu.

9 9 Rys. 6 Budowa kanału pomiarowego pracującego w podczerwieni (NDIR) W opisany powyżej sposób mierzone są stężenia wszystkich mierzonych gazów oprócz tlenu. Poniżej w rozdziałach opisano trzy opcjonalne rozwiązania pomiaru O2: elektrochemiczne, cyrkonowe i paramagnetyczne. Wszystkie trzy metody są dopuszczone przez prawo i wybór zależy od parametrów spalin oraz preferencji inwestora. Dane techniczne analizatora Fuji ZRE Zakresy (technika pomiaru) zakres min zakres max SO2 (podczerwień) ppm ppm NO (podczerwień) ppm ppm CO (podczerwień) ppm ppm O % obj % obj. Dla każdego z torów pomiarowych można dobrać 2 zakresy pomiarowe. Powyższy dobór jest przykładowy i jest każdorazowo dostosowywany do rzeczywistego zakresu poszczególnych stężeń. Zakresy mogą być przełączane automatycznie. Charakterystyka czujników Liniowość* 1% Pływanie zera* 2%/tydzień Pływanie zakresu* 2%/tydzień Powtarzalność* 0,5% Czas odpowiedzi t90** 60s (po przełączeniu źródła próbki) Przepływ próbki 0,5 0,2dm 3 /min. Wyjścia analogowe 4 20mA, 550 max. 0-1V 100KΩ min. dwustanowe do sygnalizacji wysokiego stężenia gazu lub uszkodzenia analizatora

10 10 Temperatura otoczenia cyfrowe w protokole Modbus przez port szeregowy RS o C Wilgotność względna otoczenia 0 90% Obudowa do montażu w szafie lub na stojaku typu rack 19 lub do zabudowy w panelu, rozmiar 133 x 483 x 418mm Masa około 8kg (sam analizator) Zasilanie V 50-60Hz, 100W *) **) W odniesieniu do wybranego zakresu pomiarowego Bez uwzględnienia toru poboru próbki Czujnik elektrochemiczny (moduł analizatora Fuji ZRE) Służy do pomiaru stężenia tlenu. Zastosowany detektor (rys. 7) ma małe wymiary oraz charakteryzuje się krótkim czasem odpowiedzi i szerokim zakresem dynamicznym. Zastosowany czujnik tlenu jest to odmiana ogniwa elektrochemicznego, które generuje prąd proporcjonalny do ciśnienia parcjalnego tlenu znajdującego się w próbce gazu otaczającego membranę. Molekuły tlenu, przenikając do ogniwa przez nieporowatą membranę teflonową, zachodzą w reakcję chemiczną na katodzie wywołując przepływ prądu na pomiędzy elektrodami. Napięcie pomiędzy elektrodami powstałe na skutek przepływu prądu jest proporcjonalne ciśnienia parcjalnego tlenu w próbce a zatem przy stałym ciśnieniu próbki gazu, jest proporcjonalne do stężenia tlenu w próbce. Ta wersja czujnika na bazie elektrolitu kwasowego jest praktycznie nieczuła na interferencje skrośne, szczególnie z CO2, CO, CH4 i H2. Czujnik ma wbudowany termistor do kompensacji temperaturowej sygnału wyjściowego. Rys. 7 Budowa czujnika elektrochemicznego tlenu Tlenomierz cyrkonowy Fuji Electric ZFK7 Cyrkonowy analizator tlenu pracuje w oparciu o metodę ekstrakcyjną. Zasada pomiaru oparta jest na wykorzystaniu ogniwa cyrkonowego umieszczonego bezpośrednio w próbce mierzonego gazu. Ogniwo to jest podgrzewane do stałej temperatury 800 C. Siła elektromotoryczna na jego elektrodach zależy od stężenia tlenu mającego kontakt z nimi i jest opisana wzorem Nernsta:

11 11 E = - RT nf ln PX PA gdzie: R: stała gazowa T: temperatura absolutna F: stała Faradaya PX: stężenie tlenu w gazie referencyjnym pozostającym w kontakcie z ujemną elektrodą PA: stężenie tlenu w gazie mierzonym pozostającym w kontakcie z dodatnią elektrodą Gazem referencyjnym jest powietrze z otoczenia. Wraz ze zmianą stężenia O2 w mierzonym gazie zmienia się siła elektromotoryczna ogniwa. Budowę analizatora przedstawia rysunek 8. Na obudowie znajduje się wyświetlacz do odczytywania danych z analizatora. Tlenomierz jest zintegrowany z analizatorem wielogazowym Fuji ZRE. Rys. 8 Budowa tlenomierza cyrkonowego Fuji ZFK Czujnik paramagnetyczny tlenu (moduł analizatora Fuji ZRE) Czujnik paramagnetyczny zintegrowany z analizatorem Fuji ZRE mierzy stężenie tlenu w próbce spalin na zasadzie konwersji zawartości O2 na wartość ciśnienia zależną od własności magnetycznych tlenu. Wszystkie gazy charakteryzują się dodatnią lub ujemną podatnością magnetyczną. Spośród nich cząsteczki tlenu (jak również NO i NO2) mają bardzo wysoką podatność magnetyczną i są silnie przyciągane przez pole magnetyczne, podczas gdy pozostałe składniki spalin wykazują własności diamagnetyczne. Wpływ NO i NO2 jest pomijany ze względu na znikome stężenie tych gazów w porównaniu z tlenem.

12 12 Możliwy jest więc pomiar stężenia tlenu w spalinach wykorzystując jego podatność magnetyczną. Rys. 9 ilustruje budowę kanału pomiarowego tlenu. W niejednorodnym polu magnetycznym cząsteczki tlenu są przyciągane w kierunku obszaru o wyższej gęstości pola magnetycznego co powoduje miejscowy wzrost ciśnienia. Wartość ciśnienia jest przetwarzana na sygnał elektryczny przez detektor mikroprzepływu i następnie wzmacniany. 3.3 Układ przygotowania próbki Rys. 9 Budowa celi paramagnetycznej Na rys. 10 przedstawiono schemat przepływu próbki od sondy do analizatora. Rys. 10 Schemat przepływu próbki do analizatora FUJI ZRE Układ składa się z następujących komponentów: Sonda poboru próbki ER-S10 Wąż poboru próbki JCT JH3F Chłodnica kompresorowa z podwójnym wymiennikiem, typ Compact MIDI

13 13 Pompa membranowa zasysająca próbkę typ 303 Pompka kondensatu Filtr typ JF-1TE2 Czujnik wilgoci typ KW-1 Filtr aerozolu typ 20.5 Zawory elektromagnetyczne do kalibracji 3.4 Pyłomierze Pentol ma w swojej ofercie 4 modele pyłomierzy (miernik Codela może być stosowany zarówno w systemach ( in situ jak i ekstrakcyjnych, pozostałe oferowane są z systemami ekstrakcyjnymi): Codel D-CEM2100 in situ optyczny prześwietleniowy; Land 4500MkIII in situ optyczny prześwietleniowy; Durag D-R800 in situ optyczny rozproszeniowy (stosowany na kominach lub kanałach spalin o bardzo małych gabarytach oraz w przypadku bardzo niskich stężeń pyłu); Dr. Foedisch PFM 06 ED ekstrakcyjny optyczny rozproszeniowy (stosowany w przypadku istnienia wolnych kropel wody w spalinach, np. za absorberem mokrego odsiarczania). Pyłomierz Codela otrzyma certyfikat w I połowie 2014r., natomiast pozostałe 3 mierniki posiadają już certyfikaty QAL 1. W dalszej części rozdziału opisano poszczególne modele Pyłomierz optyczny Codel D-CEM 2100 Przyrząd dostępny jest w dwóch wersjach: dostosowanej do współpracy z analizatorem gazowym Codel oraz samodzielnej. Różnice obejmują sposób zasilania oraz wyprowadzenia sygnału pomiarowego. Opis poniżej odnosi się do wersji samodzielnej. Pomiar stężenia pyłu dokonywany metodą optyczną opiera się na określeniu stopnia pochłaniania (ekstynkcji) wiązki promieniowania w poprzek drogi gazu. Mierniki optyczne podają zazwyczaj, oprócz ekstynkcji, wartość względnego stopnia zaczernienia ("opacity"), przy czym: zaczernienie + przejrzystość = 1 Z kolei wzajemną zależność ekstynkcji i zaczernienia określa wzór Beer-Lamberta: zaczernienie = 1 - e -ekstynkcja Warunkiem miarodajności metody optycznej dla określenia emisji cząstek stałych są rozmiary cząsteczek pyłu - zakłada się, że nie powinny być mniejsze od długości fali promieniowania używanego do prześwietlania kanału spalin, tj. ok. 0,6µm. Pochłanianie strumienia światła przez cząsteczki stałe zależy zarówno od rozmiarów cząsteczek jak i od długości fali świetlnej. Zwłaszcza zdolność rozpraszania maleje, gdy rozmiar cząsteczek jest mniejszy od długości fali światła użytego do pomiaru. Z tego powodu promieniowanie podczerwone jest mniej skuteczne od światła widzialnego do wykrywania cząstek o rozmiarach submikronowych. Światło widzialne nie jest absorbowane przez inne składniki spalin, jak dwutlenek węgla bądź para wodna, zapewnia wreszcie porównywalność wyników z metodą Ringelmana. Stężenie pyłu w gazie C jest wprost proporcjonalne do mierzonej przez przyrząd ekstynkcji E i wyraża się wzorem:

14 14 E k C = l gdzie l jest długością ścieżki pomiarowej (wewnętrzny wymiar kanału lub komina w miejscu zainstalowania przyrządu), natomiast k jest współczynnikiem proporcjonalności, który należy określić empirycznie przez porównanie wskazań ekstynkcji mierzonej przez przyrząd optyczny z wynikiem pomiaru izokinetycznego. W przypadku braku wyników pomiaru porównawczego można przyjąć, jako wartość tymczasową, do chwili przeprowadzenia wzorcowania przybliżoną wartość współczynnika k=2500. Wzorcowanie pyłomierza należy przeprowadzić metodą pomiarów grawimetrycznych. Na ich podstawie do pamięci przyrządu zostanie wstawiony wyliczony współczynnik. Opisany poniżej przyrząd wykorzystuje zjawisko liniowej zależności ekstynkcji tzn. stopnia pochłaniania promieniowania widzialnego od stężenia pyłu. Budowa analizatora Miernik umożliwia kontrolę wskazań odpowiadających zerowemu zapyleniu bez przerywania procesu technologicznego - a więc dla procesów ciągłych oraz kominów zbierających spaliny z kilku źródeł emisji. Układ kompensacji zanieczyszczeń powierzchni optycznych zapewnia precyzyjny pomiar również dla niskich poziomów zapylenia. Rys. 11 Sposób montażu pyłomierza typ D-CEM 2100 Miernik (rys. 11) składa się z dwóch identycznych zespołów nadajnik-odbiornik i modułów: procesora, wyświetlacza i zasilacza. Zespoły nadajnik-odbiornik są montowane naprzeciwko siebie na kanale spalin. Nadajnik-odbiornik składa się ze źródła światła (diody LED), detektora, układu optycznego z ruchomym lustrem kalibracyjnym zamontowanym w zaworze kulowym oraz niezbędnego dla sterowania i pomiaru układu elektronicznego. Źródłem światła jest dioda elektroluminescencyjna (LED) modulowana w taki sposób, że w danym momencie tylko jedna z nich świeci. Przełączenie diod odbywa się 37,5 razy na sekundę. System optyczny każdej z głowic jest tak zaprojektowany, że detektor otrzymuje sygnał z własnej diody oraz z przeciwległego nadajnika. Sygnały emitowane z nadajników są elektronicznie

15 15 modulowane częstotliwością 600 Hz, dzięki czemu można było odstroić odbiorniki od obcych źródeł światła. Rys. 12 Układ optyczny pyłomierza typ D-CEM Podczas normalnej pracy (rysunek 12 po lewej) położenie zaworu kulowego pozwala, aby strumień światła przepływał poprzez kanał spalin do drugiego zespołu. W tym czasie lustro jest zabezpieczone przed spalinami. W wybranych przez użytkownika odstępach czasu zostaje zainicjowana procedura kalibracyjna dla zerowego zaczernienia (rysunek 12 po prawej). W tym celu zawór kulowy obraca się odcinając system od otoczenia a lustro ustawia się prostopadle do strumienia światła. Odbiornik mierzy w tym czasie natężenie światła tłumionego jedynie przez elementy optyczne. Każdy z nadajników-odbiorników jest kalibrowany indywidualnie, dzięki czemu w odróżnieniu od innych systemów, zanieczyszczenie układów optycznych jest automatycznie kompensowane. W najnowszej wersji zastosowano również układ weryfikacji wskazań pyłomierza w punkcie pracy. Funkcja ta jest realizowana po ustawieniu lustra w pozycji kalibracji zera. Częściowe zaczernienie symulowane jest przez kontrolowane zmniejszenie intensywności świecenia diody LED. Z uwagi na bardzo precyzyjną kontrolę intensywności świecenia diody metoda ta jest wiarygodna, a zarazem znacznie prostsza konstrukcyjnie od wprowadzania na ścieżkę optyczną filtra sygnalizującego częściowe zaczernienie unika się zastosowania kolejnego ruchomego elementu. Dla zabezpieczenia powierzchni optycznych zastosowano układ powietrza zaporowego, niedopuszczającego do osadzania się cząstek stałych zawartych w przepływającym gazie. Do tego celu stosuje się niewielkie ilości 3,5 dm 3 /s czystego powietrza o ciśnieniu 0,1-0,5 MPa. W przypadku stabilnego podciśnienia medium rolę tę może pełnić zasysane powietrze atmosferyczne, chociaż nie jest to rozwiązanie zalecane, jako docelowe. Zespół procesora zawiera mikroprocesor do przetwarzania danych z obydwu głowic i formowania sygnału wyjściowego. Przyrząd oferuje możliwość odczytu wartości pomiaru w postaci zaczernienia (w procentach lub jednostkach Ringelmana), ekstynkcji, bądź po wprowadzeniu współczynnika proporcjonalności - stężenia pyłu, mierzonego w miligramach na rzeczywisty lub normalny metr sześcienny. Miernik umożliwia przeliczanie stężeń na warunki normalne. Zastosowany procesor umożliwia swobodny wybór czasu uśredniania w zakresie od 10 sekund do 30 dni. Oprócz wyjścia analogowego 4 20 ma miernik posiada wyjście szeregowe RS485. Przyrząd wyposażony jest w klawiaturę i wyświetlacz ciekłokrystaliczny umożliwiające programowanie, kalibrację i diagnostykę miernika.

16 16 Pamięć trwała RAM pozwala na utrzymanie wszystkich danych w przypadku zaniku zasilania. Dane techniczne analizatora: Zakres - zaczernienie - nastawiany indywidualnie w dowolnym podzakresie 0 100% - ekstynkcja - nastawiany indywidualnie - stężenie pyłu - nastawiany indywidualnie w zakresie mg/nm 3 Przetwarzanie danych pomiarowych Dokładność Powtarzalność Max. pełzanie długookresowe Długość ścieżki pomiarowej Obudowa Wyjście Temperatura otoczenia Zasilanie Zużycie powietrza czyszczącego Pyłomierz optyczny LAND 4500MkIII Uwagi ogólne - bieżące uśrednianie w czterech nastawianych przedziałach czasowych: 10-60s, 1-60 min, 1-24h, 1-30d. - ± 0,2% zaczernienia - ± 0,1% zaczernienia - 0,2% zaczernienia - max. 8m - stopień ochrony IP65Wyjście - analogowe 0 20 lub 4 20mA, 500Ω max. (wybrany przedział uśredniania) - szeregowe przez magistralę RS485 - dwustanowe do sygnalizacji wysokiego zanieczyszczenia układu optycznego lub braku współosiowości do +60 o C - 230V prądu zmiennego 30VA (48V prądu stałego w wersji współpracującej z analizatorem gazowym Codela) - 12Nm 3 /h, ciśnienie min 5 bar Pomiar stężenia pyłu dokonywany metodą optyczną opiera się na określeniu stopni pochłaniania (ekstynkcji) wiązki promieniowania w poprzek drogi gazu, a więc podobnie jak opisano to w rozdziale dla pyłomierza Codel. Budowa analizatora Miernik jest zmodyfikowaną wersją modelu 450MkII. Umożliwia on kontrolę wskazań odpowiadających zerowemu zapyleniu bez przerywania procesu technologicznego - a więc dla procesów ciągłych oraz kominów zbierających spaliny z kilku źródeł emisji. Układ automatycznej korekcji zera zapewnia precyzyjny pomiar również dla niskich poziomów zapylenia. Miernik (rys. 13 i 14) składa się z zespołu nadajnik/odbiornik, zwierciadła oraz skrzynki zaciskowej. Zespoły nadajnik/odbiornik oraz zwierciadło montowane naprzeciwko siebie na kanale spalin. Nadajnik-odbiornik składa się ze źródła światła (zielonej diody LED modulowanej za pomocą opatentowanej przez producenta technologii Flood LED ), detektora, układu optycznego z lustrem półprzepuszczalnym, ruchomym elementem do kalibracji zakresu, ruchomym lustrem do automatycznej

17 17 kalibracji zera oraz niezbędnego dla sterowania i pomiaru układu elektronicznego z wyświetlaczem i klawiaturą. Rys. 13 Widok głowic pyłomierza LAND 4500MkIII Dla zabezpieczenia powierzchni optycznych zastosowano układ powietrza zaporowego, niedopuszczającego do osadzania się cząstek stałych zawartych w przepływającym gazie. Do tego celu stosuje się dmuchawę lub niewielkie ilości czystego powietrza o ciśnieniu 0,5 MPa. Zespół procesora zawiera układ zasilania zabudowany w skrzynce zaciskowej oraz zintegrowany z głowicą nadawczo-odbiorczą mikroprocesor do przetwarzania danych z obydwu głowic i formowania sygnału wyjściowego. W głowicy zabudowane są również wyświetlacz i klawiatura. Przyrząd oferuje możliwość odczytu wartości pomiaru w postaci zaczernienia, ekstynkcji, bądź po wprowadzeniu współczynnika proporcjonalności - stężenia pyłu, mierzonego w miligramach na metr sześcienny. Pamięć trwała RAM pozwala na utrzymanie wszystkich danych w przypadku zaniku zasilania. Rys. 14. Budowa elementów pyłomierza LAND 4500MkIII

18 18 Dane techniczne analizatora: Zakres - zaczernienie % do 0-100% Pływanie (długoterminowe) Rozdzielczość Ścieżka pomiarowa Kalibracja Korekcja zera Czas odpowiedzi Uśrednianie Temperatura otoczenia Temperatura spalin Wyjścia - analogowe - ekstynkcja - 0-0,1 do 0-3,0 - stężenie pyłu to mg/Nm 3 - <0,3% zaczernienia/miesiąc - 0,1% zaczernienia, 0,001 ekstynkcji, 0,1mg/m 3 stężenia - 0,5 do 10m - automatyczna kalibracja zera i zakresu - ustawiany okres 1-24h - automatyczna korekcja zera - 10s - ustawiane od 10s do 24h do +55 C C max - izolowane 4-20mA konfigurowane jako zaczernienie, ekstynkcyjne lub stężeń pyłu - szeregowe - RS485 zaczernienia, ekstynkcyjne, stężenia oraz stan przyrządu (protokół Modbus) - dwustanowe - System OK., kalibracja, alarm Pyłomierz Durag D-R800 Pyłomierz D-R800 jest przyrządem in situ służącym do ciągłego pomiaru niskich i średnich wartości stężenia pyłu w spalinach. Miernik działa na zasadzie rozpraszania wiązki światła laserowego przez cząstki pyłu obecne w strudze spalin. Pomiar światła rozproszonego dokonywany jest w kierunku padania promienia świetlnego jest to technika określana angielskim terminem front scatter. Intensywność światła rozproszonego jest proporcjonalna do stężenia pyłu w strudze spalin. Przyrząd (rys 15) składa się z dwóch elementów: Lancy pomiarowej ze zintegrowaną głowicą z wyświetlaczem i klawiaturą. Skrzynki zasilającej przyrząd w energię elektryczną i powietrze (w skrzynce zabudowana jest dmuchawa). Na rys. 16 pokazano główne komponenty układu pomiarowego. Wiązka światła z diody laserowej (1) jest rozdzielana za pomocą półprzepuszczalnych luster (2) na wiązkę pomiarową (6) i referencyjną (7). Sterowana elektromagnesem przysłona (3) służy do przełączania wiązek. Wiązka pomiarowa ulega rozproszeniu przez cząsteczki pyłu obecne w strefie pomiarowej (8). Umieszczony pod katem w stosunku do osi wiązki pomiarowej obiektyw (9) skupia światło rozproszone, transmitowane światłowodem (11) do detektora (13) generującego sygnał pomiarowy, poddawany następnie obróbce w procesorze. Po wprowadzeniu do pamięci charakterystyki zdjętej podczas wzorcowania (za pomocą pomiarów równoległych) umożliwia wyskalowanie wskazań w mg/m 3 lub mg/nm 3. W odstępach co 5 minut dokonywana jest kompensacja zabrudzenia optyki oraz efektów starzenia się elementów optycznych.

19 19 Rys 15. Sposób zabudowy analizatora na obiekcie Rys 16. Budowa pyłomierza D-R800. Objaśnienia poniżej: Objaśnienia do rysunku Dioda laserowa 1. Strefa pomiarowa 2. Rozdzielacz wiązki 2. Obiektyw 3. Przysłona 3. Pochłaniacz światła 4. Szybka ochronna 4. Światłowód 5. Króciec do czyszczenia 5. Powietrze czyszczące 6. Wiązka pomiarowa 6. Detektor 7. Wiązka referencyjna Dane techniczne analizatora Zakresy pomiarowe Dowolnie ustawiane od 0-10 mg/m 3 do mg/m 3 Dokładność Wyjścia dwustanowe Wyjścia analogowe Standard transmisji szeregowej 2% zakresu 4 dowolnie programowalne przekaźniki beznapięciowe o prądzie przełączania 2A 0-20mA - mierzona intensywność światła rozproszonego, maksymalne obciążenie 500 Ω regulowane zero 4mA w czasie grawimetrycznej kalibracji stężenia pyłu podanego w mg/m3 Modbus

20 20 Wejścia cyfrowe Zakres uśredniania Zakres temperatur otoczenia Dopuszczalna temperatura otoczenia Max. temperatura strumienia spalin Min. temperatura strumienia spalin Ciśnienie w kanale spalin Max. grubość ściany kanału Zasilanie Pobór mocy Wymiary Masa Wymiary, część pomiarowa Wymiary, moduł zasilania 2 dowolnie programowalne s dowolnie skalowane -20 o C do +50 o C -20 o C do +50 o C 220 o C Powyżej wodnego punktu rosy -50 do +10 hpa 400 mm V, Hz 50 W 1000[600] mm x 160 mm x 160 mm 7 [6] kg Klasa obudowy IP [600] mm x 160 mm x 160 mm 380 mm x 300 mm x 210 mm Pyłomierz ekstrakcyjny Dr Foedisch PFM 06 ED Opis przyrządu Z uwagi na specyfikę procesu mokrego odsiarczania, a w szczególności zawartość wolnych kropel wody w strumieniu spalin nie jest możliwe zastosowanie pyłomierza optycznego (krople wody byłyby widziane jako pył powodując niedopuszczalny błąd wskazań). Powszechną praktyką stosowaną w przypadku pomiaru stężeń pyłu za instalacją mokrego odsiarczania spalin (IMOS) jest użycie pyłomierza ekstrakcyjnego. Przewidziano użycie posiadającego Certyfikat QAL1 pyłomierza Dr Foedisch PFM 06 ED przedstawionego na rys. 17 i 18. Rozwiązanie tego producenta zostało pomyślnie zweryfikowane w eksploatacji za IMOS. Rys. 17 sposób zabudowy pyłomierza ekstrakcyjnego Dr Foedisch PFM 06 ED na obiekcie

21 21 Pyłomierz PFM 06 ED składa się z sondy do poboru próbki, dmuchawy podającej gorące powietrze do rozcieńczania próbki, grzanej komory pomiarowej oraz układu zasysania próbki za pomocą eżektora napędzanego drugą dmuchawą. Cechą charakterystyczną, pozytywnie odróżniającą omawiany pyłomierz od innych podobnych rozwiązań jest kompaktowa budowa (szafa analizatora zabudowana jest bezpośrednio na kominie lub kanale spalin). Droga poboru próbki do komory pomiarowej jest prosta i krótka. Rys. 18 Schemat pyłomierza ekstrakcyjnego Dr Foedisch PFM 06 ED Zastosowanie gorącego powietrza do rozcieńczania próbki oraz grzanej komory pomiarowej gwarantuje, że w komorze pomiarowej będzie jedynie pył i gazowe składniki spalin bez kropel wody, dzięki czemu pomiar będzie miarodajny. Dane techniczne przyrządu Zakres spalin od 0-15mg/m 3 do 0-500mg/m 3 Wyjścia analogowe Wyjścia dwustanowe 4 x 4-20mA Temperatura spalin max 280 C 6 wyjść beznapięciowych Wilgotność spalin bezwzględna do 40% względna do 100% Temperatura otoczenia Przepływ próbki Wymiary Stopień ochrony Zasilanie -20 C do +50 C 7-10m 3 /h (razem z powietrzem rozcieńczonym) sonda ze zintegrowaną komorą pomiarową 500x750x1000mm szafa sterownicza z dmuchawami 600x1700x500mm IP65 400V 3~, 4kVA

22 Przepływomierze spalin Dla określenia emisji masowej zanieczyszczeń niezbędne jest wyznaczenie przepływu objętościowego spalin. Pentol stosuje jeden z opisanych poniżej przepływomierzy: Codel V-CEM5100 optyczny korelacyjny (ograniczeniem jest bardzo niska temperatura spalin - poniżej ok. 70ºC); Dr. Foedisch FMD 09 spiętrzeniowy (ograniczeniem jest wysokie zapylenie spalin); Durag D-FL200 ultradźwiekowy (ograniczeniem jest wysoka temperatura). Pierwsze dwa przyrządy posiadają certyfikat QAL 1. Ponadto, w przypadkach gdy ze względów metrologicznych poprawny pomiar przepływu spalin jest niemożliwy, Pentol opracował algorytmy obliczania przepływu spalin, dostosowane do specyfiki obiektu. Wymienione przepływomierze opisano w dalszej części rozdziału Przepływomierz Codel V-CEM5100 Przyrząd dostępny jest w dwóch wersjach: dostosowanej do współpracy z analizatorem gazowym Codel oraz samodzielnej. Różnice obejmują sposób zasilania oraz wyprowadzenia sygnału pomiarowego. Opis poniżej odnosi się do wersji samodzielnej. Zasada działania i budowa Do pomiaru przepływu spalin firma CODEL stosuje niewymagającą kontaktu ze spalinami metodę korelacji poprzecznej. Normalnie metoda ta wymaga wprowadzenia do medium śladowej ilości znacznika chemicznego, barwiącego lub promieniotwórczego. Prędkość przepływu mierzonego gazu jest określona w funkcji czasu przepływu znacznika między punktami pomiarowymi o znanej odległości. W przypadku jednakże gazu zanieczyszczonego pyłem, zamiast sztucznie wprowadzanego znacznika, wykorzystuje się występujące naturalnie szybkozmienne zaburzenia promieniowania podczerwonego emitowanego przez strugę spalin. Miernik typ 5100 składa się z następujących elementów (Rysunek 19): Rys. 19 Podstawowe komponenty i sposób montażu przepływomierza V-CEM 5100

23 23 Dwóch odbiorników mierzących natężenie naturalnego promieniowania podczerwonego przepływającego gazu; Procesora przetwarzającego wyjścia odbiorników na sygnał proporcjonalny do prędkości przepływu gazu między punktami pomiarowymi; Wyświetlacza z klawiaturą (tylko w wersji samodzielnej); Zasilacza 230V (tylko w wersji samodzielnej, wersja zintegrowana z analizatorem gazowym Codela jest zasilana napięciem 48V= ze sterownika lokalnego). Prędkość przepływu v to oczywiście iloraz odległości l między czujnikami przez czas przepływu zakłócenia t (rys. 20), natomiast wydajność przepływu F: l S F = v S = t gdzie S to pole przekroju poprzecznego kanału (komina) w miejscu pomiaru. Drugi czujnik Drugi czujnik Pierwszy czujnik Pierwszy czujnik Sterownik lokalny (SCU) Proste procedury matematyczne realizowane w mikroprocesorze pozwalają obliczyć czas przepływu odpowiadający maksymalnemu nałozeniu się sygnałów z obu czujników. Rys. 20. Zasada działania przepływomierza typ V-CEM 5100 Sygnał wyjściowy wydajności przepływu może być normalizowany. Dane techniczne przyrządu: Zakres - prędkość - nastawiany od 3 do 50 m/s - przepływ - nastawiany indywidualnie Dokładność - ± 2% Liniowość - ± 1% Przetwornik sygnałowy Kierunek przepływu Wyjścia - analogowe 4 20 ma, 500 Ω max. - szeregowe RS485 do transmisji danych i celów serwisowych Obudowa Temperatura otoczenia - aluminiowa, stopień ochrony IP65, uszczelnienie epoksydowe do +70 C

24 24 Zasilanie Zapotrzebowanie powietrza czyszczącego - 230V prądu zmiennego, 50VA (w wersji zintegrowanej z analizatorem gazowym Codela 48V=) - 12Nm3/h, 5bar lub z dmuchawy Przepływomierz Dr Foedisch FMD 09 Przyrząd określa prędkość gazu, w tym przypadku spalin poprzez pomiar ciśnienia dynamicznego (jako różnica między wartością ciśnienia statycznego a sumy ciśnienia statycznego i dynamicznego). Zasadę pomiaru ilustruje rys. 21, a widok rys. 22. Rys. 21. Zasada pomiaru przepływomierza spiętrzeniowego Rys. 22 Widok przepływomierza Dr Foedisch FMD-09

25 25 Zależność prędkości od ciśnienia dynamicznego określa poniższe równanie: gdzie k współczynnik kalibracyjny v prędkość gazu Δp różnica ciśnień rgas gęstość właściwa gazu Na opisanej powyżej zasadzie pracuje przepływomierz spalin typ FMD-09 produkcji niemieckiej firmy Dr Foedisch. Przyrząd ten został pozytywnie zweryfikowany dla warunków panujących za absorberem instalacji mokrego odsiarczania bez podgrzewu spalin. Warunkiem poprawności pomiaru jest znajomość składu gazu oraz jego parametrów fizycznych, co w przypadku spalin za mokrym odsiarczaniem jest możliwa do spełnienia. Potencjalnym zagrożeniem poprawności pomiaru tą metodą jest zagrożenie zablokowania otworów sondy pyłem. Doświadczenie z eksploatacji tego przyrządu za instalacjami mokrego odsiarczania spalin wskazuje, że w takich warunkach zagrożenie to nie występuje, a dla dodatkowego zabezpieczenia przyrządu stosowane jest okresowe (automatyczne) zwrotne przedmuchiwanie sondy. Po wprowadzeniu do pamięci procesora przyrządu wartości przekroju poprzecznego kanału spalin lub komina zostanie określony przepływ objętościowy. Sygnał wyjściowy analizatora można wyskalować w postaci różnicy ciśnień (mbar), prędkości (m/s), przepływu objętościowego rzeczywistego (m 3 /h) lub przepływu objętościowego znormalizowanego. Opcjonalnie możliwe jest uzyskanie na jednym z wyjść sygnału ciśnienia statycznego do celów normalizacji. Dane techniczne przyrządu Zakres - prędkość nastawiany od 2 do 30m/s Wyjścia - przepływ nastawiany indywidualnie 3 x analogowe 4-20mA Temperatura spalin max 280 C Temperatura otoczenia Zasilanie dwustanowe (alarmy i sygnalizacja przekroczeń) -20 do +50 C 230V, 50-60Hz Przepływomierz Durag D-FL200. Przepływomierz ultradźwiękowy jest przyrządem nieinwazyjnym wykorzystującym zjawisko zmiany prędkości fali ultradźwiękowej w zależności od tego czy rozchodzi się ona w kierunku zgodnym czy przeciwnym do ruchu medium (w tym przypadku strumienia spalin). Przyrząd (rysunek 23) składa się z dwóch głowic rozmieszczonych na wspólnej osi po przeciwnych stronach kanału spalin lub komina pod katem zazwyczaj 45º w stosunku do kierunku przepływu spalin. Głowice naprzemiennie wysyłają i odbierają impulsy fal ultradźwiękowych. Mierzony jest czas przepływu fali ultradźwiękowej w obu kierunkach, a z określonej w ten sposób różnicy czasu przepływu impulsu obliczana jest prędkość spalin. Po przemnożeniu wartości prędkości przez pole przepływu określany jest przepływ objętościowy.

26 26 W skład analizatora wchodzi również moduł procesora z wyświetlaczem i klawiatura oraz układu doprowadzenia powietrza czyszczącego (typowym rozwiązaniem są dmuchawy). Opcjonalnie przepływomierz może być wyposażony w przetworniki ciśnienia i temperatury spalin, co umożliwia przeliczenie wartości przepływu na warunki normalne. Rys. 23. Podstawowe komponenty i sposób zabudowy przepływomierza Durag D-FL200 Dane techniczne przyrządu: Zakres - prędkość - nastawiany od 0 do 40 m/s - przepływ - nastawiany indywidualnie Dokładność - ± 2% Pływanie zera Pływanie zakresu Wyjścia Obudowa - ± 0,2% zakresu/miesiąc - ± 0,3% zakresu/miesiąc - 2x analogowe 4 20 ma, 500 Ω max. - 3x dwustanowe - szeregowe (protokół Modbus RTU opcjonalnie) - stopień ochrony IP65 Temperatura spalin - max 200 C Temperatura otoczenia Zasilanie Zapotrzebowanie powietrza czyszczącego do +50 C - 230V prądu zmiennego, 50VA - 80Nm3/h, z dmuchawy. 4. System transmisji, rejestracji i przetwarzania danych 4.1. Konfiguracja systemu Układ transmisji, rejestracji i przetwarzania danych jest zbudowany na tej samej zasadzie, zarówno dla systemu in situ z analizatorami Codel (rysunek 1) jak i w przypadku zastosowania gazowych analizatorów ekstrakcyjnych (rysunek 2) głównymi elementami są: Koncentratory danych: w systemie Codela rolę koncentratora pełni sterownik lokalny (SCU), natomiast w systemach ekstrakcyjnych jest to panel operatorski (HMI) zlokalizowany w kontenerze pomiarowym;

27 27 Cyfrowa magistrala danych (RS485 lub Ethernet) służąca do transmisji danych z koncentratorów do komputera emisyjnego; Komputer emisyjny (serwer danych) wyposażony w oprogramowanie wizualizacyjne i raportujące z zainstalowanym serwerem relacyjnej bazy danych MS SQL; System wymiany danych między komputerem emisyjnym a systemem SCADA; Konfiguracja systemu zapewnia dwukierunkową łączność zarówno z analizatorów do komputera (odczyt wartości mierzonych, diagnostyki, parametrów pracy przyrządów) jak i z komputera do analizatorów (kalibracja analizatorów, konfiguracja elementów systemu). 4.2 Koncentrator danych W systemach in situ z analizatorami Codela rolę koncentratora pełni sterownik lokalny SCU (opisany w rozdziale 3.1) będący elementem analizatora wielogazowego Codel G-CEM4000. W przypadku systemów ekstrakcyjnych w każdym kontenerze będzie zainstalowany pełniący m.in. rolę koncentratora panel operatorski HMI (rys. 24 i 25). Rys. 24 Podgląd danych bieżących na ekranie panelu operatorskiego HMI. Rys. 25 Prezentacja drogi gazowej na ekranie panelu operatorskiego HMI.

28 28 Panel ten wyposażony w specjalne oprogramowanie opracowane przez Pentol pełnił będzie następujące funkcje: Dwustronna komunikacja cyfrowa z komponentami systemu pomiarowego poprzez moduły wejść/wyjść; Konfiguracja parametrów czujników pomiarowych, zmiana zakresów pomiarowych, wprowadzanie funkcji kalibracyjnych, przeliczanie wartości pomiarowych do warunków referencyjnych; Lokalna diagnostyka czujników pomiarowych oraz podgląd w bieżące odczyty; Nadzorowanie pracy układu pomiarowego (w przypadku jakichkolwiek nieprawidłowości układ przejdzie automatycznie w stan awarii zapobiegając ewentualnym groźnym skutkom); Buforowanie danych pomiarowych. W przypadku braku komunikacji z komputerem emisyjnym dane pomiarowe będą dostępne w pamięci urządzenia. Pojemność pamięci zapewni gromadzenie danych za ostatnie kilka miesięcy; Komunikacja z komputerem emisyjnym w sieci RS 485 lub Ethernet przy wykorzystaniu jednego z dostępnych standardowych protokołów transmisji stosowanych w przemyśle takich jak Modicon Modbus RTU, Allen Bradley CompactLogix, Honeywell BACnet/IP, Siemens AG Simatic S7 i wielu innych; Wydawanie sygnałów pomiarowych do systemów zewnętrznych (np. DCS) przy wykorzystaniu komunikacji jak wyżej; 4.3 Szeregowa magistrala danych Służy do zapewnienia dwukierunkowej transmisji danych między kontenerem pomiarowym, a komputerem emisyjnym. Każdy z kontenerów jest przyłączony do magistrali przez port koncentratora danych. Oprogramowanie PCEM wykorzystuje sieć RS 485 z protokołem Modbus RTU, alternatywnie sieć Ethernet z protokołem Modbus TCP. Przy większych odległościach miedzy koncentratorami a komputerem emisyjnym możliwe jest zastosowanie połączenia światłowodowego. 4.4 Komputer (serwer) emisyjny Dane pomiarowe będą przetwarzane i przechowywane w komputerze emisyjnym o architekturze serwerowej dla zapewnienia najwyższego standardu bezpieczeństwa i niezawodności. Stosujemy zawsze sprzęt jednego z czołowych producentów: IBM/Lenovo, HP, Dell lub Fujitsu Siemens. 4.5 Pakiet oprogramowania PCEM System informatyczny pracujący w ramach Systemu Ciągłego Monitoringu emisji (AMS) zapewnia prawidłową wymianę informacji pomiędzy poszczególnymi elementami systemu, a ponadto umożliwia komunikowanie się systemu z komputerami Użytkownika poprzez zakładową sieć komputerową. Dane gromadzone są w bazie danych MS SQL zainstalowanej na serwerze. Dane te są dostępne dla uprawnionych użytkowników na ich komputerach podpiętych do wspólnej sieci. Architekturę systemu PCEM przedstawia rysunek 26. System jest uniwersalny może być stosowany zarówno do współpracy z różnymi generacjami analizatorów Codela (oznaczonymi na rysunku 23 symbolami 3000, 4000 i 40) jak też analizatorami ekstrakcyjnymi dowolnego producenta (poprzez panel operatorski HMI).

29 29 Rys. 26. Architektura systemu PCEM W skład opracowanego przez Pentol pakietu oprogramowania PCEM wchodzą następujące programy: PCEMComm program komunikacyjny PCEMData program konwertujący dane PCEMView program do wizualizacji danych pomiarowych

30 30 PCEMReport program do generowania raportów rozliczeniowych Dane pomiarowe i dane diagnostyczne Wizualizacja danych pomiarowych odbywa się z wykorzystaniem programu PCMView wchodzącego w skład pakietu oprogramowania Systemu Ciągłego Monitoringu Emisji PCEM, rysunek 27 poniżej przedstawia okno programu dla danych bieżących : Rys. 27 Przykładowe okno wizualizacji danych bieżących W oknie tym przedstawiane są dane pomiarowe, jako dane bieżące oraz wszystkie parametry istotne dla odczytywanych wyników, a więc: parametry normalizacji, jednostki pomiarowe wartości aktualnych wyników dla wybranej średniej 1minuta, 60 minut 24h, 48h oraz aktualnej średniej miesięcznej wartości prognozowane dla średnich 24h, 48h oraz średniej miesięcznej zakresy pomiarowe poszczególnych torów pomiarowych zadane poziomy alarmowe. Wartości alarmowe mogą być ustawione w odniesieniu do wartości dopuszczalnych (ELV). W przypadku różnych wartości dopuszczalnych dla podłączonych kotłów wartości ELV dla wspólnego kolektora są dynamicznie wyliczane na podstawie stanu pracy poszczególnych kotłów. Jeżeli wartości dopuszczalne są zależne od ilości spalanej biomasy to program wylicza je automatycznie i odpowiednio aktualizuje wartości alarmowe status ważności danych (dane ważne, kalibracja) status obiektu

31 31 Aby program PCEM mógł poprawnie prezentować otrzymywane dane z analizatorów konieczna jest praca w tle programów komunikacyjnego i konwertującego. Wyłączenie programów komunikacyjnych powoduje przerwanie transmisji danych pomiędzy serwerem, a analizatorami. Dane historyczne zapisane w bazie danych MS SQL na twardym dysku komputera systemu monitoringu prezentowane są z wykorzystaniem opcji Wykres (Rysunek 28). Program umożliwia odtworzenie przebiegu każdej zarejestrowanej wielkości pomiarowej, w dowolnym przedziale czasowym w okresie objętym rejestracją. Oprócz odwzorowania graficznego w postaci wykresu można za pomocą kursora wyświetlać kolejne wartości średnie analizowanego przedziału czasowego zaznaczając w Źródle danych Wartość kursora odczytując je, co 1 minutę lub co 10 minut. Dane historyczne mogą być prezentowane w dowolnych dostępnych w systemie jednostkach i średnich czasowych. Możliwe też jest wycięcie z wykresu określonego przedziału czasowego i obliczenie średniej dla tego przedziału. Rys. 28. Przykładowe okno wizualizacji wykres trendu Dla operatorów procesu zaprojektowano osobny program PCEMmonitor służący do wizualizacji bieżących wartości niezbędnych z punktu widzenia prowadzenia procesu i podejmowania optymalnych decyzji. Przykładowe okno przedstawia rysunek 29. Z punktu widzenia obsługi przyrządów bardzo pomocną funkcją programu jest możliwość edytowania na ekranie komputera danych diagnostycznych dla każdego podłączonego do systemu przyrządu w celu analizy poprawności pracy przyrządów w czasie. Dane te pozwalają na precyzyjne określenie poprawności działania przyrządów, a w przypadku usterki na zlokalizowanie usterki. Dane te są zapisywane w pamięci komputera, co daje możliwość pełnej analizy serwisowej urządzeń monitoringu. Podłączenie do internetu lub modemu pozwoli na zdalne sprawdzanie poprawności działania pracy analizatorów lub lokalizacji usterek. Można będzie z siedziby serwisu Pentol-Enviro Polska lub producenta aparatury mieć wgląd do danych diagnostycznych, co pozwoli na prowadzenie działań profilaktycznych i osiągnięcie prawie stuprocentowej dyspozycyjności systemu.

32 32 Rys. 29 Przykładowe okno wizualizacji dla operatorów procesu Rys. 30 Przykładowe okno diagnostyki PCEM Report generowanie raportów rozliczeniowych W skład pakietu oprogramowania wchodzi program PCEMReport do generowania raportów emisji i raportów przekroczeń generowanych w wybranych przez użytkownika interwałach czasowych doby, tygodnia, miesiąca, kwartału, pół roku, roku lub zadeklarowanego przez Użytkownika interwału czasowego. Zawartość programu PCEMReport jak również sposób generowania raportów i ich zawartość opierają się na interpretacji obowiązujących aktów prawnych, a w przypadku ich zmiany Pentol

33 33 niezwłocznie oferuje aktualizację oprogramowania. 4.6 Wymiana danych między system monitoringu emisji a systemem zewnętrznym DCS/SCADA System PCEM ofertuje kilka możliwości transmisji danych do systemów zewnętrznych. Wszystkie dane zarówno bezpośrednio zmierzone jak i sprowadzone do warunków normalnych odpowiadające wymaganym poziomom uśredniania w tym również dane uwzględniające funkcje korekcyjne wyznaczone zgodnie z procedura QAL 2 normy PN-EN będą dostępne w komputerze emisyjnym systemu monitoringu. Uzupełnieniem tych informacji będą dane dotyczące alarmów np. związane z uszkodzeniem analizatora, zanikiem zasilania, uruchomieniem procedury kalibracyjnej Założono następujące sposoby wymiany danych z systemem informatycznym Użytkownika: Dane pomiarowe będą dostępne w systemie SCADA z wykorzystaniem łącza komunikacyjnego Ethernet z protokołem Modbus TCP/IP lub dodatkowego portu RS485 w Komputerze Emisyjnym; jest to alternatywne rozwiązanie analogowej transmisji danych 4-20mA. Na wybranych istniejących stacjach roboczych Użytkownika zostanie zainstalowany pakiet oprogramowania PCEM. Umożliwi to dostęp specjalistów Użytkownika do danych pomiarowych i diagnostycznych oraz umożliwi generację raportów. Rozwiązanie takie jest niezależne od dostępu do danych zgromadzonych w DCS. Informacje niezbędne do identyfikacji stanu pracy poszczególnych kotłów lub innych urządzeń objętyuch monitoringiem będą wydane przez użytkownika w formie sygnału Modbus TCP/IP lub jako wyjścia analogowe. Sygnały analogowe zostaną wprowadzone do dostarczonych przez Pentol modułów wejść analogowych z wyjściem Ethernet i wprowadzone do sieci. Zadaniem oprogramowania PCEM będzie odczytywanie tych sygnałów i wprowadzenie do bazy danych systemu. 4.7 Baza danych Pakiet oprogramowania PCEM jest oparty o współpracę z bazą danych Microsoft SQL Serwer Jest to nowoczesna relacyjna baza danych spełniająca wszystkie aktualne standardy informatyczne. Serwer bazy będzie zainstalowany na komputerze emisyjnym. Dane pomiarowe oraz wszystkie istotne ustawienia będą zapisane w tej bazie. Baza ta ma cały szereg możliwości pobierania danych (sporządzania kwerend w języku SQL), eksportowania wybranych danych oraz rozbudowany system administrowania. Na komputerze emisyjnym będzie zainstalowane oprogramowanie narzędziowe SQL Server Management Studio, które daje Użytkownikowi bogaty zestaw narzędzi służący zarówno do administrowania bazą jak i zapewniający bezpieczny dostęp do danych. 4.8 Bezpieczeństwo danych System transmisji, rejestracji i przetwarzania danych został zaprojektowany z myślą o zapewnieniu maksymalnego bezpieczeństwa danych, rozumianego, jako: Zapis danych pomiarowych, konfiguracyjnych i diagnostycznych w sposób minimalizujący ryzyko utraty danych;

34 34 Zabezpieczenie zarejestrowanych danych przed skasowaniem, zniekształceniem lub sfałszowaniem. Powyższe cele zrealizowano w sposób następujący: Zastosowano lokalne koncentratory zapisujące dane pomiarowe za ostatnie kilka miesięcy w swojej pamięci (niezależnie od zapisu w komputerze). Zastosowano macierz dyskową RAID1 (100% redundancji zasobów dyskowych). Zastosowana baza danych MS SQL wyposażona jest w wbudowany mechanizm automatycznego tworzenia kopii bezpieczeństwa według ustalonego harmonogramu. Kopia bezpieczeństwa powinna być objęta zakładowym systemem przechowywania kopii bezpieczeństwa; Dostęp do ważniejszych funkcji komputera chroniony jest wielopoziomowym systemem indywidualnych haseł oraz systemem uwierzytelnienia. Mierniki na obiekcie w przypadku zaniku napięcia i jego ponownego podania automatycznie kontynuują pracę w dotychczasowej konfiguracji. W czasie zapisywania danych na dysku, każdy rekord danych ma przypisaną specjalnie wyliczaną sumę kontrolną. Na wykresach danych historycznych widoczny jest specjalny pasek Ważność danych, który pozwala w łatwy sposób rozpoznać każdą ewentualną ingerencję w dane. Numer Certyfikatu Pentol-Enviro Polska Sp. z o.o. Osiedle Piastów 21B, Kraków Tel (zarząd), (serwis), fax pentol@pentol.pl