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有機(jī)廢氣VOC排放過程（工況）監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用
目前，我國正在大力治理大氣污染，其中有機(jī)廢氣VOCs治理是重要內(nèi)容。本文從有機(jī)廢氣排放情況的自動監(jiān)控、系統(tǒng)運營維護(hù)、自動監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)用、系統(tǒng)監(jiān)管考核等方面綜合考慮，開發(fā)綜合利用VOCs 在線監(jiān)測子系統(tǒng)、4G 視頻數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、過程監(jiān)控子系統(tǒng)等設(shè)備組成的有機(jī)廢氣VOCs排放過程監(jiān)控系統(tǒng)。它通過采集有機(jī)廢氣的產(chǎn)生、處理、排放過程中的全過程參數(shù)，將有機(jī)廢氣排放監(jiān)管的范圍從末端排放治理延伸到生產(chǎn)環(huán)節(jié)，對污染治理過程進(jìn)行實時監(jiān)控及管理，并通過建立相關(guān)模型，實現(xiàn)污染治理設(shè)施運行狀態(tài)分析、排放數(shù)據(jù)真實性判定，為確認(rèn)有機(jī)廢氣排放數(shù)據(jù)的科學(xué)性提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為有機(jī)廢氣排放總量核算、排污收費提供技術(shù)支撐。有效提升監(jiān)管水平，同時也滿足了企業(yè)自身減排管理的要求。
1 系統(tǒng)架構(gòu)
有機(jī)廢氣 VOC 排放過程(工況)監(jiān)控系統(tǒng)主要由企業(yè)端VOC排放過程監(jiān)控系統(tǒng)和環(huán)保局監(jiān)控平臺兩部分構(gòu)建，見圖1。
企業(yè)端 VOC排放過程監(jiān)控系統(tǒng)包含VOCs 在線監(jiān)測子系統(tǒng)、4G視頻數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、排放過程監(jiān)控子系統(tǒng)。VOCs在線監(jiān)測子系統(tǒng)主要是實現(xiàn)連續(xù)獲取準(zhǔn)確、完整的VOC 監(jiān)測數(shù)據(jù)。4視頻數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、存儲、視頻監(jiān)測、無線傳輸?shù)裙δ堋，F(xiàn)場VOC 排放過程監(jiān)控子系統(tǒng)實現(xiàn)依據(jù)生產(chǎn)工藝建立的關(guān)鍵環(huán)節(jié)工藝監(jiān)控、數(shù)據(jù)審核、異常報警和趨勢預(yù)警功能，并運用相關(guān)模型對有機(jī)廢氣排放在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對污染治理設(shè)施運轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計。
環(huán)保局監(jiān)控平臺采用B/S 體系架構(gòu)，以依據(jù)一企一策(VOC生產(chǎn)工藝差異大，治理工藝不同)中生產(chǎn)工藝建立的關(guān)鍵環(huán)節(jié)工藝監(jiān)控為核心，形成依據(jù)同行業(yè)類似生產(chǎn)工藝的分類過程監(jiān)控方式，根據(jù)工藝情況，從產(chǎn)生環(huán)節(jié)(電流、電壓數(shù)據(jù))、治理環(huán)節(jié)(閥、泵、風(fēng)機(jī)等開關(guān)信號)和排放環(huán)節(jié)(VOCs 參數(shù)濃度、流量等數(shù)據(jù))分別進(jìn)行采集，通過4G 視頻數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)實時傳到監(jiān)控中心，監(jiān)控平臺實現(xiàn)對現(xiàn)場端數(shù)據(jù)匯總、報警管理、數(shù)據(jù)分析等業(yè)務(wù)功能。監(jiān)控平臺末端控制主要是過程監(jiān)控數(shù)據(jù)的應(yīng)用，體現(xiàn)為有機(jī)廢氣排放在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性判定、排放總量核定、有機(jī)廢氣排污費的核算等方面。
2 子系統(tǒng)實現(xiàn)
2.1 VOCs 在線監(jiān)測子系統(tǒng)
VOCs在線監(jiān)測子系統(tǒng)，充分利用傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對企業(yè)VOC污染源相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行24小時不間斷監(jiān)控的設(shè)備，是集儀器控制、數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、顯示功能一體的在線監(jiān)控設(shè)備。采用先進(jìn)的在線色譜技術(shù)連續(xù)監(jiān)測苯、甲苯、二甲苯或甲烷、非甲烷總烴濃度或其他工藝固定污染源指標(biāo)(配置不同的傳感器)、采用溫壓流一體機(jī)監(jiān)測流速、壓力、溫度等多項相關(guān)參數(shù)及統(tǒng)計排放率、排放總量等，并能對測量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理。該系統(tǒng)具有現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時采集，傳送實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，具有遠(yuǎn)程故障診斷等功能，能夠與4G視頻數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)通訊，實現(xiàn)了現(xiàn)場的無人值守。
2.2 4G視頻數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)
4G視頻數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要功能是現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、視頻采集和無線4G 傳輸。全面采集污染源監(jiān)測數(shù)據(jù)、污染產(chǎn)生數(shù)據(jù)及污染治理主要設(shè)備運行參數(shù)和過程參數(shù)，要求采用安全隔離網(wǎng)閘確保生產(chǎn)系統(tǒng)安全運行，支持?jǐn)嗑€重連。
2.3 排放過程監(jiān)控子系統(tǒng)
排放過程監(jiān)控子系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場端工控機(jī)、工況數(shù)據(jù)采集模塊和過程監(jiān)控軟件等組成。通過現(xiàn)場采集模塊將污染治理設(shè)施的進(jìn)出口VOCs數(shù)據(jù)以及污染產(chǎn)生、治理、排放等環(huán)節(jié)的各種重要工況設(shè)備的運行狀態(tài)、運行數(shù)據(jù)等工況數(shù)據(jù)采集、傳輸、接收匯總到統(tǒng)一的現(xiàn)場端工況數(shù)據(jù)庫中，經(jīng)過程監(jiān)控軟件發(fā)到4G視頻數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，而后轉(zhuǎn)發(fā)至環(huán)保局的監(jiān)控平臺。
工況數(shù)據(jù)通過采集程序采集后，數(shù)值按照統(tǒng)一帶時間標(biāo)簽的存儲規(guī)約格式，存入工況存儲單元。工況服務(wù)器按照小采樣精度(通常為秒級)將數(shù)據(jù)地存入工況過程數(shù)據(jù)庫中。通常工況過程數(shù)據(jù)庫能確保工況過程數(shù)據(jù)長久地保存，以備相關(guān)人員隨時調(diào)閱、比對及分析。工況數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件采用工藝流程圖的方式對企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)施、治污設(shè)施、有機(jī)廢氣監(jiān)測設(shè)施的運行情況進(jìn)行實時監(jiān)控，并可查詢、統(tǒng)計監(jiān)測參數(shù)任意時間段內(nèi)的變化趨勢，支持將多個工況參數(shù)組合進(jìn)行對比、分析。工況實時圖形界面不但要具備實時顯示模擬量的數(shù)值變化功能，還要能顯示狀態(tài)量的變化情況。
工況報警查詢能夠顯示設(shè)施報警列表、主報警與詳細(xì)報警之間的關(guān)聯(lián)。通過選擇條件，能夠搜索出符合條件的報警類型，還可以查詢到報警的詳細(xì)信息，包括規(guī)則名稱、開始時間、結(jié)束時間和報警原因等相關(guān)信息。同時系統(tǒng)具備良好的用戶權(quán)限管理功能，能夠?qū)φ麄€系統(tǒng)的zuidi層模塊進(jìn)行基本配置與管理。
3 系統(tǒng)模型
利用過程監(jiān)控和有機(jī)廢氣末端排放監(jiān)測系統(tǒng)獲得的大量實測數(shù)據(jù)，以現(xiàn)場操作數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，由模型預(yù)測的結(jié)果與有機(jī)廢氣在相應(yīng)時間測定有機(jī)廢氣的結(jié)果比較，判定監(jiān)測數(shù)據(jù)的可接受性。
3.1 模型建立步驟
(1)確定影響有機(jī)廢氣產(chǎn)生的獨立輸入變量和因變量；(2)確定獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)的時間段，并記錄單位時間VOC監(jiān)測的排放濃度和對應(yīng)時間傳感器監(jiān)測的變量的數(shù)據(jù)；(3)將樣本分割成多個數(shù)據(jù)集；(4)其中一個數(shù)據(jù)集用于訓(xùn)練模型的適應(yīng)性，另外的數(shù)據(jù)集用于模型的驗證；(5)建立模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；(6)模型置于現(xiàn)場，由實際的過程數(shù)據(jù)在線檢驗?zāi)Ｐ?，判定模型能否提供所需?shù)量的準(zhǔn)確的實時估算；(7)繪制以樣本數(shù)為橫坐標(biāo)，有機(jī)廢氣排放濃度為縱坐標(biāo)的模型預(yù)測結(jié)果與有機(jī)廢氣實際排放濃度的圖形；(8)對照模型的技術(shù)條件檢驗是否合格；(9)經(jīng)環(huán)境保護(hù)主管部門批準(zhǔn)，用于污染源煙氣排放監(jiān)測。
3.2 模型的性能與技術(shù)指標(biāo)檢測
3.2.1 性能技術(shù)指標(biāo)
有機(jī)廢氣排放過程(工況)監(jiān)控系統(tǒng)模型應(yīng)滿足以下性能技術(shù)指標(biāo)要求。
(1)相對準(zhǔn)確度(RA)。當(dāng)模型預(yù)測值＞10e-4 時，相對準(zhǔn)確度≤15 %；當(dāng)模型預(yù)測值為10e-5~10e-4 時，相對準(zhǔn)確度≤25 %；當(dāng)模型預(yù)測值＜10e-5 時，模型預(yù)測值與參比方法(RM)測定值之差的值≤5×10e-6。
(2)偏差。若模型預(yù)測值與參比方法測定值之差值的平均值大于置信系數(shù)，則用偏差系數(shù)修正模型數(shù)據(jù)。
(3)模型方差。在90%置信水平，計算的F 值≤臨界值Fa。
(4)模型的相關(guān)系數(shù)。相關(guān)系數(shù)≥0.75。
(5)相對準(zhǔn)確度審核。模型預(yù)測3次的平均值與同期參比方法測定值之間的相對誤差不大于±15%。
3.2.2 性能技術(shù)檢測
(1)模型初始驗證。模型進(jìn)行15次相對準(zhǔn)確度運算。
(2)定期質(zhì)量保證(QA)評估。模型執(zhí)行季度相對準(zhǔn)確度審核和年度與參比方法比對檢測審核。
4 環(huán)保局排放過程工況監(jiān)控平臺
環(huán)保局監(jiān)控平臺通過企業(yè)端VOC排放過程監(jiān)控系統(tǒng)將現(xiàn)場端數(shù)據(jù)實時傳到監(jiān)控中心，實現(xiàn)對現(xiàn)場端數(shù)據(jù)匯總、報警管理、數(shù)據(jù)分析等業(yè)務(wù)功能。
4.1 系統(tǒng)架構(gòu)
環(huán)保局監(jiān)控平臺是一個集污染源企業(yè)數(shù)據(jù)采集、企業(yè)治理一企一檔、工況流程管理、分析處理、監(jiān)控管理為一體的綜合集成信息管理系統(tǒng)。采用基于B/S架構(gòu)的系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器及PC顯示終端及手機(jī)端等組成。
4.2 軟件功能模塊
(1)提供企業(yè)基礎(chǔ)信息管理功能，能對企業(yè)如地理位置、名稱、管理人員等進(jìn)行增刪改查詢等功能；
(2)根據(jù)不同生產(chǎn)治理工藝類型不同自動匹配工況監(jiān)控數(shù)據(jù)驗證引擎，進(jìn)行數(shù)據(jù)驗證；
(3)對排放企業(yè)的基本信息進(jìn)行方便且安全的維護(hù)；
(4)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動或手動備份，保證數(shù)據(jù)的完整性；
(5)將監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過校驗后上報到上級管理部門；
(6)動態(tài)實時地更新有機(jī)廢氣設(shè)施的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，實時全面了解運轉(zhuǎn)及排放情況；
(7)綜合查詢統(tǒng)計各類有機(jī)廢氣治理設(shè)施控制信號，并形成分類報表；
(8)針對排污收費、總量核定、排污權(quán)交易及其他業(yè)務(wù)需求進(jìn)行擴(kuò)展。
5 實例應(yīng)用
在廣東某噴涂廠應(yīng)用了有機(jī)廢氣VOC 排放過程工況監(jiān)控系統(tǒng)。該項目完成了環(huán)保局監(jiān)控平臺和企業(yè)端現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備的建設(shè)、污染源過程工況監(jiān)控數(shù)據(jù)的監(jiān)測，基本達(dá)到了項目預(yù)期目的。
5.1 監(jiān)測參數(shù)選擇
(1)出口參數(shù)：溫度、流量、氣壓、苯、甲苯與二甲苯(合計)、總VOCs、總烴；
(2)治理設(shè)備參數(shù)：引風(fēng)機(jī)狀態(tài)
電流、治理設(shè)備電流及功率、噴淋塔電流及功率；
(3)生產(chǎn)設(shè)備參數(shù)：生產(chǎn)線驅(qū)動電機(jī)電流、攪拌機(jī)電流、加料閥門、噴涂機(jī)器人電流等。
(4)視頻監(jiān)控：監(jiān)控?zé)焽枧欧徘闆r。
5.2 數(shù)據(jù)采集傳輸方式
數(shù)據(jù)采集使用信號隔離獲取相關(guān)設(shè)備電控箱處的電源線電流、電壓及開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)，直接采用互感器、光電檢測開關(guān)等傳感器獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)過程監(jiān)控系統(tǒng)把采集的數(shù)據(jù)存儲、顯示、并發(fā)送給4G視頻數(shù)據(jù)采集儀；數(shù)據(jù)傳輸采用4G 無線數(shù)據(jù)傳輸方式。
5.3 應(yīng)用效果分析
首先，可通過排放出口參數(shù)、治理設(shè)備參數(shù)、生產(chǎn)設(shè)備參數(shù)，結(jié)合判讀模型等來判定整個系統(tǒng)的運行狀況。
通過對企業(yè)生產(chǎn)過程工況參數(shù)的監(jiān)控，有效地實現(xiàn)了對企業(yè)污染治理設(shè)施運行規(guī)律的自動分析，提升了企業(yè)的自我監(jiān)管能力，同時對企業(yè)的有機(jī)廢氣監(jiān)測數(shù)據(jù)起到了有效的監(jiān)督和驗證作用，提升了環(huán)保工作的管理水平。