摘要：CEMS是用来监测固定污染源的污染物排放监测系统，在环保监测中的应用越来越广泛和越来越重要；介绍了CEMS的系统组成及测量方法；并以燕山石化为例介绍了西门子CEMS系统在石化行业的应用。
关键词：烟气排放连续监测系统，西门子CEMS，石化行业
Abstract: CEMS is continuous emission monitoring system of fl ue gas emitted from stationary sources and its application is more diffusely and importantly; the article introduced the composing and measuring method of CEMS and its application in petrochemical industry by taking YanShan petrochemical for example.
Key word: continuous emission monitoring system, Siemens CEMS, petrochemical industry
概述
CEMS是英文Continuous Emission MonitoringSystem的缩写，即污染源排放连续监测系统。可对固定污染源(如锅炉、工业炉窖、焚烧炉等)排放烟气中的颗粒物、气态污染物的浓度(mg/m3)和排放率(kg/h、t/d、t/a)
进行连续地、实时地跟踪测定。CEMS是国际上的统称，我国称之为烟气排放连续监测系统。
目前，CEMS在工业发达国家的大型企业，例如火电厂、钢铁厂、水泥厂等得到了广泛应用，纳入固定源污染排放监测体系，监测结果作为环保执法的依据。我国的烟气排放连续监测工作起步较晚，第一套CEMS系统是1986年广东沙角B发电厂从日本引进的，2001年后，烟气排放连续监测工作全面铺开，不但火电行业，其他行业的大型锅炉和工业炉窑均开始安装CEMS系统。因此，我国的烟气排放连续排放检测规模巨大、前景广阔。
日前，中国石油化工股份有限公司要求其分公司及下属企业的固定污染源全部安装CEMS系统，开展烟气排放连续监测工作。西门子赢得中石化CEMS框架协议，负责40多套CEMS系统的设计及提供。
CEMS系统组成及测量方法
CEMS由烟尘监测子系统、气态污染物监测子系统、烟气参数监测子系统、系统控制及数据采集处理子系统四个部分组成。各部分作用如下:
烟尘监测子系统 — 监测烟气中的烟尘浓度(颗粒物含量)
气态污染物监测子系统 — 监测烟气中的SO2、NOX浓度。
烟气参数监测子系统 — 监测烟气流量、温度、压力、湿度、氧含量等。
系统控制及数据采集处理子系统 — 控制CEMS系统的自动操作、采集并处理数据，计算污染物排放量，显示和打印各种参数、图表并通过数据、图文传输系统传送至管理部门。
烟尘监测子系统
目前颗粒物(烟尘)监测仪的测量方法有以下两种[1，2]:
一是透射法(浊度法)。光通过烟气时，光强因烟尘的吸收、散射作用而减弱，通过测定光束的衰减来测量烟尘浓度。此法又分为两种: 双端法(一端发射，另一端接收)、单端法(一端发射/接收，另一端反射)。
二是散射法。光射向烟气时，其中的烟尘颗粒对光向四周散射，通过测量散射光强来测定烟尘浓度。
烟尘测量仪直接安装在烟道上，就地检测，将监测结果转换为电信号，通过电缆传到数据处理系统。
气态污染物监测子系统
气态污染物是指以气态的形式存在于烟气中的各种污染物，其中以SO2，NOX为主要监测对象，其中SO2 是形成“酸雨”的主要原因。
气态污染物分析系统是CEMS的关键部分。它包括采样探头、传输管、分析仪三部分。目前分析仪的采样、传输方法主要有三种:
一是稀释法。采样探头抽取烟气并除尘，然后用零气按一定稀释比稀释，将稀释后的烟气经传输管引入分析仪(零气是指不含水分和干扰杂质的干燥、洁净空气，一般稀释比为100-200倍)，分析仪测得的是湿基样品中的污染物浓度。图1 （见下页） 是稀释法取样时用的专用探头，稀释探头是稀释法的关键部件，准确的稀释比才能保证测量的准确性。
二是直接抽取法。样品到达分析仪之前，经除尘、冷却等处理，测得的是干基样品中的污染物浓度。图2 （见下页） 中是直接抽取法所用的取样探头，不需要稀释空气，前端带过滤器。我国的环保标准要求监测干烟气中的气态污染物浓度，即干基测量，因此我国大多采用直接抽取采样法。
三是直接测量法。将监测仪器直接安装在烟道上对烟气进行测量的方法，相当于烟道就是仪器的测量气室，不需要将烟气抽出来。由于目前分析仪还不能完全满足直接测量法连续监测的要求，使用寿命比较短，维修难度较大，其测量精度和长期可靠性还存在一些问题需要改进，所以直接测量法使用的数量并不多。
烟气参数监测子系统
烟气参数监测系统检测的项目有烟气流速、温度、压力(包括烟气静压和大气压力)、湿度、氧含量等。其作用是测量标准状态下的干烟气流量，以便计算排污总量。
根据烟气流速和烟道截面积可求得烟气实际流量，进行温度、压力、湿度修正后，可求得标准状态下(273 K，101325 Pa)干烟气流量，乘以烟尘、气态污染物浓度，可求得其排放率和累计排放量。再根据烟气氧含量求得实际空气过量系数，并折算成规定空气过量系数下的排放量。
系统控制及数据采集处理子系统
数据采集单元
一般选用工业常用PLC控制和采集，因为PLC的可靠性和稳定性，并且具有可编程的功能，能够保证整个系统稳定可靠的运行，实现智能化控制。PLC的通用的通信功能、联网功能也能大大提高系统的灵活。
数据处理单元
选用通用的计算机对PLC采集的数据进行处理计算，一方面形成环保要求的数据报表，另一方面将数据传输到环保监测中心。
西门子CEMS系统在燕山石化的应用
CEMS系统在石化行业的应用与火电厂、钢铁厂、水泥厂不同点在于：石油化工厂中很多区域为危险区域，这不仅要求与测量介质直接接触的采样探头和各种测量探头使用防爆型，安装样品处理系统及分析仪的小屋同样需要防爆型。
系统组成
西门子CEMS系统根据安装位置分两个部分[3]， 一部分为安装现场烟道或烟囱的设备，包括气体取样探头、粉尘仪、流量、压力、温度和湿度测量。另一部分安装在CEMS分析室，气体预处理系统、气体分析仪主机、标气及数据采集控制单元等。图3为西门子CEMS的系统配置图。
测量方法
气体污染物分析部分
■ 取样探头：前端带过滤器，安装在烟道或烟囱。
■ 预处理单元包括：制冷器、取样泵、过滤器、反吹单元等。用于完成样气的净化、除尘、除湿。这些安装在一个机柜内。
■ 气体分析主机单元ULTRAMAT 23：用来测量气体污染物浓度，是CEMS里最主要的部件。仪器要有自动诊断和标定功能，一般要测量SO2 / NOX / O2。也可以根据用户的实际需求来进行选择。颗粒物浓度分析部分
■ 粉尘分析仪：用于测量烟气中的粉尘浓度，直接安装在烟道或烟囱上。粉尘分析仪测定的是光的不透过率，在现场需要使用称重法的手段对粉尘仪进行标定来转化成浓度值。
■ 粉尘仪保护风机：用来保护粉尘仪的光学镜头，防止镜头的污染。
烟气流量、温度、压力、湿度测量单元
■ 烟气流量：采用皮托管微差压法，这种方法最简单、经济，应用比较广泛，但测量精度稍差，特别是低流速的情况下测量数据有限制。
■ 温度的测量：采用热电阻Pt100或热电偶的方法，是常用的工业测量方法。
■ 压力的测量：采用压力变送器来测量，也是很常用的方法。
■ 湿度的测量：常用的有电容法、干湿氧计算法等，也可以手工测量，输入CEMS系统。
CEMS使用过程中存在的问题
烟尘监测孔安装位置无法满足要求
环保行业标准规定：测定位置应避开烟道弯头和断面急剧变化的部位。对于颗粒物CEMS，应设置在距弯头、阀门、变径管下游方向不小于4倍烟道直径，以及距上述部件上游方向不小于2倍烟道直径处;对于气态污染物CEMS，应设置在距弯头、阀门、变径管下游方向不小于2倍烟道直径，以及距上述部件上游方向不小于0.5倍烟道直径处。对矩形烟道，其当量直径D=2AB/(A+B)，式中A、B为边长。由于受地理空间位置的限制，目前，大多石化厂烟道直管段都不能够满足烟气流速测量所要求的长度。当安装位置不能满足上述要求时，应尽可能选择在气流稳定的断面，但安
