有机废气VOC排放过程(工况)监控系统设计与应用

摘要：本文介绍了有机废气VOCs排放过程(工况)监控系统的系统架构,以及VOCs在线监测子系统、4G视频数据采集子系统、排放过程监控子系统的实现方式,过程监控采集参数选择方法,模型建立步骤与验证方法。结合实际应用,分析如何判定治理设施运转正常,参数监测是否正确,介绍了相关应用案例。

目前，我国正在大力治理大气污染，其中有机废气VOCs治理是重要内容。本文从有机废气排放情况的自动监控、系统运营维护、自动监测数据应用、系统监管考核等方面综合考虑，开发综合利用VOCs 在线监测子系统、4G 视频数据采集子系统、过程监控子系统等设备组成的有机废气VOCs排放过程监控系统。它通过采集有机废气的产生、处理、排放过程中的全过程参数，将有机废气排放监管的范围从末端排放治理延伸到生产环节，对污染治理过程进行实时监控及管理，并通过建立相关模型，实现污染治理设施运行状态分析、排放数据真实性判定，为确认有机废气排放数据的科学性提供基础数据，为有机废气排放总量核算、排污收费提供技术支撑。有效提升监管水平，同时也满足了企业自身减排管理的要求。

1 系统架构

有机废气 VOC 排放过程(工况)监控系统主要由企业端VOC排放过程监控系统和环保局监控平台两部分构建，见图1。

企业端 VOC排放过程监控系统包含VOCs 在线监测子系统、4G视频数据采集子系统、排放过程监控子系统。VOCs在线监测子系统主要是实现连续获取准确、完整的VOC 监测数据。4视频数据采集子系统实现现场数据的采集、存储、视频监测、无线传输等功能。现场VOC 排放过程监控子系统实现依据生产工艺建立的关键环节工艺监控、数据审核、异常报警和趋势预警功能，并运用相关模型对有机废气排放在线监测数据进行分析，对污染治理设施运转状态进行统计。

环保局监控平台采用B/S 体系架构，以依据一企一策(VOC生产工艺差异大，治理工艺不同)中生产工艺建立的关键环节工艺监控为核心，形成依据同行业类似生产工艺的分类过程监控方式，根据工艺情况，从产生环节(电流、电压数据)、治理环节(阀、泵、风机等开关信号)和排放环节(VOCs 参数浓度、流量等数据)分别进行采集，通过4G 视频数据采集子系统实时传到监控中心，监控平台实现对现场端数据汇总、报警管理、数据分析等业务功能。监控平台末端控制主要是过程监控数据的应用，体现为有机废气排放在线监测数据的准确性和可靠性判定、排放总量核定、有机废气排污费的核算等方面。

2 子系统实现

2.1 VOCs 在线监测子系统

VOCs在线监测子系统，充分利用传感器技术、物联网技术实现对企业VOC污染源相关指标进行24小时不间断监控的设备，是集仪器控制、数据采集、传输、存储、显示功能一体的在线监控设备。采用先进的在线色谱技术连续监测苯、甲苯、二甲苯或甲烷、非甲烷总烃浓度或其他工艺固定污染源指标(配置不同的传感器)、采用温压流一体机监测流速、压力、温度等多项相关参数及统计排放率、排放总量等，并能对测量到的数据进行有效管理。该系统具有现场数据实时采集，传送实时数据和历史数据，具有远程故障诊断等功能，能够与4G视频数据采集子系统通讯，实现了现场的无人值守。

2.2 4G视频数据采集子系统

4G视频数据采集子系统主要功能是现场数据采集、视频采集和无线4G 传输。全面采集污染源监测数据、污染产生数据及污染治理主要设备运行参数和过程参数，要求采用安全隔离网闸确保生产系统安全运行，支持断线重连。

2.3 排放过程监控子系统

排放过程监控子系统主要包括现场端工控机、工况数据采集模块和过程监控软件等组成。通过现场采集模块将污染治理设施的进出口VOCs数据以及污染产生、治理、排放等环节的各种重要工况设备的运行状态、运行数据等工况数据采集、传输、接收汇总到统一的现场端工况数据库中，经过程监控软件发到4G视频数据采集子系统，而后转发至环保局的监控平台。

工况数据通过采集程序采集后，数值按照统一带时间标签的存储规约格式，存入工况存储单元。工况服务器按照最小采样精度(通常为秒级)将数据高效地存入专用工况过程数据库中。通常工况过程数据库能确保工况过程数据长久地保存，以备相关人员随时调阅、比对及分析。工况数据监测软件采用工艺流程图的方式对企业的生产设施、治污设施、有机废气监测设施的运行情况进行实时监控，并可查询、统计监测参数任意时间段内的变化趋势，支持将多个工况参数组合进行对比、分析。工况实时图形界面不但要具备实时显示模拟量的数值变化功能，还要能显示状态量的变化情况。

工况报警查询能够显示设施报警列表、主报警与详细报警之间的关联。通过选择条件，能够搜索出符合条件的报警类型，还可以查询到报警的详细信息，包括规则名称、开始时间、结束时间和报警原因等相关信息。同时系统具备良好的用户权限管理功能，能够对整个系统的最底层模块进行基本配置与管理。

3 系统模型

利用过程监控和有机废气末端排放监测系统获得的大量实测数据，以现场操作数据集为基础，建立神经网络模型，由模型预测的结果与有机废气在相应时间测定有机废气的结果比较，判定监测数据的可接受性。

3.1 模型建立步骤

(1)确定影响有机废气产生的独立输入变量和因变量；(2)确定获取现场数据的时间段，并记录单位时间VOC监测的排放浓度和对应时间传感器监测的变量的数据；(3)将样本分割成多个数据集；(4)其中一个数据集用于训练模型的适应性，另外的数据集用于模型的验证；(5)建立模型神经网络模型；(6)模型置于现场，由实际的过程数据在线检验模型，判定模型能否提供所需数量的准确的实时估算；(7)绘制以样本数为横坐标，有机废气排放浓度为纵坐标的模型预测结果与有机废气实际排放浓度的图形；(8)对照模型的技术条件检验是否合格；(9)经环境保护主管部门批准，用于污染源烟气排放监测。

3.2 模型的性能与技术指标检测

3.2.1 性能技术指标

有机废气排放过程(工况)监控系统模型应满足以下性能技术指标要求。

(1)相对准确度(RA)。当模型预测值＞10e-4 时，相对准确度≤15 %；当模型预测值为10e-5~10e-4 时，相对准确度≤25 %；当模型预测值＜10e-5 时，模型预测值与参比方法(RM)测定值之差的绝对值≤5×10e-6。

(2)偏差。若模型预测值与参比方法测定值之差绝对值的平均值大于置信系数，则用偏差系数修正模型数据。

(3)模型方差。在90%置信水平，计算的F 值≤临界值Fa。

(4)模型的相关系数。相关系数≥0.75。

(5)相对准确度审核。模型预测3次的平均值与同期参比方法测定值之间的相对误差不大于±15%。

3.2.2 性能技术检测

(1)模型初始验证。模型进行15次相对准确度运算。

(2)定期质量保证(QA)评估。模型执行季度相对准确度审核和年度与参比方法比对检测审核。

4 环保局排放过程工况监控平台

环保局监控平台通过企业端VOC排放过程监控系统将现场端数据实时传到监控中心，实现对现场端数据汇总、报警管理、数据分析等业务功能。

4.1 系统架构

环保局监控平台是一个集污染源企业数据采集、企业治理一企一档、工况流程管理、分析处理、监控管理为一体的综合集成信息管理系统。采用基于B/S架构的系统，具有数据库服务器、应用服务器及PC显示终端及手机端等组成。

4.2 软件功能模块

(1)提供企业基础信息管理功能，能对企业如地理位置、名称、管理人员等进行增删改查询等功能；

(2)根据不同生产治理工艺类型不同自动匹配工况监控数据验证引擎，进行数据验证；

(3)对排放企业的基本信息进行方便且安全的维护；

(4)对监测数据进行自动或手动备份，保证数据的完整性；

(5)将监测数据经过校验后上报到上级管理部门；

(6)动态实时地更新有机废气设施的运转状态，实时全面了解运转及排放情况；

(7)综合查询统计各类有机废气治理设施控制信号，并形成分类报表；

(8)针对排污收费、总量核定、排污权交易及其他业务需求进行扩展。

5 实例应用

在广东某喷涂厂应用了有机废气VOC 排放过程工况监控系统。该项目完成了环保局监控平台和企业端现场监控设备的建设、污染源过程工况监控数据的监测，基本达到了项目预期目的。

5.1 监测参数选择

(1)出口参数：温度、流量、气压、苯、甲苯与二甲苯(合计)、总VOCs、总烃；

(2)治理设备参数：引风机状态及电流、治理设备电流及功率、喷淋塔电流及功率；

(3)生产设备参数：生产线驱动电机电流、搅拌机电流、加料阀门、喷涂机器人电流等。

(4)视频监控：监控烟囱排放情况。

5.2 数据采集传输方式

数据采集使用信号隔离获取相关设备电控箱处的电源线电流、电压及开关状态数据，直接采用互感器、光电检测开关等传感器获取监测数据，经过程监控系统把采集的数据存储、显示、并发送给4G视频数据采集仪；数据传输采用4G 无线数据传输方式。

5.3 应用效果分析

首先，可通过排放出口参数、治理设备参数、生产设备参数，结合判读模型等来判定整个系统的运行状况。

通过对企业生产过程工况参数的监控，有效地实现了对企业污染治理设施运行规律的自动分析，提升了企业的自我监管能力，同时对企业的有机废气监测数据起到了有效的监督和验证作用，提升了环保工作的管理水平。