VOCs在線監測系統多點自動校準開發與應用

孟祥娥 王雷 郭文韜 李瑞超 胡少成 孟繼榮

(鋼研納克檢測技術股份有限公司，北京 100081)

揮發性有機物(Volatile organic compounds，VOCs)通常是指常溫下，沸點在 50～250 ℃的一類有機化合物，主要成分包括：烴類、鹵代烴、芳香烴、多環芳烴、酯類、醛類、酮類等，VOCs大部分來自于石油化工、制藥、噴漆等工業生產、污水及垃圾處理、機動車尾氣排放等[1]。VOCs 包含的許多物質有致癌、致畸變、致突變危害，且具有遺傳毒性，會嚴重影響人類身體健康[1-5]。

近年來，化工業園區固定污染源VOCs排放強度大、濃度高、持續時間長，對環境產生嚴重的污染影響[6-8]。隨著VOCs在線監測系統的廣泛應用，環保部門進一步加強對監測系統運維的要求，對在線監測系統的自動校準功能提出了迫切需求。VOCs在線監測設備的校準，多數廠家目前仍采用運維人員現場單點校準，當待測物質線性較差時，單點校準容易造成測量的準確度較差。多點線性測試，則要求用戶提供不同濃度梯度的標氣，這會增加運維成本，氣瓶的儲存、管理、維護也是難題。不同濃度梯度的標準氣鋼瓶的氣路連接，手動進樣測試，也給現場的運維工作帶來了困難和時間成本。

針對上述需求與困難，本文介紹了VOCs在線監測系統的多點自動校準，基于動態氣體稀釋方法，結合自動控制系統，實現VOCs在線監測設備的標氣濃度自動配比，標氣預警，系統的定期單點校準與線性校準。實驗結果表明，系統標氣濃度配比穩定，精度高，線性度好，無需人為操作，便可完成在線監測系統的自動校準，大大減少運維工作量，并節省了運維成本。可以滿足應用現場對在線監測系統自動校準，以及標氣單一情況下多點校準的迫切需求。

1 VOCs在線監測系統技術原理

VOCs在線監測系統由采樣單元、氣路控制單元、色譜分析儀、自動標氣稀釋單元和軟件單元組成，如圖1所示。其中，自動標氣稀釋單元由兩通閥、壓力監測模塊、質量流量計、氣體混合腔和控制模塊組成。軟件單元設置標氣濃度配比數據(標氣濃度稀釋最大10000倍)，以網絡報文下發至控制模塊。解析數據，操作兩通閥與質量流量計，完成軟件設置濃度標氣濃度配比。壓力監測模塊實時采集標氣、稀釋氣壓力，軟件單元依據壓力數據提供報警信息或進行單點、多點校準。色譜分析儀寫入校準數據，繪制校準曲線，在線監測系統完成自動校準。

圖1 系統結構示意圖

2 自動校準軟件開發

自動校準軟件采用C#語言開發，以模塊的方式嵌入到VOCs在線監測系統軟件中，可靠性更高。自動校準軟件界面包含模式設置(單點校準、多點校準、線性測試)，間隔時間設置、標氣濃度配比設置和校準方法設置。采用多線程機制實現多任務操作，設計中增加時間線程，計時不同校準模式下的間隔時間，定時啟動VOCs在線監測系統的自動校準。

為了避免系統資源消耗，軟件設置自動校準后調用標氣監控線程，實時監測標氣、稀釋氣壓力，輸出報警信息，提醒用戶及運維人員更換標準氣瓶。自動校準主線程通過以太網通訊協議發送標氣稀釋比例、標氣流量、氣路控制命令。采集實驗數據，依次計算連續3組實驗數據的偏差、平均值。根據偏差計算值，分析儀寫入數據平均值到校準數據庫中，繪制校準曲線。軟件流程圖如圖2所示。

圖2 單點校準流程圖

3 實驗應用

實驗儀器為鋼研納克公司的NCS-NMHC-1000VOCs在線監測系統，控制軟件為匹配在線自動校準功能后的綜合控制軟件。

目前， VOCs在線監測系統校準通常采用外標法，即通過標準氣、高純氮氣對儀器進行校準。實驗中采用甲烷濃度10.2mg/m3、丙烷濃度253.0mg/m3的混合標氣(以碳計非甲烷總烴濃度為200.0mg/m3)，高純氮氣為稀釋氣。

3.1 繪制校準曲線

軟件設置為多點自動校準模式，根據標氣配比濃度設置，順序稀釋標氣，連續采樣進行多點校準實驗，得到總烴與甲烷的校準曲線，如圖3所示。

圖3 總烴與甲烷的校準曲線

3.2 重復性

對多點校準后的在線監測系統進行重復性實驗，不同濃度標準氣體依次連續采樣測試，每組重復測試6次，通過計算得到不同標氣濃度的總烴、甲烷、非甲烷總烴的重復性指標RSD。由表1可知，自動標氣稀釋單元配置的標氣濃度測試結果穩定，互相干擾小，實驗數據重復性最大0.15%，小于2.00%，可以滿足國標《HJ1013-2018》對現場監測系統重復性的要求。

表1 重復性實驗數據

3.3 示值誤差

實驗中選擇甲烷、丙烷混合的標準鋼瓶氣，已知以碳計的非甲烷總烴濃度為153.7mg/m3，連續6次采樣測試，實驗結果如表2所示。經過計算，重復性指標0.08%，示值誤差指標0.1mg/m3，數據測量準確，誤差小，優于VOCs在線監測儀器的誤差標準。

表2 示值誤差實驗數據

3.4 線性度

采用甲烷濃度10.2mg/m3、丙烷濃度253.0 mg/m3的混合標氣(以碳計非甲烷總烴濃度為200.0 mg/m3)的標準氣，高純氮氣連接系統， 設置軟件選擇線性測試模式，間隔時間設置為24小時。進行連續72小時自動線性實驗，得到如圖4所示的24小時、48小時、72小時的線性曲線。由圖4可以看出，自動校準后的系統在不同時間的多點線性曲線基本重合，線性度R2大于 0.9996。

圖4 間隔24小時、48小時、72小時的線性曲線

4 結論

VOCs在線監測系統的多點自動校準軟件操作簡單、使用方便，自主完成不同濃度標氣配比與穩定輸出，定期自動進行系統的單點、多點校準及線性測試，無需人為操作，大大減少運維工作量，節省人力、財力成本。通過實際檢測，多點自動校準系統的標氣濃度配比穩定性高，系統監測標氣測量值與實際值的示值誤差為0.1mg/m3，準確度為0.08%，自動校準后的系統24小時、48小時、72小時的數據線性度R2大于0.9996，可以滿足應用現場對在線設備自動校準，以及標氣單一條件下多點線性校準的迫切需求，保證VOCs在線監測系統數據的長期準確性。