CN109813846A - 一种基于4g网络的居民燃煤采暖炉具排放远程监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于4G网络的居民燃煤采暖炉具排放远程监测系统，其包括烟气稀释采样模块，烟气稀释采样模块的输出端依次与烟气配送模块、数据采集模块、数据传输模块和数据分析管理平台连接；电源模块用于为上述各模块供电；烟气稀释采样模块、烟气配送模块、数据采集模块、数据传输模块和电源模块安装在分散式居民冬季燃煤采暖炉具上，数据分析管理平台安装在省市级固定监控室中。本发明既可实时监测居民燃煤采暖炉具燃烧状态和排放性能，又可通过4G网络实现较广范围的数据采集与分析，并与数据库技术、气象环保数据互联互通，实现广大农村地区更广范围、更深领域的环保监测。

Description

一种基于4G网络的居民燃煤采暖炉具排放远程监测系统

技术领域

本发明涉及一种大气环境污染监测领域，特别是关于一种基于4G网络的居民燃煤采暖炉具排放远程监测系统。

背景技术

目前我国的能源结构及社会发展水平，决定了未来一定时期内，燃煤炉具仍是我国北方居民冬季采暖的主要方式，城市居民开始享受集中供暖带来的清洁与温暖，但是仍有约1.5亿户农村家庭均采用散烧方式采暖，平均每户一个冬季要烧两吨多煤，并且这些煤并不是充分燃烧，而是采取封火慢烧的方式，产生大量烟雾和有害气体。然而目前由于燃煤采暖覆盖面广、监管难，加之缺乏有效的排放检测系统，导致农村居民燃煤取暖造成的大气污染越来越严重，治理也面临巨大挑战。

国外在采暖炉具监测领域多采用基于红外传感器或者电化学传感器的高精度烟气分析仪和基于分光光度计的细颗粒物检测仪，但是由于仪器昂贵、操作复杂等原因，很难应用于我国北方农村居民冬季燃煤采暖炉具污染物排放性能的实时监测。国内在采暖炉具监测领域发展较晚，多在实验室条件下监测，但是居民燃煤采暖炉具质量参差不齐，实验室监测和实地监测污染物排放差别大，加之居民燃煤炉具现实应用中用户数量大、地域分布广等特点，造成污染物排放性能实时监测困难。因此，开发一套能够适用于分散式居民冬季燃煤采暖炉具污染物排放性能实时监测的系统成为目前需要解决的重要问题之一，也可为居民燃煤大气污染管控决策提供科学依据和技术支撑。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于4G网络的居民燃煤采暖炉具排放远程监测系统，其既可实时监测居民燃煤采暖炉具燃烧状态和排放性能，又可通过4G网络实现较广范围的数据采集与分析，并可与数据库技术、气象环保数据互联互通，实现广大农村地区更广范围、更深领域的环保监测。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于4G网络的居民燃煤采暖炉具排放远程监测系统，其包括烟气稀释采样模块、烟气配送模块、数据采集模块、数据传输模块、数据分析管理平台和电源模块；所述烟气稀释采样模块的输出端依次与所述烟气配送模块、数据采集模块、数据传输模块和数据分析管理平台连接；所述电源模块用于为上述各模块供电；所述烟气稀释采样模块、烟气配送模块、数据采集模块、数据传输模块和电源模块安装在分散式居民冬季燃煤采暖炉具上，所述数据分析管理平台安装在省市级固定监控室中。

进一步，所述包括稀释气制备器、稀释气喷嘴、冲击收集腔和混合腔；所述稀释气制备器输入端通过塑料气管与空气泵连接，所述稀释气制备器的输出端与所述稀释气喷嘴的输入端通过塑料气管连接，所述稀释气喷嘴输出端和所述冲击收集腔相对设置，且所述稀释气喷嘴输出端和冲击收集腔所述穿过烟囱的正中央；制备好的稀释气经所述稀释气喷嘴喷出，在所述冲击收集腔内冲击高浓度烟气用于稀释，所述冲击收集腔将稀释后的烟气输送到后端的所述混合腔，所述冲击收集腔采集的混合气体在所述混合腔中充分混合。

进一步，所述稀释气喷嘴通过螺纹活动连接在所述塑料气管上，所述冲击收集腔为直接固定；所述稀释气喷嘴与所述冲击收集腔之间的距离通过旋转所述稀释气喷嘴来调节。

进一步，所述稀释气喷嘴为钢质中空圆台形结构，所述冲击收集腔为钢质长喇叭形结构，所述混合腔采用不锈钢管。

进一步，所述烟气配送模块包括稀释通道、细颗粒物传感器、数据采集模块、低浓度CO₂传感器、烟气过滤器、未稀释通道、高浓度CO₂传感器和CO传感器以及烟气过滤器；所述稀释通道一端与所述烟气稀释采样模块的末端连接，另一端与装有所述细颗粒物传感器和低浓度CO₂传感器的所述数据采集模块连接，在所述细颗粒物传感器与所述低浓度CO₂传感器之间的所述稀释通道上安装有所述烟气过滤器；所述未稀释通道一端位于烟囱内，另一端与装有所述高浓度CO₂传感器和CO传感器的所述数据采集模块连接；在所述未稀释通道的所述数据采集模块前安装所述烟气过滤器。

进一步，所述稀释通道的末端依次安装有稀释通道流量计和稀释通道气体采样泵；在所述未稀释通道的末端依次安装有未稀释通道流量计和未稀释通道气体采样泵，都采用负压采样方式。

进一步，所述数据采集模块包括细颗粒物传感器、低浓度CO₂传感器、高浓度CO₂传感器和CO传感器、温度传感器、GPS定位模块、A/D转换模块和单片机；所述温度传感器安装在所述烟气稀释采样模块下方的烟囱中，所述细颗粒物传感器和GPS定位模块经串口接入所述单片机，所述温度传感器、低浓度CO₂传感器、高浓度CO₂传感器和CO传感器经所述A/D转换模块接入所述单片机；所述数据采集模块将各类传感器采集的数据和GPS定位模块的定位信息进行预处理，并转换为一组具有预先规定通信协议的数据帧，传输至所述数据传输模块。

进一步，所述数据传输模块包括4G模块和远程接收服务器；所述4G模块通过串口与所述单片机连接，所述单片机通过发送AT指令控制所述4G模块将所述数据采集模块采集的信息按照预先设定的数据格式通过运营商已有4G网络发送到对应的所述远程接收服务器上。

进一步，所述数据分析管理平台用于处理所述远程接收服务器上接收到的数据，所述数据分析管理平台包括站点实时数据模块、数据管理模块、气象数据模块、综合分析模块、故障诊断模块和系统管理模块；所述站点实时数据模块用于显示与记录不同位置的实时监测数据；所述数据管理模块用于历史数据的查询、删除、保存、输入以及输出管理；所述气象数据模块用于后续综合分析，通过网络直接获取；所述综合分析模块用于监测数据的可视化图形处理、炉具排放性能评价和区域环保监测研究；所述故障诊断模块用于监控系统自诊断；所述系统管理模块用于数据分析管理平台的基本参数设置。

进一步，所述电源模块包括温差发电片、蓄电池和电源变换稳压模块；所述温差发电片安装在炉膛与冷却水套之间，所述温差发电片热端经半隔热材料后贴近炉膛末端，冷端贴近冷却水套，利用炉具燃烧过程中的热量发电，经所述电源变换稳压模块为所述蓄电池充电；所述蓄电池的正负极直接与所述烟气稀释采样模块中的稀释气制备器和所述烟气配送模块中的气体采样泵正负极连接，同时经过所述电源变换稳压模块变为5V直流电后与所述数据采集模块中的单片机连接。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明针对居民燃煤采暖炉具排放性能指标实现一体化测试，可同时测试烟气温度、细颗粒物及CO₂、CO浓度，实现联动实时在线监测。2、本发明基于4G网络的居民燃煤采暖炉具排放远程监测系统用户端为低成本炉具排放监测产品，可通过4G网络技术将不同区域随机采样的点状分布污染源统一监控，从更宏观层面掌握分散式居民冬季燃煤采暖炉具的燃烧状态和污染物排放性能。3、本发明基于4G网络的居民燃煤采暖炉具排放远程监测系统中的数据分析管理平台在监测燃煤炉具排放性能的同时，能够与数据库技术、气象环保数据互联互通，实现更广范围、更深领域的环保监测研究，有助于环保部门精准掌握燃煤炉具区域性排放情况。

综上，本发明可以广泛应用于分散式居民冬季燃煤采暖炉具的燃烧状态和污染物排放性能的实时监测领域。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的烟气稀释采样模块和烟气配送模块安装结构示意图；

图3是本发明使用时的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种基于4G网络的居民燃煤采暖炉具排放远程监测系统，其包括烟气稀释采样模块、烟气配送模块、数据采集模块、数据传输模块、数据分析管理平台和电源模块。烟气稀释采样模块的输出端依次与烟气配送模块、数据采集模块、数据传输模块和数据分析管理平台连接；电源模块用于为上述各模块供电。烟气稀释采样模块、烟气配送模块、数据采集模块、数据传输模块和电源模块安装在广大农村分散式居民冬季燃煤采暖炉具上，数据分析管理平台安装在省市级固定监控室中，管理人员可通过监控室实时监测分布在不同位置的燃煤采暖炉具的燃烧状态和污染物排放性能。

使用时，烟气配送模块将烟气稀释采样模块采集的稀释烟气和未经稀释的烟气分通道配送到安装有数据采集模块的位置；数据传输模块将数据采集模块监测的数据通过4G网络发送到数据分析管理平台，最后数据分析管理平台结合不同居民燃煤炉具监测的数据和气象环保数据进行综合分析。

在一个优选的实施例中，如图2所示，烟气稀释采样模块安装在居民燃煤炉具烟囱1距炉体1米高处，其包括稀释气制备器2、稀释气喷嘴3、冲击收集腔4和混合腔5。稀释气制备器2输入端通过内径6mm的塑料气管与空气泵连接，去除空气中的水汽和CO₂。稀释气制备器2的输出端与稀释气喷嘴3的输入端通过塑料气管连接，稀释气喷嘴3输出端和冲击收集腔4相对设置，且稀释气喷嘴3输出端和冲击收集腔4穿过烟囱1的正中央；制备好的稀释气经稀释气喷嘴3喷出，在冲击收集腔4内冲击高浓度烟气用于稀释。冲击收集腔4将稀释后的烟气输送到后端的混合腔5，冲击收集腔4采集的混合气体在混合腔5中充分混合。混合腔5末端为铜质散热圆管，该散热圆管长为200mm，外径为8mm。

上述实施例中，稀释气喷嘴3通过螺纹活动连接在塑料气管上，冲击收集腔4为直接固定，稀释气喷嘴3与冲击收集腔4之间的距离可以通过旋转稀释气喷嘴3来调节，从而实现接近0-∞倍的烟气稀释比例。

上述实施例中，稀释气喷嘴3为钢质中空圆台形结构，长100mm，外径8mm，内径3mm；冲击收集腔4为钢质长喇叭形结构，长80mm，前段开口直径20mm；混合腔5为直径50mm，长为200mm的不锈钢管。

在一个优选的实施例中，如图2所示，烟气配送模块包括稀释通道6、细颗粒物传感器7、数据采集模块、低浓度CO₂传感器8、烟气过滤器9、未稀释通道10、高浓度CO₂传感器和CO传感器11以及烟气过滤器12。稀释通道6一端与烟气稀释采样模块中混合腔5末端连接，另一端与装有细颗粒物传感器7和低浓度CO₂传感器8的数据采集模块连接；在细颗粒物传感器7与低浓度CO₂传感器8之间的稀释通道6上安装有烟气过滤器9。未稀释通道10一端位于烟囱1内，另一端与装有高浓度CO₂传感器和CO传感器11的数据采集模块连接；在未稀释通道10的数据采集模块前安装烟气过滤器12，烟气过滤器12用于过滤未稀释通道烟气中的颗粒物，防止烟气浓度过高影响后面的传感器精度。

上述实施例中，在稀释通道6的末端依次安装有稀释通道流量计13和稀释通道气体采样泵14，稀释通道流量计13靠近低浓度CO₂传感器8；在未稀释通道10的末端依次安装有未稀释通道流量计15和未稀释通道气体采样泵16，都采用负压采样方式。

上述实施例中，稀释通道6和未稀释通道10均采用内径为6mm的塑料气管。

上述实施例中，未稀释通道直接连接在烟囱1中烟气稀释采样模块的下方5cm处。

上述实施例中，细颗粒物传感器7采用激光细颗粒物传感器。

在一个优选的实施例中，数据采集模块包括细颗粒物传感器7、低浓度CO₂传感器8、高浓度CO₂传感器和CO传感器11、温度传感器、GPS定位模块、A/D转换模块和单片机17。细颗粒物传感器7和低浓度CO₂传感器8依次固定安装在稀释通道6上，高浓度CO₂传感器和CO传感器11固定安装在未稀释通道10上；温度传感器为K型热电偶，安装在烟气稀释采样模块下方的烟囱1中，避免稀释气冲击造成的温度监测误差。细颗粒物传感器7和GPS定位模块经串口接入单片机17，温度传感器、低浓度CO₂传感器8、高浓度CO₂传感器和CO传感器11经A/D转换模块接入单片机17。数据采集模块设定60秒采集一次，将各类传感器采集的数据和GPS定位模块的定位信息进行预处理，并转换为一组具有预先规定通信协议的数据帧，传输至数据传输模块。

在一个优选的实施例中，数据传输模块包括4G模块和远程接收服务器。4G模块为USR-LTE-7S4，支持五模十二频，通过串口与单片机17连接，单片机17通过发送AT指令控制4G模块将数据采集模块采集的信息按照预先设定的数据格式通过运营商已有4G网络发送到对应的远程接收服务器上。

上述实施例中，本发明采用的数据传输模块为温度传感器信号触发开关机，采用主动发送方式，发送频率和发送开关也可远程设定，系统默认情况下，当网络信号畅通时，数据传输模块实时传输；将当网络信号较弱时，数据将被暂存，等信号稳定后再打包发送。

在一个优选的实施例中，数据分析管理平台用于处理远程接收服务器上接收到的数据，结合不同居民燃煤炉具监测的数据和气象环保数据进行综合分析。数据分析管理平台包括站点实时数据模块、数据管理模块、气象数据模块、综合分析模块、故障诊断模块和系统管理模块。站点实时数据模块用于显示与记录不同位置的实时监测数据；数据管理模块用于历史数据的查询、删除、保存、输入以及输出等管理；气象数据模块用于后续综合分析，通过网络直接获取；综合分析模块用于监测数据的可视化图形处理、炉具排放性能评价和区域环保监测研究；故障诊断模块用于监控系统自诊断；系统管理模块用于数据分析管理平台的基本参数设置。

在一个优选的实施例中，电源模块包括温差发电片、蓄电池和电源变换稳压模块。温差发电片由多片TEP1-142T300耐高温型温差半导体发电片构成，安装在炉膛与冷却水套之间，温差发电片热端经半隔热材料后贴近炉膛末端，冷端贴近冷却水套，利用炉具燃烧过程中的热量发电，经电源变换稳压模块为蓄电池充电。蓄电池的正负极直接与稀释气制备器2和气体采样泵正负极连接，同时经过电源变换稳压模块变为5V直流电后与单片机17连接，为单片机17等电子器件供电。

综上所述，如图3所示，本发明的工作过程如下：当居民点燃采暖炉具后，由于炉体和烟囱1温度升高，温度总开关自动闭合，数据传输模块也由温度传感器信号触发开机工作，随后系统进行初始化和故障检测。如果系统自检不通过，则进行故障报警，上传故障信息，如果系统自检通过，稀释气制备器2、稀释通道气体采样泵14和未稀释通道气体采样泵13开始工作，制备好的稀释气经稀释气喷嘴3喷出，在冲击收集腔4内冲击并稀释高浓度烟气，经过冲击稀释后的烟气在烟气稀释模块的混合腔5进行充分混合。混合完全的稀释烟气在稀释通道气体采样泵的负压下，经过烟气配送模块的稀释通道6输送到装有细颗粒物传感器7和低浓度CO₂传感器8的稀释通道位置，细颗粒物传感器7和低浓度CO₂传感器8之间装有稀释通道烟气过滤器9，经数据采集模块采集数据信息；同时未稀释的烟气在未稀释通道气体采样泵的负压下，由烟气配送模块经未稀释通道10输送到装有高浓度CO₂传感器和CO传感器11的未稀释通道位置，并且中间经过未稀释通道烟气过滤器12，过滤掉未稀释烟气中的颗粒物。激光细颗粒物传感器和GPS定位模块经串口接入单片机，温度传感器、低浓度CO₂传感器、高浓度CO₂传感器、CO传感器经A/D转换模块接入单片机17。单片机17通过串口发送AT指令控制4G模块将数据采集模块采集的信息按照预先设定的数据格式通过运营商已有4G网络发送到对应的远程接收服务器上，最终数据分析管理平台对服务器上的数据进行分析处理，实现站点实时数据、数据管理、气象数据、综合分析、故障诊断和系统管理等功能。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种基于4G网络的居民燃煤采暖炉具排放远程监测系统，其特征在于：包括烟气稀释采样模块、烟气配送模块、数据采集模块、数据传输模块、数据分析管理平台和电源模块；所述烟气稀释采样模块的输出端依次与所述烟气配送模块、数据采集模块、数据传输模块和数据分析管理平台连接；所述电源模块用于为上述各模块供电；所述烟气稀释采样模块、烟气配送模块、数据采集模块、数据传输模块和电源模块安装在分散式居民冬季燃煤采暖炉具上，所述数据分析管理平台安装在省市级固定监控室中。

2.如权利要求1所述远程监测系统，其特征在于：所述包括稀释气制备器、稀释气喷嘴、冲击收集腔和混合腔；所述稀释气制备器输入端通过塑料气管与空气泵连接，所述稀释气制备器的输出端与所述稀释气喷嘴的输入端通过塑料气管连接，所述稀释气喷嘴输出端和所述冲击收集腔相对设置，且所述稀释气喷嘴输出端和冲击收集腔所述穿过烟囱的正中央；制备好的稀释气经所述稀释气喷嘴喷出，在所述冲击收集腔内冲击高浓度烟气用于稀释，所述冲击收集腔将稀释后的烟气输送到后端的所述混合腔，所述冲击收集腔采集的混合气体在所述混合腔中充分混合。

3.如权利要求2所述远程监测系统，其特征在于：所述稀释气喷嘴通过螺纹活动连接在所述塑料气管上，所述冲击收集腔为直接固定；所述稀释气喷嘴与所述冲击收集腔之间的距离通过旋转所述稀释气喷嘴来调节。

4.如权利要求2所述远程监测系统，其特征在于：所述稀释气喷嘴为钢质中空圆台形结构，所述冲击收集腔为钢质长喇叭形结构，所述混合腔采用不锈钢管。

5.如权利要求1所述远程监测系统，其特征在于：所述烟气配送模块包括稀释通道、细颗粒物传感器、数据采集模块、低浓度CO₂传感器、烟气过滤器、未稀释通道、高浓度CO₂传感器和CO传感器以及烟气过滤器；所述稀释通道一端与所述烟气稀释采样模块的末端连接，另一端与装有所述细颗粒物传感器和低浓度CO₂传感器的所述数据采集模块连接，在所述细颗粒物传感器与所述低浓度CO₂传感器之间的所述稀释通道上安装有所述烟气过滤器；所述未稀释通道一端位于烟囱内，另一端与装有所述高浓度CO₂传感器和CO传感器的所述数据采集模块连接；在所述未稀释通道的所述数据采集模块前安装所述烟气过滤器。

6.如权利要求5所述远程监测系统，其特征在于：所述稀释通道的末端依次安装有稀释通道流量计和稀释通道气体采样泵；在所述未稀释通道的末端依次安装有未稀释通道流量计和未稀释通道气体采样泵，都采用负压采样方式。

7.如权利要求1至6任一项所述远程监测系统，其特征在于：所述数据采集模块包括细颗粒物传感器、低浓度CO₂传感器、高浓度CO₂传感器和CO传感器、温度传感器、GPS定位模块、A/D转换模块和单片机；所述温度传感器安装在所述烟气稀释采样模块下方的烟囱中，所述细颗粒物传感器和GPS定位模块经串口接入所述单片机，所述温度传感器、低浓度CO₂传感器、高浓度CO₂传感器和CO传感器经所述A/D转换模块接入所述单片机；所述数据采集模块将各类传感器采集的数据和GPS定位模块的定位信息进行预处理，并转换为一组具有预先规定通信协议的数据帧，传输至所述数据传输模块。

8.如权利要求7所述远程监测系统，其特征在于：所述数据传输模块包括4G模块和远程接收服务器；所述4G模块通过串口与所述单片机连接，所述单片机通过发送AT指令控制所述4G模块将所述数据采集模块采集的信息按照预先设定的数据格式通过运营商已有4G网络发送到对应的所述远程接收服务器上。

9.如权利要求8所述远程监测系统，其特征在于：所述数据分析管理平台用于处理所述远程接收服务器上接收到的数据，所述数据分析管理平台包括站点实时数据模块、数据管理模块、气象数据模块、综合分析模块、故障诊断模块和系统管理模块；所述站点实时数据模块用于显示与记录不同位置的实时监测数据；所述数据管理模块用于历史数据的查询、删除、保存、输入以及输出管理；所述气象数据模块用于后续综合分析，通过网络直接获取；所述综合分析模块用于监测数据的可视化图形处理、炉具排放性能评价和区域环保监测研究；所述故障诊断模块用于监控系统自诊断；所述系统管理模块用于数据分析管理平台的基本参数设置。

10.如权利要求1所述远程监测系统，其特征在于：所述电源模块包括温差发电片、蓄电池和电源变换稳压模块；所述温差发电片安装在炉膛与冷却水套之间，所述温差发电片热端经半隔热材料后贴近炉膛末端，冷端贴近冷却水套，利用炉具燃烧过程中的热量发电，经所述电源变换稳压模块为所述蓄电池充电；所述蓄电池的正负极直接与所述烟气稀释采样模块中的稀释气制备器和所述烟气配送模块中的气体采样泵正负极连接，同时经过所述电源变换稳压模块变为5V直流电后与所述数据采集模块中的单片机连接。