超聲波流速儀在煙氣流速測量中的應用

陶 冶，李 強，張愛麗，王齊鳴，鄔紅娟

1.華中科技大學環(huán)境科學與工程學院，湖北武漢430074

2.河南省環(huán)境監(jiān)控中心，河南鄭州450004

3.北京牡丹聯(lián)友環(huán)保科技股份有限公司，北京101111

從“十一五”開始，煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)在全國得到了廣泛應用，中國對大氣固定污染源實行排放濃度和排放總量雙目標控制，監(jiān)測系統(tǒng)中的煙氣流量(流速)檢測是計算污染物排放總量的必要參數(shù)?，F(xiàn)行技術(shù)標準《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ/T 75—2007)(以下簡稱“T75標準”)規(guī)定，當手工參比方法檢測煙道流速大于10 m/s時，流速CEMS的相對誤差不超過±10%;當手工參比方法檢測煙道流速小于或等于10 m/s時，流速CEMS的相對誤差不超過 ±12%。T75標準同時規(guī)定，煙氣流速監(jiān)測點位應設置在上游不小于4倍、下游不小于2倍煙道直徑處，即煙道直管段長度應大于6倍煙道直徑［1］。但現(xiàn)實情況是，國內(nèi)多數(shù)煙氣流速監(jiān)測點沒有足夠長的煙道直管段，很難保證與手工參比方法的相對誤差滿足標準的要求。

皮托管流速計是目前國內(nèi)煙氣流速檢測主要方法，價格低且安裝簡單，但存在以下問題:一是目前大多數(shù)電廠脫硫后煙道直管段長度只有1～3倍煙道直徑，煙道內(nèi)流場紊亂，皮托管流速計插入煙道內(nèi)在一個點上測量，很難代表煙道截面的平均流速［2］;二是皮托管的差壓式測量原理無法實現(xiàn)儀表的現(xiàn)場量程校準［2］，校準量程漂移只能靠手工比對校驗;三是大多數(shù)電廠脫硫后煙氣濕度高、腐蝕性強等原因，使煙道內(nèi)的皮托管易堵塞、腐蝕或磨損，造成運行故障率和維護工作量很大［2-5］;這些問題匯集表現(xiàn)為流速 CEMS的考核合格率明顯低于其他參數(shù)(如氣態(tài)污染物濃度等)，成為影響污染源自動監(jiān)測數(shù)據(jù)整體數(shù)據(jù)質(zhì)量的突出要素。流速CEMS的質(zhì)量控制措施需要反復“校驗、審核、整改”，還造成了手工監(jiān)測比對工作量的劇增［5］。高小晉等［6］通過測定速度場系數(shù)提高單點檢測的代表性，在煙道直管段長度大于3倍煙道直徑時有較好的效果;劉啟貞［7］研究改進煙氣流速手工監(jiān)測方法，提高手工監(jiān)測比對工作效率;殷曉紅等［8］通過實驗優(yōu)化選擇煙氣流速測點，提高監(jiān)測穩(wěn)定性;尹衛(wèi)萍等［9-10］分別使用多孔流速儀和多點網(wǎng)格流速法進行了增加煙道內(nèi)測點數(shù)量的實驗，在提高測量代表性方面取得了進展。目前迫切需要能夠在多方面(包括能夠在線校準和耐惡劣工況)同時改善的解決方案。

超聲波流速儀可以檢測煙道內(nèi)的線平均流速，通過X型安裝還可實現(xiàn)準平面測量，很好地適應復雜流場分布;超聲波檢測探頭不探入煙道內(nèi)，不與煙氣接觸，可以很好地適應高濕煙氣等惡劣條件;有些超聲波流速儀還突破了量程在線校準的難題。據(jù)美國環(huán)保專業(yè)咨詢與研究機構(gòu)(RMB Consulting＆ Research，Inc.)統(tǒng)計，截至2012年，美國已安裝的流速CEMS中67%為超聲波流速儀［11］。可能由于一次性建設費用較高的原因，目前國際上廣泛應用的超聲波流量測量方法在國內(nèi)極少應用。

在國內(nèi)一個電廠的煙道上安裝了超聲波流速儀，進行了參比測試實驗、在線校準實驗、連續(xù)運行實驗等。依據(jù)中國現(xiàn)行技術(shù)標準《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ/T 75—2007)，評價超聲波流速儀能否達到其規(guī)定的技術(shù)性能指標，并為超聲波流速儀在國內(nèi)推廣應用作出技術(shù)方面的探索。

1 實驗部分

1.1 實驗儀表

實驗選擇的超聲波流速儀型號為ULTRAFLOW 150DI(美國)，該儀表符合美國環(huán)保署(EPA 40CFR75)的技術(shù)要求，尚未進行國內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測儀器適用性檢測認證。

1.1.1 實驗儀表測量原理

在煙道兩側(cè)各安裝一個既可發(fā)射也可接收超聲波的探頭，2個探頭同軸線，與煙氣流速呈一定角度，各自發(fā)射并接受來自對方的超聲波脈沖信號，參見圖1。

圖1 超聲波流速測量原理示意圖

超聲波順、逆煙氣流方向的速度計算公式分別為

因此，得到煙氣流速:

式中:VA為超聲波順煙氣流傳輸速度，m/s;VB為超聲波逆煙氣流傳輸速度，m/s;tA為超聲波順煙氣流傳輸時間，s;tB為超聲波逆煙氣流傳輸時間，s;L為超聲波傳輸路徑長度，m;Q為超聲波軸線與煙氣流向夾角，(°);C為聲速，m/s;VS為煙氣流速，m/s。

因此，流速測量與煙氣溫度、壓力、密度無關(guān)，測量順、逆煙氣流的超聲波傳輸時間，即可計算出煙氣流速。

1.1.2 實驗儀表主要技術(shù)指標與功能［12］

測量范圍為0～61 m/s(可設定);分辨率為0.03 m/s(時間分辨率為0.000 5 ms);長期再現(xiàn)性不超過 ±0.1 m/s;相對準確度小于5%;漂移不超過±1%讀數(shù);安裝角度(θ)為 45～77°;最大測量路徑15 m;自動零點校準功能;自動量程校準功能，且可以校準高、低量程。

1.2 實驗場地

1.2.1 鍋爐情況

某熱電廠共4臺鍋爐，鍋爐蒸發(fā)量820 t/h，煙氣經(jīng)過選擇性催化還原法脫硝、靜電除塵、石灰-石膏法脫硫，每2臺鍋爐共用1個水平總煙道，4臺鍋爐2個總煙道排入1個煙囪。

1.2.2 安裝點位設計

超聲波流速儀安裝在其中1個總煙道上。煙道直徑7 m，直管段總長度26 m，為煙道直徑的3.7倍，不滿足T75標準的規(guī)定。煙道直管段上游為水平45°彎頭，下游為垂直煙囪。見圖2。

圖2 超聲波流速儀安裝點位示意圖

1)由于現(xiàn)場條件所限，上下游超聲波傳輸?shù)闹虚g點選擇在直管段上游16 m，下游10 m處，測點前后分別為2.3倍、1.4倍的煙道直徑;

2)由于現(xiàn)場條件所限，探頭與煙氣流向夾角為 74.05°，符合廠家 45° ～77°的要求;

3)探頭設計距離7.28 m，符合廠家小于15 m的要求;

4)設定量程0～40 m/s。當煙氣流速達到極值40 m/s時，2個探頭間聲波傳輸時間最快，為20.74 ms，是儀表時間分辨率的40 000倍以上，能夠確保精確測量傳輸時間，即能夠準確測量煙氣流速。

2 結(jié)果與討論

2.1 參比測試實驗

在鍋爐高負荷和低負荷運行期間分別進行了手工方法的流速參比測試，鍋爐在高低負荷運行期間的平均流速相差1倍以上，高負荷時的煙氣流速大于10 m/s，低負荷時的煙氣流速小于或等于10 m/s。2次參比測試的間隔時間大于90 d。對高負荷數(shù)據(jù)按速度場系數(shù)調(diào)試進行評價，低負荷數(shù)據(jù)按技術(shù)驗收進行評價，實驗依據(jù)為T75標準中安裝調(diào)試及技術(shù)驗收的相關(guān)規(guī)定。實驗數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 參比測試實驗數(shù)據(jù) m/s

實驗記錄鍋爐高負荷運行期間的超聲波流速儀原始檢測數(shù)據(jù)與同時段參比檢測數(shù)據(jù)，共10個數(shù)據(jù)對，計算速度場系數(shù)為0.956 3，速度場系數(shù)精密度為1.88%，優(yōu)于 T75標準關(guān)于流速調(diào)試的技術(shù)指標(速度場系數(shù)精密度≤5%)。

鍋爐低負荷運行期間的超聲波流速儀原始檢測數(shù)據(jù)與同時段參比檢測數(shù)據(jù)，將超聲波原始數(shù)據(jù)按速度場系數(shù)0.956 3修正，共10個數(shù)據(jù)對，計算相對誤差為0.57%，優(yōu)于 T75標準關(guān)于流速驗收的技術(shù)指標(相對誤差在 ±12%以內(nèi))。

速度場系數(shù)在高負荷、低負荷工況下相差很小，說明超聲波線測量方式對煙道截面流速的代表性很好。

速度場系數(shù)為0.956 3，等同相對誤差為4.55%，表明在該實驗條件下，超聲波流速儀不進行速度場系數(shù)調(diào)試，也能滿足T75標準關(guān)于流速驗收的技術(shù)指標。

手工測試中發(fā)現(xiàn)，煙道斷面流速存在較大差異，北側(cè)流速高，南側(cè)流速低，最高流速達到最低流速的2倍多，如果使用點測量流速儀很難確定有代表性的測點。

2.2 在線校準實驗

為考核超聲波流速儀的長期漂移情況，在連續(xù)運行期間關(guān)閉了零點和量程自動校準功能。連續(xù)運行結(jié)束后，進行手動在線校準實驗，包括零點校準、40%量程(16 m/s)校準、60%量程(24 m/s)校準。3點在線校準從15:30開始，至15:34結(jié)束，用時不到5 min。校準前5 min平均值為 7.74 m/s，校準后 5 min 平均值為 7.66 m/s，校準前后工況穩(wěn)定，煙氣流速檢測值沒有明顯差異。結(jié)果見圖3。

圖3 在線校準曲線

圖3 的結(jié)果表明:

1)超聲波流速儀的穩(wěn)定性很好，經(jīng)過半年的運行沒有明顯漂移。

2)目前只有部分流速儀能夠?qū)崿F(xiàn)在線零點校準，大多數(shù)流速儀無法實現(xiàn)在線量程校準?；诖?，T75標準作了定期校驗的規(guī)定來控制漂移，即定期用手工方法參比確定儀表的漂移幅度及校準依據(jù)。能夠?qū)崿F(xiàn)在線量程校準是超聲波流速儀的突出優(yōu)勢，可以作為快捷可靠的檢測質(zhì)量控制措施，進而可能引進美國EPA的相關(guān)規(guī)定，減少流速手工參比測試的頻次，提高質(zhì)量控制的科學性，減少質(zhì)量控制的工作量。

2.3 連續(xù)運行實驗

實驗從2012年11月1日安裝調(diào)試完成后開始，截至2013年4月30日，共182 d，4 368 h。實驗期間鍋爐持續(xù)運行，超聲波流速儀未發(fā)生任何故障，維護工作為每個月更換反吹風機進氣過濾器，未進行過計劃外的維護保養(yǎng)，其測試數(shù)據(jù)見圖4。

實驗結(jié)果表明:

1)實驗期間共取得4 365個有效小時數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)采集率為99.9%，優(yōu)于 T75標準關(guān)于CEMS有效數(shù)據(jù)采集率75%的技術(shù)指標。

2)檢測數(shù)據(jù)與鍋爐燃煤量的相關(guān)性很好，相關(guān)系數(shù)為0.966 3。及時反映了11月初供暖開始和4月中旬供暖結(jié)束時燃煤量的突然變化。

3)實驗結(jié)束半年后，將超聲波探頭從煙道內(nèi)取出觀察，其表面干凈，沒有明顯腐蝕和磨損的現(xiàn)象，表現(xiàn)出與煙氣非接觸測量的耐腐蝕性能優(yōu)勢。

圖4 超聲波流速儀檢測數(shù)據(jù)與鍋爐燃煤量

3 結(jié)論

超聲波流速儀在大氣固定污染源流速監(jiān)測方面具有以下優(yōu)勢和特點:檢測煙道內(nèi)的線平均流速使測量代表性明顯改善，速度場系數(shù)精密度和相對誤差等關(guān)鍵指標明顯優(yōu)于技術(shù)規(guī)格;具有獨特的在線零點/量程系統(tǒng)自動校準功能，是長期保證流速測量準確度的可靠質(zhì)控措施，流速測量不再局限于一種校準方法(手工參比);與煙氣非接觸測量方式使故障率和維護費用大幅降低。推廣使用超聲波流速儀能夠在多方面同時改善目前污染源煙氣流量監(jiān)測的問題，還可以降低質(zhì)量控制的難度，綜合考慮建設費用、運行維護費用和質(zhì)量管理費用，在經(jīng)濟上也具有優(yōu)勢。

［1］HJ/T 75—2007 固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(試行)［S］.

［2］楊凱，周剛，王強，等.煙塵煙氣連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2010，26(5):18-26.

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［5］環(huán)境保護部科技標準司.煙塵煙氣連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)運行管理［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2008.

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