固定排放源煙氣流量在線監(jiān)測技術(shù)*

/ .上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院；.中國計(jì)量科學(xué)研究院；.重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測研究院

0 引言

近年來，隨著《京都議定書》《巴黎行動(dòng)計(jì)劃》等一系列以減排溫室氣體為目標(biāo)的國際協(xié)議的簽訂，作為發(fā)展中國家的中國，溫室氣體減排也越來越受到政府、民眾和媒體的關(guān)注[1-3]。目前我國溫室氣體排放量主要有兩種核查方法：一是固定排放端（包括煙道或煙囪等）溫室氣體排放實(shí)測法，該方法根據(jù)排放端實(shí)測的煙氣流量與煙氣組分可以直接計(jì)算出某種溫室氣體在某段時(shí)間的排放量。第二種是目前使用較廣泛的理論計(jì)算法，包括物料平衡法和排放因子法。此種方法通過核算工業(yè)企業(yè)中生產(chǎn)及輔助生產(chǎn)主要產(chǎn)品消耗的產(chǎn)生溫室氣體的原料來計(jì)算溫室氣體的排放量。大量實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用實(shí)踐表明，在有條件進(jìn)行流量儀表安裝的固定排放端使用實(shí)測法進(jìn)行溫室氣體排放量的核算，得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性更強(qiáng)，實(shí)時(shí)性更好。實(shí)測法的兩個(gè)技術(shù)關(guān)鍵分別為煙氣流量的在線監(jiān)測與煙氣氣體的組分分析。本文將重點(diǎn)討論固定排放端煙氣流量在線監(jiān)測技術(shù)。

1983年美國加州空氣資源委員會發(fā)布了關(guān)于固定排放源溫室氣體采樣與流速測量方法，并在1999年發(fā)布了上述方法的修改版[4]。該方法明確了固定排放源溫室氣體的測量方法、測量條件、固定源煙道截面采樣點(diǎn)選取、測量儀器選擇等方面的內(nèi)容，并且重點(diǎn)闡述了S形皮托管、二維皮托管和三維皮托管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與測量數(shù)據(jù)處理。該方法是目前各國家使用實(shí)測法進(jìn)行大氣污染物監(jiān)測的通用方法。目前使用上述實(shí)測法對煙氣中二氧化碳監(jiān)測，準(zhǔn)確度可達(dá)到5%的水平。

我國目前主要還是采用物料平衡法與排放因子法對溫室氣體排放量進(jìn)行核查。雖有少數(shù)固定污染源使用實(shí)測法進(jìn)行測量，但大多數(shù)情況下在流量計(jì)選擇、采樣點(diǎn)選取方面都有所欠缺[5-9]，并且由于煙道彎頭多、內(nèi)部擾動(dòng)源復(fù)雜，實(shí)際測量中獲得的流速代表性很差，數(shù)據(jù)重復(fù)性也無法達(dá)到理想效果。

1 實(shí)測法煙氣流量測量的原理

實(shí)測法煙氣流量測量的實(shí)質(zhì)是流量測量中的速度面積法。已知截面所有點(diǎn)的平均流速乘以截面面積，便可求得截面流量。當(dāng)然某一截面所有點(diǎn)的流速不可能一一取得，所以被選取參與計(jì)算的流量點(diǎn)，在進(jìn)行復(fù)雜流場測量時(shí)，必須具有良好的流速代表性[10]。目前我國還沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范指導(dǎo)現(xiàn)場煙道氣體流量的測量，所以很有必要對當(dāng)前固定排放源的煙氣流量測量方法進(jìn)行研究，以期達(dá)到提高測量準(zhǔn)確性的目的。

煙道氣體具有高溫、高濕、顆粒雜質(zhì)較多等特點(diǎn)，所以測量煙道氣體流量時(shí)，流量計(jì)的選擇至關(guān)重要。目前，應(yīng)用比較廣泛的有皮托管流速儀表、熱式氣體流量儀表、熱線風(fēng)速儀表以及近些年發(fā)展起來的煙氣超聲流量儀表。本項(xiàng)目現(xiàn)場測量中選擇了目前各生產(chǎn)企業(yè)使用最為廣泛的皮托管流速計(jì)以及技術(shù)最為先進(jìn)、標(biāo)稱精度最高的多聲道超聲流量計(jì)作為流量計(jì)量儀表，完成了燃煤電廠實(shí)際煙道的氣體流量數(shù)據(jù)采集。下文將重點(diǎn)介紹這兩種流量計(jì)的工作原理、現(xiàn)場煙氣流量測量方法以及現(xiàn)場測量結(jié)果比對分析。

2 S形皮托管法現(xiàn)場煙氣流量測量

2.1 皮托管

工程中常用于煙道氣體流速測量的皮托管分為標(biāo)準(zhǔn)皮托管與S形皮托管兩種。標(biāo)準(zhǔn)皮托管（也稱作L形皮托管）為一直角折彎的金屬管，頭部形狀有半圓形錐形或橢圓形。直角的一端為測頭，另一端為支桿。測頭端開兩孔分別為總壓孔和靜壓孔，支桿內(nèi)部有定向空心桿用于將測頭開口與微壓計(jì)連接。結(jié)構(gòu)如圖1所示。S形皮托管是由兩根外形完全相同的空心金屬管背向焊接而成。結(jié)構(gòu)如圖2所示。制作中要求兩根金屬管測頭部分向兩個(gè)方向開孔，并且要求開孔截面嚴(yán)格平行。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)（L形）皮托管

圖2 S形皮托管

進(jìn)行氣體流速測量時(shí)，朝向氣體來流方向記為總壓孔，背向氣體來流方向記為靜壓孔。將皮托管的尾端與微壓計(jì)相連，應(yīng)用伯努利方程可推得流體中某點(diǎn)的流速與差壓有如下關(guān)系：

式中：Δp—— 微壓計(jì)測得的總壓孔與靜壓孔的差壓，Pa；

ρ—— 流體密度，kg/m3；

K—— 皮托管系數(shù)，無量綱；

v—— 當(dāng)前管道皮托管處的氣體流速，m/s

標(biāo)準(zhǔn)皮托管與S形皮托管均可以用于煙道氣體流量測量，此外，國外較先進(jìn)的皮托管形式還有二維皮托管（三孔）、三維皮托管（五孔）等形式，在原理上可以避免俯仰角和偏航角引入的測量不確定度，提高了測量準(zhǔn)確度。

2.2 測量原理

煙氣流量測量中使用的S形皮托管必須符合圖2中的結(jié)構(gòu)，并滿足相關(guān)參數(shù)要求。將滿足要求的S形皮托管與標(biāo)準(zhǔn)皮托管在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞中進(jìn)行校準(zhǔn)，得到S形皮托管的校準(zhǔn)系數(shù)Cp。

煙道測量截面的劃分方式與測點(diǎn)選擇。皮托管測試截面應(yīng)距離上游擾流（包括彎管、擴(kuò)縮徑、擾流件、可見火焰等）8倍等效直徑，距離下游擾流2倍等效直徑（以下簡稱：2-8原則）[11-12]。圓形煙道截面的直徑即為等效直徑，對于矩形煙道等效直徑由式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：De—— 矩形煙道測量截面的等效直徑，m；

L—— 矩形管道截面長度，m；

W—— 矩形管道截面寬度，m

對于滿足最小擾流距離的管道，最小的被測點(diǎn)數(shù)應(yīng)符合如下要求：1）對于截面是圓形或矩形且直徑或等效直徑大于0.61 m的煙道，至少選擇12個(gè)測點(diǎn)；2）對于截面是圓形且直徑在0.30～0.61 m的，至少選擇8個(gè)測點(diǎn)；3）對于截面是矩形且等效直徑在0.30～0.61 m的，至少選擇9個(gè)測點(diǎn)?？紤]實(shí)際測量中的較常見狀況，圖3與圖4示意了滿足2-8原則條件下截面是圓形和矩形且直徑或等效直徑大于0.61 m的煙道12個(gè)測點(diǎn)（最少測點(diǎn)）的分布。

被測截面氣旋的測試[13]。在煙氣流量測量時(shí)還要求所選擇的被測截面附近不能有較大的氣旋，否則會對測量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響?？梢允褂肧形皮托管配合微壓計(jì)的方式，應(yīng)用“0°參考”技術(shù)，對測點(diǎn)附近氣旋的有無及強(qiáng)度進(jìn)行判斷。方法是以S形皮托管開孔垂直于測量截面的位置為所謂的“0°參考”位置，將S形皮托管移動(dòng)至測量截面內(nèi)的所有測量點(diǎn)進(jìn)行測試。當(dāng)S形皮托管以“0°參考”位置放置，微壓計(jì)讀數(shù)不為0時(shí)，旋轉(zhuǎn)皮托管直至微壓計(jì)讀數(shù)為0為止，記皮托管旋轉(zhuǎn)的角度為α，求得截面內(nèi)所有測量點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度α的平均值。當(dāng)α均值小于20°時(shí)，認(rèn)為所選測量平面位置可接受。若α均值超過20°，則需要在煙道內(nèi)重新選擇測量截面，或采用其他技術(shù)對測點(diǎn)煙氣流速進(jìn)行采樣。

圖3 直徑大于0.61 m且滿足2-8原則圓形管道的測點(diǎn)分布

圖4 等效直徑大于0.61 m且滿足2-8原則矩形管道的測點(diǎn)分布

此外由于煙道中的氣體濕度較大，致使干氣體和濕氣體的分子量存在較大差異，所以需要按式（3）將干氣體分子量換算成濕氣體分子量Ms。

式中：Md—— 煙道中氣體的相對分子量（基于干氣體計(jì)算），g/mol；

Bws—— 煙道氣中的水蒸氣含量，以體積百分比記，%

確定濕氣體分子量后，可通過式（4）計(jì)算出被測量截面內(nèi)的平均氣體流速。

式中：vs—— 煙道氣體平均流速，m/s；

Kp—— 流速計(jì)算常數(shù)，米制單位時(shí)取34.97；

Cp—— 皮托管校準(zhǔn)系數(shù)，無量綱；

Δpavg—— 測量界面內(nèi)所有測點(diǎn)的平均微壓計(jì)讀數(shù)，Pa；

Ts—— 測量時(shí)煙道熱力學(xué)溫度，K；

ps—— 測量時(shí)煙道絕對壓強(qiáng)，Pa

結(jié)合煙道被測截面面積，并對當(dāng)前被測截面處的溫度壓力進(jìn)行修正，通過式（5）算得當(dāng)前被測截面的煙氣瞬時(shí)氣體體積流量。

式中：Q—— 煙道測試截面的瞬時(shí)流量，m3/h；

A—— 煙道測試截面的截面積，m2；

Tstd—— 標(biāo)準(zhǔn)絕對溫度，值為 293 K；

pstd—— 標(biāo)準(zhǔn)絕對壓強(qiáng)，760 mmHg

2.3 實(shí)際測量情況

依據(jù)測量原理選取了河南某燃煤電廠煙道進(jìn)行了測量。煙道的實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)為：從入口處到煙道斜坡處的直管長度（外尺寸）24.62 m，煙道寬度5.08 m，煙道高度9.14 m，煙道內(nèi)部測量截面面積45.06 m2。由式（2）算得矩形煙道的等效直徑為6.53 m。煙道照片如圖5所示，簡化示意圖如6所示。

圖5 某燃煤電廠被測煙道及皮托管和超聲流量計(jì)安裝照片

圖6 現(xiàn)場煙道及S形皮托管安裝簡化示意圖

由于測量時(shí)，實(shí)際煙道不滿足測量截面距前端擾流件8倍等效直徑，后端擾流件2倍等效直徑的要求，為測量準(zhǔn)確性考慮，增加了測點(diǎn)數(shù)。此外，由于需要考慮同一直管段上還要安裝插入式多聲道超聲流量計(jì)與S形皮托管進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，所以為滿足皮托管與超聲流量計(jì)均距離前端擾流足夠遠(yuǎn)的要求，將皮托管測孔截面開在煙道中部，距前端擾流（入孔）12.188 m，距后端斜坡12.433 m的位置。在9.14 m的Z方向內(nèi)均勻開6個(gè)測孔，中間各孔每孔間距1.356 m，邊緣兩孔距煙道壁距離為1.178 m。Y方向等距離分布4個(gè)測點(diǎn)，測量界面內(nèi)共計(jì)分布測點(diǎn)24個(gè)。確定皮托管測量截面后，使用“0°參考”技術(shù)對測量截面內(nèi)各測點(diǎn)進(jìn)行渦旋檢查，結(jié)果顯示各測點(diǎn)均無較大渦旋提示，所有測點(diǎn)氣旋角度平均值小于20°，認(rèn)為所選測量平面位置可接受。

采集煙道氣體進(jìn)行分析，得到測量時(shí)煙道氣體水蒸氣含量約為9.3%?？刂骑L(fēng)機(jī)頻率，對煙道氣體在三個(gè)流速點(diǎn)下進(jìn)行測量，按式（4）計(jì)算測量截面內(nèi)所有測點(diǎn)的氣體流速，求得平均氣體流速分別為6.97 m/s，12.56 m/s和 28.71 m/s；溫壓修正后的煙道氣體流量分別為 85.410 5×104m3/h，151.964 4×104m3/h 和349.394 5×104m3/h。在平均流速為 12.56 m/s時(shí)，被測截面所有測點(diǎn)平均絕對熱力學(xué)溫度323.68 K，平均絕對壓強(qiáng)9.86×104Pa。按式（5）計(jì)算通過測量截面內(nèi)的氣體流量，得到瞬時(shí)流量值為151.964 4×104m3/h。測量時(shí)發(fā)現(xiàn)中間層測點(diǎn)的微壓計(jì)示值相對穩(wěn)定，越接近管壁邊緣，微壓計(jì)示值越小，波動(dòng)也較嚴(yán)重，這時(shí)應(yīng)增加測量時(shí)間，取一段時(shí)間內(nèi)的微壓計(jì)示值平均值作為該點(diǎn)的差壓值，參與式（4）平均流速的計(jì)算。

3 多聲道超聲法現(xiàn)場煙氣流量測量

3.1 煙道用超聲流量計(jì)

超聲流量計(jì)是近年來新研制出的電子智能型流量計(jì)，形式多樣，用途廣泛。超聲流量計(jì)是依據(jù)超聲波在順流與逆流中傳播速度之差與介質(zhì)流速有關(guān)的原理，獲得被測管道內(nèi)的氣體流速，再結(jié)合被測管道截面積計(jì)算出通過被測管道所選截面的瞬時(shí)流量。超聲流量計(jì)按測量介質(zhì)分為液體超聲流量計(jì)和氣體超聲流量計(jì)，按是否與測量介質(zhì)接觸分類還可以分為外夾式非接觸超聲流量計(jì)與插入式接觸超聲流量計(jì)。按聲道數(shù)可分為單聲道超聲流量計(jì)和多聲道超聲流量計(jì)。由于煙氣流量測試多針對已建成的煙道情況，且煙道內(nèi)部流場復(fù)雜，近年來插入式的多聲道流量計(jì)開始用于對煙氣流量的測量，并取得了較好的效果[14-15]。

3.2 多聲道超聲流量計(jì)的測流原理

前文已提到超聲流量計(jì)是應(yīng)用聲波在順流與逆流的傳播速度之差與流速有關(guān)這一原理，實(shí)現(xiàn)對介質(zhì)流速的測量，流速獲得后應(yīng)用速度面積法來求得通過煙道某一截面的瞬時(shí)流量?；驹砣鐖D7所示。將超聲流量計(jì)的一對探頭置于待測截面兩側(cè)，測得順流傳播時(shí)間td,i，逆流傳播時(shí)間tu,i，從而算得該聲路上的平均軸向速度：

式中：Li—— 聲道長度；

φi—— 聲道角；

tu,i—— 超聲波在流體中逆流（由B到A）傳播的時(shí)間；

td,i—— 超聲波在流體中順流（由A到B）傳播的時(shí)間

圖7 超聲測流的基本原理

由于邊緣效應(yīng)的存在，管道內(nèi)的流場分布不均，致使單聲路的超聲流量計(jì)，流量測量準(zhǔn)確度與測量重復(fù)性的結(jié)果都不甚理想。多聲路超聲流量計(jì)的出現(xiàn)和積分算法的成熟使上述情況得到很大改觀。在煙道被測段平行的布置多條聲路，如圖8所示，通過各聲路速度的加權(quán)求和計(jì)算截面流量：

式中：R—— 管道半徑；

Wi—— 權(quán)重系數(shù)；

ui—— 第i聲道的流速

圖8 典型的矩形管道2×4聲路布置圖

不同聲路的矩形管道積分權(quán)重系數(shù)和聲路高度可以由Gauss-Legendre或OWIRS積分方法確定。不同聲路的圓形管道積分權(quán)重系數(shù)和聲路高度可以由Gauss-Jacobi或OWICS積分方法確定。表2列出了常用矩形管道與圓形管道的聲道高度與加權(quán)系數(shù)。由式（6）（7）可知，只要測得管道半徑R、每一聲路的聲路長度Li和聲路角φi便可算得被測截面的瞬時(shí)流量。

表1 常用矩形管道與圓形管道的聲道高度與加權(quán)系數(shù)

3.3 實(shí)際測量情況

實(shí)際測量煙道仍為圖5所示煙道。由于是已建成煙道，所以使用插入式換能器，在煙道的合適位置開換能器插入孔。換能器聲道最右端開孔設(shè)置于皮托管測試孔位的左側(cè)4.5 m，最左端開孔設(shè)置于距離斜坡起點(diǎn)處5 m。權(quán)重系數(shù)Wi與相對聲道高度按OWIRS面積分法2×3聲道選取，即相對聲道高度為0（中間層）時(shí)，權(quán)重系數(shù)Wi取值為0.853 688；當(dāng)相對聲道高度為±0.752 355時(shí)，權(quán)重系數(shù)Wi取值為0.557 403。聲道高度D的值為4.52 m，實(shí)際安裝位置為矩形管道中心平面，以及Z方向上距中心平面上下均為3.400 m的平面。實(shí)際聲道長度5.866 m，聲道角60°。多聲道超聲流量計(jì)的安裝示意圖如圖9所示。

圖9 2×3聲道超聲流量計(jì)的安裝示意圖

多聲道超聲流量計(jì)的流量試驗(yàn)與S形皮托管的流速試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行。故兩種方法對于每一個(gè)流速點(diǎn)的測量是在相同的溫壓條件、相同的風(fēng)機(jī)頻率以及相同的水蒸氣含量條件下進(jìn)行的。相對應(yīng)地進(jìn)行溫壓及濕度修正后的煙道氣體流量的測量結(jié)果分別為87.219 9×104m3/h，150.437 6×104m3/h，350.919 7×104m3/h。在風(fēng)機(jī)的中間頻率上，第一層兩聲道流速分別為3.15 m/s，3.35 m/s；中間層兩聲道流速分別為 12.15 m/s，12.34 m/s；第三層兩聲道流速分別為 3.87 m/s與 3.81 m/s。

4 兩種方法的測量結(jié)果與比對

從皮托管各點(diǎn)微壓計(jì)讀數(shù)結(jié)果可以看出：采樣點(diǎn)越靠近煙道管壁邊緣，煙氣流速越小；越靠近煙道中心，煙氣流速越大。從高度Z方向分析，各層所有采樣點(diǎn)平均流速從中間層測點(diǎn)向兩邊測點(diǎn)遞減。最上面兩層平均流速略高于最下面兩層平均流速。2×3聲道超聲流量計(jì)測得的結(jié)果也與上述結(jié)果一致，中間層2聲道的平均流速最高，上下兩層聲道的流速遠(yuǎn)低于中間層流速，但是最上層兩聲道的流速略高于最下層聲道流速。這是由于依據(jù)OWIRS方法確定聲道高度時(shí)，底層與頂層的4條聲道距離煙道管壁只有1.12 m，封閉管流體的邊界層效應(yīng)明顯，并且由于煙道中氣體較濕，水蒸氣體積百分比達(dá)到9%左右，且煙道內(nèi)氣體溫度達(dá)到50 ℃以上，綜合原因?qū)е聼煹纼?nèi)氣體分層，最上層氣體流速高于最下層氣體流速。比較兩種方法的流量測量結(jié)果，最大偏差出現(xiàn)在最小流量點(diǎn)，兩者相對偏差為2.07%，隨著流速的增大，偏差逐步減少。在最大流速下，兩者測量方法的流量偏差僅為0.43%。另外從長時(shí)間流量測量結(jié)果進(jìn)行比較，多聲道超聲流量計(jì)獲得的流量結(jié)果相對穩(wěn)定，長時(shí)間（24 h，每隔30 min采樣一次）的結(jié)果重復(fù)性在0.8%左右，S形皮托管流速長時(shí)間的結(jié)果重復(fù)性在1.5%左右。從重復(fù)性指標(biāo)來看，多聲道超聲流量計(jì)的測量重復(fù)性明顯優(yōu)于皮托管流速計(jì)，這是由于某時(shí)刻采樣點(diǎn)煙道內(nèi)可能會存在較大氣旋，造成軸向氣體流速不穩(wěn)定，測量值波動(dòng)較大。

5 結(jié)語

固定排放端煙氣流量在線監(jiān)測技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)在于固定排放端通氣截面結(jié)構(gòu)參數(shù)的獲取和氣體流量測量儀表及方法的選取。煙道結(jié)構(gòu)參數(shù)可以由全站儀、三維激光掃描儀等方法獲得。皮托管測速法原理簡單，設(shè)備價(jià)格低，適用于對煙氣流量測量準(zhǔn)確度和重復(fù)性要求較低的場合。對于新建煙道，應(yīng)首先考慮測量準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好的超聲測速法，合理選擇積分算法，確定聲道數(shù)目。對于截面積較小的新建固定排放源（直徑或等效直徑小于1 m），可直接考慮應(yīng)用管道式超聲流量計(jì)進(jìn)行測量，減小聲道長度和聲道角測量引入的測量不確定度，進(jìn)一步提高煙氣測量的準(zhǔn)確度。