超聲波流速儀在煙氣流速測量中的應(yīng)用

超聲波流速儀在煙氣流速測量中的應(yīng)用陶冶;李強;張愛麗;王齊鳴;鄔紅娟【摘要】在國內(nèi)一個電廠的煙道上安裝了超聲波流速儀,進(jìn)行了參比測試實驗、在線校準(zhǔn)實驗、半年連續(xù)運行實驗.參比測試結(jié)果顯示,超聲波流速儀對煙道截面流速1.88％,修正后與0.5799.9％相關(guān)性高.實驗表明,采用超聲波流速儀可以提高煙氣流速測量的技術(shù)水平和可靠性,降低質(zhì)量控制的難度和費用.【期刊名稱】《中國環(huán)境監(jiān)測》【年(卷),期】2014(030)006【總頁數(shù)】5頁(P179-183)【關(guān)鍵詞】超聲波流速儀;速度場系數(shù);固定污染源;煙氣排放連續(xù)監(jiān)測【作者】陶冶;李強;張愛麗;王齊鳴;鄔紅娟【作者單位】430074;河南省環(huán)境監(jiān)450004101111;北京101111;北京牡丹聯(lián)友環(huán)保科技股份有限公101111430074【正文語種】中文X859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(yīng)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ/T75—2007)(以下簡稱“T75標(biāo)準(zhǔn)”)規(guī)定，當(dāng)10m/sCEMS10m/sCEMS超過±12%。T75426［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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)［2］，校準(zhǔn)量使煙道內(nèi)的皮托管易堵塞、腐蝕或磨損，造成運行故障率和維護(hù)工作量很大［2-5］;這些問題匯集表現(xiàn)為流速CEMSCEMS的質(zhì)量控制措施需要反復(fù)“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3［7］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(jìn)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(jìn)展。目前迫切需要能夠在多方面(包括能夠在線校準(zhǔn)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(zhǔn)平面測量，很好地適應(yīng)復(fù)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(yīng)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(zhǔn)的難題。據(jù)美國環(huán)保專業(yè)咨詢與研究機構(gòu)(RMBConsulting＆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］?？赡苡捎谝淮涡越ㄔO(shè)費用較高的原因，目前國際上廣泛應(yīng)用的超聲波流量測量方法在國內(nèi)極少應(yīng)用。在國內(nèi)一個電廠的煙道上安裝了超聲波流速儀，進(jìn)行了參比測試實驗、在線校準(zhǔn)實驗、連續(xù)運行實驗等。依據(jù)中國現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ/T75—2007)，評價超聲波流速儀能否達(dá)到其規(guī)定的技術(shù)性能指標(biāo)，并為超聲波流速儀在國內(nèi)推廣應(yīng)用作出技術(shù)方面的探索。實驗部分實驗儀表實驗選擇的超聲波流速儀型號為ULTRAFLOW150DI(美國)，該儀表符合美國環(huán)保署(EPA40CFR75)的技術(shù)要求，尚未進(jìn)行國內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測儀器適用性檢測認(rèn)證。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，m/s;VBs;tBs;L波傳輸路徑長度，m;Q，(°);Cm/s;VS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。實驗儀表主要技術(shù)指標(biāo)與功能［12］0～61m/s0.03m/s0.0005ms);長±0.1m/s;5%;漂移不超過±1%讀數(shù);安裝角度(θ)45～77°;15m實驗場地鍋爐情況某熱電廠共4臺鍋爐，鍋爐蒸發(fā)量820t/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。安裝點位設(shè)計17m26m，為3.7T7545°彎頭，下2。圖2超聲波流速儀安裝點位示意圖16m，下游10m處，測點前后分別為2.3倍、1.4倍的煙道直徑;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;7.28m15m0～40m/s40m/s，220.74ms40000結(jié)果與討論參比測試實驗在鍋爐高負(fù)荷和低負(fù)荷運行期間分別進(jìn)行了手工方法的流速參比測試，鍋爐在高低負(fù)荷運行期間的平均流速相差1倍以上，高負(fù)荷時的煙氣流速大于10m/s，低負(fù)荷時的煙氣流速小于或等于10m/s。2次參比測試的間隔時間大于90d。對高負(fù)荷數(shù)據(jù)按速度場系數(shù)調(diào)試進(jìn)行評價，低負(fù)荷數(shù)據(jù)按技術(shù)驗收進(jìn)行評價，實驗依據(jù)為T75標(biāo)準(zhǔn)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。1m/s:“*”*114.5015.206.786.77214.5015.046.606.733組14.6015.286.716.82第4組15.0015.306.856.88第5組14.3015.106.576.69614.0015.156.576.78714.8015.056.946.69814.6015.266.866.81第9組14.1015.056.506.67第10組14.6015.196.866.74平均14.5015.166.726.76*速度場系數(shù)0.9563—速度場系數(shù)精密度/%1.88—相對誤差/%4.550.57實驗記錄鍋爐高負(fù)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0.9563，速度場系數(shù)精密度為1.88%，優(yōu)于T75標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于流速調(diào)試的技術(shù)指標(biāo)(速度場系數(shù)精密度≤5%)。鍋爐低負(fù)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0.9563100.57%，優(yōu)于T75標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于流速驗收的技術(shù)指標(biāo)(相對誤差在±12%以內(nèi))。速度場系數(shù)在高負(fù)荷、低負(fù)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0.9563，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(jìn)行速度場系數(shù)調(diào)試，也能滿足T75標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于流速驗收的技術(shù)指標(biāo)。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(dá)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。在線校準(zhǔn)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(zhǔn)功能。連續(xù)運行結(jié)束后，進(jìn)行手動在線校準(zhǔn)實驗，包括零點校準(zhǔn)、40%量程(16m/s)校準(zhǔn)、60%量程(24m/s)校準(zhǔn)。3點在線校準(zhǔn)從15:30開始，至15:34結(jié)束，用時不到5min5min7.74m/s5min7.66m/s，校準(zhǔn)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(zhǔn)曲線圖3的結(jié)果表明: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。目前只有部分流速儀能夠?qū)崿F(xiàn)在線零點校準(zhǔn)，大多數(shù)流速儀無法實現(xiàn)在線量程校準(zhǔn)。基于此，T75EPA少流速手工參比測試的頻次，提高質(zhì)量控制的科學(xué)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182d，4368h。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(hù)工作為每個月更換反吹風(fēng)機進(jìn)氣過濾器，未進(jìn)行過計劃外的維護(hù)保養(yǎng)，其測試數(shù)據(jù)見圖4。實驗結(jié)果表明:436599.9T75CEMS75%的技術(shù)指標(biāo)。0.9663114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(biāo)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(zhǔn)功能，是長期保證流速測量準(zhǔn)確度的可靠質(zhì)控措施，流速測量不再局限于一種校準(zhǔn)方法(手工參比);與煙氣非接觸測量方式使故障率和維護(hù)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(shè)費用、運行維護(hù)費用和質(zhì)量管理費用，在經(jīng)濟上也具有優(yōu)勢。參考文獻(xiàn):［1］HJ/T75—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.［3］國家環(huán)?？偩?空氣和廢氣監(jiān)測分析方法［M］.4版.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2003.［4］易江，梁永，李虹杰，等.固定污染源排放廢氣連續(xù)自動監(jiān)測［M］.2版.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.［5］環(huán)境保護(hù)部科技標(biāo)準(zhǔn)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(xué)工業(yè)出版社，2008.［6］高小晉，易江，韓保光，等.速度場系數(shù)在煙氣流速測定中的應(yīng)用與研究［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2000，13(6):16-18，48.［7］劉啟貞.固定污染源煙氣流速手工監(jiān)測方法改進(jìn)研究［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2010，26(1):23-25.［8］殷曉紅，陳峰，佟瑤，等.燃煤電廠脫硫煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)煙氣流速測點的選擇［J］.黑龍江電力，2012，34(6):462-466.［9］尹衛(wèi)萍，陳非，李哲英，等.VPT511BF－SY多孔流速儀在煙氣流量在線