陶 冶，李 強(qiáng)，張愛麗，王齊鳴，鄔紅娟

1.華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)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(yīng)用，中國對大氣固定污染源實(shí)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(jì)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/T 75—2007)(以下簡稱“T75標(biāo)準(zhǔn)”)規(guī)定，當(dāng)手工參比方法檢測煙道流速大于10 m/s時(shí)，流速CEMS的相對誤差不超過±10%;當(dāng)手工參比方法檢測煙道流速小于或等于10 m/s時(shí)，流速CEMS的相對誤差不超過 ±12%。T75標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)規(guī)定，煙氣流速監(jiān)測點(diǎn)位應(yīng)設(shè)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(yīng)大于6倍煙道直徑［1］。但現(xiàn)實(shí)情況是，國內(nèi)多數(shù)煙氣流速監(jiān)測點(diǎn)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(jì)是目前國內(nèi)煙氣流速檢測主要方法，價(jià)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(jì)插入煙道內(nèi)在一個(gè)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)儀表的現(xiàn)場量程校準(zhǔn)［2］，校準(zhǔn)量程漂移只能靠手工比對校驗(yàn);三是大多數(shù)電廠脫硫后煙氣濕度高、腐蝕性強(qiáng)等原因，使煙道內(nèi)的皮托管易堵塞、腐蝕或磨損，造成運(yùn)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 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(dòng)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(fù)“校驗(yàn)、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(diǎn)檢測的代表性，在煙道直管段長度大于3倍煙道直徑時(shí)有較好的效果;劉啟貞［7］研究改進(jìn)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(shí)驗(yàn)優(yōu)化選擇煙氣流速測點(diǎn)，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(diǎn)網(wǎng)格流速法進(jìn)行了增加煙道內(nèi)測點(diǎn)數(shù)量的實(shí)驗(yàn)，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(shí)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(shí)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(jī)構(gòu)(RMB Consulting＆ Research，Inc.)統(tǒng)計(jì)，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(fèi)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(gè)電廠的煙道上安裝了超聲波流速儀，進(jìn)行了參比測試實(shí)驗(yàn)、在線校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)、連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)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/T 75—2007)，評價(jià)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。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀表

實(shí)驗(yàn)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(jìn)行國內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測儀器適用性檢測認(rèn)證。

1.1.1 實(shí)驗(yàn)儀表測量原理

在煙道兩側(cè)各安裝一個(gè)既可發(fā)射也可接收超聲波的探頭，2個(gè)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(jì)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(shí)間，s;tB為超聲波逆煙氣流傳輸時(shí)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(shí)間，即可計(jì)算出煙氣流速。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀表主要技術(shù)指標(biāo)與功能［12］

測量范圍為0～61 m/s(可設(shè)定);分辨率為0.03 m/s(時(shí)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(zhǔn)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(dòng)零點(diǎn)校準(zhǔn)功能;自動(dòng)量程校準(zhǔn)功能，且可以校準(zhǔn)高、低量程。

1.2 實(shí)驗(yàn)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(gè)水平總煙道，4臺鍋爐2個(gè)總煙道排入1個(gè)煙囪。

1.2.2 安裝點(diǎn)位設(shè)計(jì)

超聲波流速儀安裝在其中1個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)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(diǎn)選擇在直管段上游16 m，下游10 m處，測點(diǎn)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(shè)計(jì)距離7.28 m，符合廠家小于15 m的要求;

4)設(shè)定量程0～40 m/s。當(dāng)煙氣流速達(dá)到極值40 m/s時(shí)，2個(gè)探頭間聲波傳輸時(shí)間最快，為20.74 ms，是儀表時(shí)間分辨率的40 000倍以上，能夠確保精確測量傳輸時(shí)間，即能夠準(zhǔn)確測量煙氣流速。

2 結(jié)果與討論

2.1 參比測試實(shí)驗(yàn)

在鍋爐高負(fù)荷和低負(fù)荷運(yùn)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(yùn)行期間的平均流速相差1倍以上，高負(fù)荷時(shí)的煙氣流速大于10 m/s，低負(fù)荷時(shí)的煙氣流速小于或等于10 m/s。2次參比測試的間隔時(shí)間大于90 d。對高負(fù)荷數(shù)據(jù)按速度場系數(shù)調(diào)試進(jìn)行評價(jià)，低負(fù)荷數(shù)據(jù)按技術(shù)驗(yàn)收進(jìn)行評價(jià)，實(shí)驗(yàn)依據(jù)為T75標(biāo)準(zhǔn)中安裝調(diào)試及技術(shù)驗(yàn)收的相關(guān)規(guī)定。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 參比測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) m/s

實(shí)驗(yàn)記錄鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行期間的超聲波流速儀原始檢測數(shù)據(jù)與同時(shí)段參比檢測數(shù)據(jù)，共10個(gè)數(shù)據(jù)對，計(jì)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(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(yùn)行期間的超聲波流速儀原始檢測數(shù)據(jù)與同時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)對，計(jì)算相對誤差為0.57%，優(yōu)于 T75標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于流速驗(yàn)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0.956 3，等同相對誤差為4.55%，表明在該實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(diǎn)測量流速儀很難確定有代表性的測點(diǎn)。

2.2 在線校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

為考核超聲波流速儀的長期漂移情況，在連續(xù)運(yùn)行期間關(guān)閉了零點(diǎn)和量程自動(dòng)校準(zhǔn)功能。連續(xù)運(yùn)行結(jié)束后，進(jìn)行手動(dòng)在線校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，包括零點(diǎn)校準(zhǔn)、40%量程(16 m/s)校準(zhǔn)、60%量程(24 m/s)校準(zhǔn)。3點(diǎn)在線校準(zhǔn)從15:30開始，至15:34結(jié)束，用時(shí)不到5 min。校準(zhǔn)前5 min平均值為 7.74 m/s，校準(zhǔn)后 5 min 平均值為 7.66 m/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:

1)超聲波流速儀的穩(wěn)定性很好，經(jīng)過半年的運(yùn)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(diǎn)校準(zhǔn)，大多數(shù)流速儀無法實(shí)現(xiàn)在線量程校準(zhǔn)?；诖?，T75標(biāo)準(zhǔn)作了定期校驗(yàn)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(zhǔn)依據(jù)。能夠?qū)崿F(xiàn)在線量程校準(zhǔn)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(jìn)而可能引進(jìn)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(xué)性，減少質(zhì)量控制的工作量。

2.3 連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)期間鍋爐持續(xù)運(yùn)行，超聲波流速儀未發(fā)生任何故障，維護(hù)工作為每個(gè)月更換反吹風(fēng)機(jī)進(jìn)氣過濾器，未進(jìn)行過計(jì)劃外的維護(hù)保養(yǎng)，其測試數(shù)據(jù)見圖4。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:

1)實(shí)驗(yàn)期間共取得4 365個(gè)有效小時(shí)數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)采集率為99.9%，優(yōu)于 T75標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于CEMS有效數(shù)據(jù)采集率75%的技術(shù)指標(biāo)。

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(shí)反映了11月初供暖開始和4月中旬供暖結(jié)束時(shí)燃煤量的突然變化。

3)實(shí)驗(yàn)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(diǎn):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(dú)特的在線零點(diǎn)/量程系統(tǒng)自動(dòng)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(fèi)用大幅降低。推廣使用超聲波流速儀能夠在多方面同時(shí)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(fèi)用、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和質(zhì)量管理費(fèi)用，在經(jīng)濟(jì)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］.

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