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- NIST展示了對新型煙囪排放傳感器設(shè)計的首次真實測試
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2020/11/3
NIST設(shè)計了兩種新的皮托管探頭（左和中），一個的傳感表面為圓錐形，另一個的表面為半球形。探針有五個孔或端口。比較在五個端口中每個端口獲得的壓力讀數(shù)，技術(shù)人員可以計算流速。一種較舊的皮托管，稱為S探針（右），有兩個面向相反方向的端口。圖片來源：NIST
美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員與業(yè)界合作，完成了首次現(xiàn)實世界的測試，以測試一種可能改進的方法來測量燃煤電廠煙囪排放。研究人員本周在葡萄牙里斯本舉行的2019年國際流量測量會議（FLOMEKO）上介紹了他們的工作。
每年，為了滿足環(huán)境保護署（EPA）設(shè)定的要求，燃煤發(fā)電廠必須對其煙囪排放物進行審核，或由獨立的第三方進行檢查。NIST的研究人員希望更快地進行此測試，以在審核過程中為工廠節(jié)省資金，同時還提高了傳感器的準確性。因此，研究人員說，NIST團隊設(shè)計了用于探測排放流速的新探頭和新的測量方法，該方法有可能將現(xiàn)場審核速度提高10倍。
NIST工程師亞倫·約翰遜（Aaron Johnson）說，實地調(diào)查的結(jié)果是“有希望的”，并且與實驗室的發(fā)現(xiàn)合理吻合�！拔覀兏械襟@訝；與EPA記錄在案的“最佳實踐”方法相比，它表現(xiàn)出色�！�
為了監(jiān)控燃煤電廠的排放，技術(shù)人員需要測量煙囪中煙氣的排放速率。煙囪內(nèi)部的氣流包含渦流和漩渦，但通常向上傳播。在NIST測試中，將四個探針（稱為皮托管）水平插入煙囪中。
四個探頭分別在四個不同的點進行流量測量，總共進行16次測量。利用這些信息，NIST的科學家可以測試新型皮托管設(shè)計和測量方法的精度和準確性。
NIST與電力研究所（EPRI）開展了這項研究，作為合作研究與開發(fā)協(xié)議（CRADA）的一部分，該研究所是一個獨立的非營利性組織，其成員包括電力公司，企業(yè)和政府機構(gòu)。
EPRI計劃經(jīng)理湯姆·馬茨（Tom Martz）說：“通過改進標準和技術(shù)來更精確地測量排放量，燃煤發(fā)電機組可能會受益于NIST的當前工作，” 他補充說，潛在的時間節(jié)省“目前尚無法準確量化，但這將是未來工作的關(guān)鍵目標。”
最終目標是提供研究，使EPA有一天可能發(fā)展成為煙囪排放物校準的新標準。
約翰遜說：“工業(yè)上的優(yōu)勢在于，它將減少測試時間和成本，并有可能變得更加精確”。
但是，即使EPA沒有制定新標準，這項工作也可以通過為發(fā)電廠公司提供更多管理排放測試的選擇來為行業(yè)帶來好處。約翰遜說：“我們的目標是使它成為EPA標準�！� “但是，仍然由行業(yè)成員來決定是否要使用它�！�
燃煤電廠的煙囪配備了可連續(xù)測量煙氣排放濃度（包括二氧化碳，汞，二氧化硫和氮氧化物）以及煙氣流量的監(jiān)測器。根據(jù)聯(lián)邦法律，在年度審核期間，需要對內(nèi)置流量傳感器進行校準（即檢查準確性）。
為了進行年度校準，審核員使用稱為皮托管的小型便攜式設(shè)備。審核技術(shù)人員爬上煙囪（通常高幾十米（幾百英尺）），然后將皮托管探頭水平插入煙道中的氣體中。他們在煙囪橫截面的各個點處對流量進行多次讀取，這些橫截面的直徑通常為7或8米（25英尺）。
迄今為止，用于這項工作的最常見的傳感器是“ S探針”。它有兩個孔或端口。一個端口直接面對氣流，并檢測管道中累積的壓力。另一個端口面向相反的方向。流量越快，兩個端口之間的壓力差就越大；測量壓力差可以使審核員計算出流速。
S-probes不需要校準，但是每次測量可能要花費幾分鐘，因為技術(shù)人員必須手動旋轉(zhuǎn)傳感器，直到一側(cè)直接面對流。這很復雜，因為在測試點流不一定直接向上流動。在煙囪的底部，煙氣通常繞著一個急劇的彎道行進，這會產(chǎn)生復雜的渦流和漩渦，即使在高煙囪中也不會消失。
使用S-probes的工作量很大，以至于現(xiàn)場年度校準可能需要一天或更長的時間才能完成。約翰遜說：“而且，在審計師一直在的時候，發(fā)電廠一直在虧損，所以他們希望技術(shù)人員盡快進出�！�
為了加快這一過程，NIST的科學家進行了三項創(chuàng)新。首先，他們創(chuàng)建了兩種新型皮托管，它們的孔數(shù)由原來的兩個改為五個，比S型探針更好，并且可能比目前使用的其他五孔皮托管更具優(yōu)勢。
由NIST物理學家Iosif Shinder設(shè)計的探頭有兩種形狀：半球形和圓錐形。
其次，科學家為他們的新傳感器開發(fā)了一種校準方案，該方案不需要技術(shù)人員旋轉(zhuǎn)煙囪內(nèi)的探頭來為每次測量找到真正的氣流方向。因此，盡管在使用前必須對傳感器進行校準，但是在實際審核期間它們將花費更少的時間。
第三，NIST的Jim Filla開發(fā)的軟件與市售的自動化系統(tǒng)兼容，可以實時測量流量。
NIST的Joey Boyd（左）和Aaron Johnson在發(fā)電廠進行了新傳感器的測試。平臺使他們可以進入煙囪，該平臺位于地面上方約45米處。圖片來源：Tom Martz / EPRI
到目前為止，僅在NIST的測試機構(gòu)（包括比例模型煙囪模擬器和風洞）中測量了新探針的性能。但是NIST的實驗室無法復制真實發(fā)電廠的所有方面，例如煙囪中的煙塵。
約翰遜說：“在我們的風洞中對其進行測試是一回事。” “這是另一個準備在120華氏度的堆棧中對其進行測試的方法�！�
第一次現(xiàn)場運行于2018年7月在天然氣廠進行，該廠的流量相對容易測量。
第二次是在2018年9月，在一個燃煤電廠中進行的，流程特別復雜。
這家燃煤電廠有一個封閉的平臺，皮托管被插入煙囪。但是天然氣工廠的平臺是開放的。NIST技術(shù)員喬伊·博伊德（Joey Boyd）說，在大約45米（145英尺）的空中，“事情動搖了”�！爱斈诠ぷ鲿r，堆棧在搖擺，而您下面的地板在移動。”
當NIST研究人員分析數(shù)據(jù)時，他們的結(jié)果令人鼓舞，同意其實驗室發(fā)現(xiàn)在2％以內(nèi)。
約翰遜說：“這些探針在煙囪中的性能與在NIST的測試設(shè)施中一樣好�！�
未來的現(xiàn)場測試將幫助研究人員解決他們遇到的最大問題：傳感器堵塞，皮托管的端口被水和顆粒物粘住，必須沖洗才能繼續(xù)測試。
同樣，這項工作告訴他們，每次發(fā)生“吹掃-通過皮托管探頭高壓吹入空氣，如果某些閥門沒有關(guān)閉，可能會損壞設(shè)備的關(guān)鍵部件，則需要為設(shè)備編寫特殊的軟件信號”。
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