超聲波流速儀在煙氣流速測(cè)量中的應(yīng)用.docx

1、Vol.30No.6Dec.2014中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)EnvironmentalMonitoringinChina超聲波流速儀在煙氣流速測(cè)量中的應(yīng)用陶冶I',李強(qiáng)，張愛(ài)雨3,王齊鳴3,都紅娟，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河南省環(huán)境監(jiān)控中心，河南鄭州4500042. 北京牡丹聯(lián)友環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆本?01HI摘要：在國(guó)內(nèi)一個(gè)電廠的煙道上安裝了超,波浪速枚.進(jìn)行了參比制試實(shí)檢、在級(jí)校準(zhǔn)實(shí)臉、半年連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。參比測(cè)試結(jié)果顯示，超聲波流速儀對(duì)煙道戴面流速的代表性好，在煙道商管段長(zhǎng)度不夠的械況下速度場(chǎng)系數(shù)精密度為1-88%，修正后與參比方法的相時(shí)誤差為0.57%;

2、在或校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)顯示，超聲波流速儀零點(diǎn)和量程建定姓好，6個(gè)月沒(méi)有明顯漂籽；迷續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)期內(nèi)有效數(shù)據(jù)采集率為99.9%，且與鍋爐負(fù)荷相關(guān)崔禹°實(shí)臉表明，采用蛆聲波沈逸儀可以提高煙筆流速測(cè)量的技術(shù)水平和可*，比，降低質(zhì)量控制的難度和費(fèi)用。關(guān)鍵詞：短聲波流速儀；速度場(chǎng)系數(shù)；固定污染源；煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)中圖分類號(hào)：X859文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1002-6002(2014)06-0179-05UltrasonicFlowMeterintheFlueGasFlowMeasurementApplicationsTAOYe'LIQiang，ZHANGAi-liWANGQiminf,WUHon

3、g-juan1SchoolofMechanicalScienceandEngineerin,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China1. HenanEnvironmentMonitoringCentre,Zhengzhou450004tChinaBeijingPeonyFriendsUnionEnvironmentalProtectionTechnologyCo.Ltd,Beijing101111,ChinaAbstract：Theultrasonicflowmeterwasinstalledontheductofad

4、omesticpowerplant.hrunformorethansixmonths,andcompletedthereferencetestandcalibrationonlinealready.Thedatameasuredbyultrasonicflowmetercancharacterizethecrosssectionflow,eventhetestpointisclosertothedisturbance.Theprecisionofvelocityfieldcoefficientwas1.88%,andtherelativeerrortothereferencetestwas0.

5、57%.Calibrationtestshowedthattherewasnoobviousdriftatzeropointorspanpoint.Thedataavailablilitywas99.9%,andtheultrasonicvelocityhasagoodconnectionwiththeboilerloadduringtheIrrmofrunning.Theultrasonicflowmetercouldimprovethemeasurementtechnologyoffluegasandenhancethereliabilityofequipmentyatthesametim

6、e,itcouldreducethedifFiculityandcostofqualitycontrolaswell.Keywords:ultrasonicflowmeter；velocityfieldcoefficient；stationarypollutionsource；CEM收稿日期：2014-05-04；修訂日期：2014-07-10作者簡(jiǎn)介：陶冶（1966-）,男，河南周口人，碩士，高級(jí)工程師.通訊作者：郭紅娟從“十一五，開(kāi)始，煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）在全國(guó)得到了廣泛應(yīng)用，中國(guó)對(duì)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(cè)系統(tǒng)中的煙氣流量（流速）檢測(cè)是計(jì)算污染物排放

7、總量的必要參數(shù)。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(cè)技術(shù)規(guī)范（試行）（HJ/T752007）（以下簡(jiǎn)稱“T75標(biāo)準(zhǔn)”）規(guī)定，當(dāng)手工參比方法檢測(cè)煙道流速大于10m/s時(shí)，流速CEMS的相對(duì)誤差不超過(guò)±10%；當(dāng)手工參比方法檢測(cè)煙道流速小于或等于10m/s時(shí)，流速CEMS的相對(duì)誤差不超過(guò)士12%。T75標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)規(guī)定，煙氣流速監(jiān)測(cè)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(zhǎng)度應(yīng)大于6倍煙道直徑。但現(xiàn)實(shí)情況是，國(guó)內(nèi)多數(shù)煙氣流速監(jiān)測(cè)點(diǎn)沒(méi)有足夠長(zhǎng)的煙道直管段，很難保證與手工參比方法的相對(duì)誤差滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。皮托管流速計(jì)是目前國(guó)內(nèi)煙氣流速檢測(cè)主要方法，價(jià)格低且安裝簡(jiǎn)單，但

8、存在以下問(wèn)題：一是目前大多數(shù)電廠脫硫后煙道直管段長(zhǎng)度只有】3倍煙道直徑，煙道內(nèi)流場(chǎng)紊亂，皮托管流速計(jì)插入煙道內(nèi)在一個(gè)點(diǎn)上測(cè)雖，很難代表煙道截面的平均流速；二是皮托管的差壓式測(cè)量原理無(wú)法實(shí)現(xiàn)儀表的現(xiàn)場(chǎng)量:程校準(zhǔn)，校準(zhǔn)量程漂移只能靠手工比對(duì)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*】；這些問(wèn)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(cè)數(shù)據(jù)整體數(shù)據(jù)質(zhì)鼠的突出要素。流速CEMS的質(zhì)量控制措施需要反復(fù)“校羚、審核、整改”，還造成了手工監(jiān)測(cè)比對(duì)工作量的劇增刃。高小晉等通過(guò)測(cè)

9、定速度場(chǎng)系數(shù)提高單點(diǎn)檢測(cè)的代表性，在煙道直管段長(zhǎng)度大于3倍煙道直徑時(shí)有較好的效果；劉啟貞研究改進(jìn)煙氣流速手工監(jiān)測(cè)方法，提高手工監(jiān)測(cè)比對(duì)工作效率；殷曉紅等通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化選擇煙氣流速測(cè)點(diǎn)，提高監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性；尹衛(wèi)萍等32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(cè)點(diǎn)數(shù)量的實(shí)驗(yàn)，在提高測(cè)量代表性方面取得進(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(cè)煙道內(nèi)的線平均流速，通過(guò)X型安裝還可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)平面測(cè)址，很好地適應(yīng)復(fù)雜流場(chǎng)分布；超聲波檢測(cè)探頭不探入煙道內(nèi)，不與煙氣接觸，可以很好地適應(yīng)高濕煙伺等惡劣條件；有些超聲波流速儀還突破了扯程在線校準(zhǔn)的難題。據(jù)

10、美國(guó)環(huán)保專業(yè)咨詢與研究機(jī)構(gòu)（RMRConsulting&Research,inc.）統(tǒng)計(jì)，截至2012年，美國(guó)已安裝的流速CEMS中67%為超聲波流速儀叫?？赡苡捎谝淮涡越ㄔO(shè)費(fèi)用較高的原因，目前國(guó)際上廣泛應(yīng)用的超聲波流量測(cè)量方法在國(guó)內(nèi)極少應(yīng)用。在國(guó)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(cè)試實(shí)我、在線校準(zhǔn)實(shí)臆、連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)等。依據(jù)中國(guó)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(cè)技術(shù)規(guī)范（試行）（HJ/T75-2007）,評(píng)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(guó)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(hào)為ULTRAFLOW

11、150DI（美國(guó)），該儀表符合美國(guó)環(huán)保署（EPA40CFR75）的技術(shù)要求，尚未進(jìn)行國(guó)內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器適用性檢測(cè)認(rèn)證。1.1.1實(shí)駛儀表測(cè)M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(lái)自對(duì)方的超聲波脈沖信號(hào)，參見(jiàn)圖I。圖1超聲波流速測(cè)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V.=C+xCOS0（1）V=C-xcos0（2）因此.得到煙氣流速：式中：匕為超聲波順煙氣流傳輸速度,m/S；Va為超聲波逆煙氣流傳輸速度.m/s；上為超聲波順煙氣流傳輸時(shí)間，s；£,為超聲波逆煙氣流傳輸時(shí)間，為超聲波傳輸路徑長(zhǎng)度，m;&

12、#176;為超聲波軸線與煙氣流向夾角，（°）；C為聲速，m/s；*為煙氣流速，m/s。因此，流速測(cè)量與煙氣溫度、壓力、密度無(wú)關(guān),測(cè)鼠順、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,測(cè)址范圍為。61m/s（可設(shè)定）；分辨率為0.03m/s（時(shí)間分辨率為0.00（）5ms）；長(zhǎng)期再現(xiàn)性不超過(guò)±0.1m/s；相對(duì)準(zhǔn)確度小于5%；漂移不超過(guò)±1%讀數(shù)；安裝角度（0）為4577。；最大測(cè)量路徑15m；自動(dòng)零點(diǎn)校準(zhǔn)功能；自動(dòng)量程校準(zhǔn)功能，旦訶以校準(zhǔn)高、低量程。1.2實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地1.2.】鍋爐情況某熱電廠共4臺(tái)鍋爐，鍋爐蒸發(fā)量820t/h,煙

13、氣經(jīng)過(guò)選擇性催化還原法脫硝、靜電除塵、石灰-石膏法脫硫，每2臺(tái)鍋爐共用1個(gè)水平總煙道,4臺(tái)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7m,直管段總長(zhǎng)度26m,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，卜游為垂直煙囪。見(jiàn)圖2。1）由于現(xiàn)場(chǎng)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16m,下游10m處，測(cè)點(diǎn)前后分別為2.3倍、1.4倍的煙道直徑；2）由于現(xiàn)場(chǎng)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7.28m,符合廠家小于15m的要求；4）設(shè)定量程040m/

14、s。當(dāng)煙氣流速達(dá)到極值40m/s時(shí)，2個(gè)探頭間聲波傳輸時(shí)間最快，為20.74ms,是儀表時(shí)間分辨率的40000倍以上，能夠確保精確測(cè)量傳輸時(shí)間，即能夠準(zhǔn)確測(cè)ht煙氣流速。2結(jié)果與討論2.1參比測(cè)試實(shí)驗(yàn)在鍋爐商負(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(cè)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10m/s,低負(fù)荷時(shí)的煙氣流速小于或等于10m/s。2次參比測(cè)試的間隔時(shí)間大于90d。對(duì)高負(fù)荷數(shù)據(jù)按速度場(chǎng)系數(shù)調(diào)試進(jìn)行評(píng)價(jià)，低負(fù)荷數(shù)據(jù)按技術(shù)駛收進(jìn)行評(píng)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(jiàn)表1。表1參比測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)m/s注指經(jīng)速度場(chǎng)系數(shù)修正

15、后數(shù)據(jù)；“一”表示技術(shù)驗(yàn)收時(shí)不評(píng)價(jià)速度場(chǎng)系數(shù)、精密度。項(xiàng)目-高負(fù)荷低負(fù)荷參比流速超聲流速參比流速相聲淹速.第114.5015.206.786.77第2組14.5015.046.606.73第3刎14.6015.286.716.82第4蛆15.0015.306.856.88第5粗14.3015.106.576.69第6組14.0015.156.576.78第7組14.8015.056.946.69第8組14.6015.266.866.81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(chǎng)系數(shù)0.9563速度場(chǎng)系數(shù)

16、峭密度/%1.88相對(duì)誤差/%4.550.57實(shí)驗(yàn)記錄鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行期間的超聲波流10個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，計(jì)算速度場(chǎng)系數(shù)為0.9563,速度速儀原始檢測(cè)數(shù)據(jù)與同時(shí)段參比檢測(cè)數(shù)據(jù).共場(chǎng)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(chǎng)系數(shù)精密度W5%）。鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行期間的超聲波流速儀原始檢測(cè)數(shù)據(jù)與同時(shí)段參比檢測(cè)數(shù)據(jù)，將超聲波原始數(shù)據(jù)按速度場(chǎng)系數(shù)0.9563修正，共10個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，計(jì)算相對(duì)誤差為0.57%，優(yōu)于175標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于流速驗(yàn)收的技術(shù)指標(biāo)（相對(duì)誤差在±12%以內(nèi)）。速度場(chǎng)系數(shù)在高負(fù)荷、低負(fù)荷工況下相差很小，說(shuō)明超聲波線測(cè)量方式對(duì)煙道截面流速的代表性很好。速度場(chǎng)系數(shù)為0.956

17、3,等同相對(duì)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(chǎng)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(cè)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(cè)量流速儀很難確定有代表性的測(cè)點(diǎn)。2.2在線校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)為考核超聲波流速儀的K期漂移情況，在連續(xù)運(yùn)行期間關(guān)閉了零點(diǎn)和址程自動(dòng)校準(zhǔn)功能。連續(xù)運(yùn)行結(jié)束后，進(jìn)行動(dòng)在線校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，包括零點(diǎn)校準(zhǔn)、40%量程（16m/s）校準(zhǔn)、60%般程（24m/s）校準(zhǔn)。3點(diǎn)在線校準(zhǔn)從15：30開(kāi)始，至15：34結(jié)束，用時(shí)不到5rnino校準(zhǔn)前5min平均值為7.74m/s,校準(zhǔn)后5min平均值為

18、7.66m/s,校準(zhǔn)前后工況穩(wěn)定，煙氣流速檢測(cè)值沒(méi)有明顯差異。結(jié)果見(jiàn)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(guò)半年的運(yùn)行沒(méi)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(wú)法實(shí)現(xiàn)在線最程校準(zhǔn)。基于此，T75標(biāo)準(zhǔn)作了定期校驗(yàn)的規(guī)定來(lái)控制漂移，即定期用手II方法參比確定儀表的漂移幅度及校準(zhǔn)依據(jù)c能夠?qū)崿F(xiàn)在線甘程校準(zhǔn)是超聲波流速儀的突出優(yōu)勢(shì)，可以作為快捷可靠的檢測(cè)質(zhì)量控制措施，進(jìn)而可能引進(jìn)美國(guó)EPA的相關(guān)規(guī)定，減少流速手1：參比測(cè)試的頻次，提高質(zhì)量控制的科學(xué)性，減少質(zhì)址控制的工作鈦。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(kāi)始，截

19、至20】3年4月30日，共182<1,4368ho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(guò)濾器,未進(jìn)行過(guò)計(jì)劃外的維護(hù)保養(yǎng)，其測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1）實(shí)驗(yàn)期間共取得4365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(cè)數(shù)據(jù)與鍋爐燃煤量的相關(guān)性很好，相關(guān)系數(shù)為0.9663。及時(shí)反映了11月初供暖開(kāi)始和4月中旬供曖結(jié)束時(shí)燃煤技的突然變化:，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(méi)有明顯腐蝕和磨損的現(xiàn)象，表現(xiàn)出與煙氣非接觸測(cè)量的耐腐蝕性能優(yōu)勢(shì)。日期超聲波流速燃煤量圖4超聲波流速儀檢測(cè)數(shù)據(jù)與鍋爐燃煤3結(jié)論超聲波流速儀在大氣固定污染源流速監(jiān)測(cè)方面具有以下優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)：檢測(cè)煙道內(nèi)的線平均流速使測(cè)量代表性明顯改善，速度場(chǎng)系數(shù)精密度和相對(duì)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)白動(dòng)校準(zhǔn)功能，是長(zhǎng)期保證流速測(cè)量準(zhǔn)確度的可靠質(zhì)控措施，流速測(cè)量不再局限于一種校準(zhǔn)方法(手工參比)；與煙氣非接觸測(cè)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晨監(jiān)測(cè)的問(wèn)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(shì)。參考文獻(xiàn)：