超声波流速仪在烟气流速测量中的应用.docx

1、Vol.30No.6Dec.2014中国环境监测EnvironmentalMonitoringinChina超声波流速仪在烟气流速测量中的应用陶冶I',李强，张爱雨3,王齐鸣3,都红娟，1. 华中科技大学环境科学与工程学院，湖北武汉430074河南省环境监控中心，河南郑州4500042. 北京牡丹联友环保科技股份有限公司，北京101HI摘要：在国内一个电厂的烟道上安装了超,波浪速枚.进行了参比制试实检、在级校准实脸、半年连续运行实验。参比测试结果显示，超声波流速仪对烟道戴面流速的代表性好，在烟道商管段长度不够的械况下速度场系数精密度为1-88%，修正后与参比方法的相时误差为0.57%;

2、在或校准实验显示，超声波流速仪零点和量程建定姓好，6个月没有明显漂籽；迷续运行实验期内有效数据采集率为99.9%，且与锅炉负荷相关崔禹°实脸表明，采用蛆声波沈逸仪可以提高烟笔流速测量的技术水平和可*，比，降低质量控制的难度和费用。关键词：短声波流速仪；速度场系数；固定污染源；烟气排放连续监测中图分类号：X859文献标志码：A文章编号：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；修订日期：2014-07-10作者简介：陶冶（1966-）,男，河南周口人，硕士，高级工程师.通讯作者：郭红娟从“十一五，开始，烟气排放连续监测系统（CEMS）在全国得到了广泛应用，中国对大气固定污染源实行排放浓度和排放总量双目标控制，监测系统中的烟气流量（流速）检测是计算污染物排放

7、总量的必要参数。现行技术标准固定污染源烟气排放连续监测技术规范（试行）（HJ/T752007）（以下简称“T75标准”）规定，当手工参比方法检测烟道流速大于10m/s时，流速CEMS的相对误差不超过±10%；当手工参比方法检测烟道流速小于或等于10m/s时，流速CEMS的相对误差不超过士12%。T75标准同时规定，烟气流速监测点位应设置在上游不小于4倍、下游不小于2倍烟道直径处.即烟道直管段长度应大于6倍烟道直径。但现实情况是，国内多数烟气流速监测点没有足够长的烟道直管段，很难保证与手工参比方法的相对误差满足标准的要求。皮托管流速计是目前国内烟气流速检测主要方法，价格低且安装简单，但

8、存在以下问题：一是目前大多数电厂脱硫后烟道直管段长度只有】3倍烟道直径，烟道内流场紊乱，皮托管流速计插入烟道内在一个点上测虽，很难代表烟道截面的平均流速；二是皮托管的差压式测量原理无法实现仪表的现场量:程校准，校准量程漂移只能靠手工比对校验；三是大多数电厂脱硫后烟气湿度高、腐蚀性强等原因，使烟道内的皮托管易堵塞、腐蚀或磨损，造成运行故障率和维护工作量很大*】；这些问题汇集表现为流速CEMS的考核合格率明显低于其他参数（如气态污染物浓度等），成为影响污染源自动监测数据整体数据质鼠的突出要素。流速CEMS的质量控制措施需要反复“校羚、审核、整改”，还造成了手工监测比对工作量的剧增刃。高小晋等通过测

9、定速度场系数提高单点检测的代表性，在烟道直管段长度大于3倍烟道直径时有较好的效果；刘启贞研究改进烟气流速手工监测方法，提高手工监测比对工作效率；殷晓红等通过实验优化选择烟气流速测点，提高监测稳定性；尹卫萍等32分别使用多孔流速仪和多点网格流速法进行了增加烟道内测点数量的实验，在提高测量代表性方面取得进展。目前迫切需要能够在多方面（包括能够在线校准和耐恶劣工况）同时改善的解决方案。超声波流速仪可以检测烟道内的线平均流速，通过X型安装还可实现准平面测址，很好地适应复杂流场分布；超声波检测探头不探入烟道内，不与烟气接触，可以很好地适应高湿烟伺等恶劣条件；有些超声波流速仪还突破了扯程在线校准的难题。据

10、美国环保专业咨询与研究机构（RMRConsulting&Research,inc.）统计，截至2012年，美国已安装的流速CEMS中67%为超声波流速仪叫。可能由于一次性建设费用较高的原因，目前国际上广泛应用的超声波流量测量方法在国内极少应用。在国内一个电厂的烟道上安装了超声波流速仪，进行了参比测试实我、在线校准实臆、连续运行实验等。依据中国现行技术标准固定污染源烟气排放连续监测技术规范（试行）（HJ/T75-2007）,评价超声波流速仪能否达到其规定的技术性能指标，并为超声波流速仪在国内推广应用作出技术方面的探索。1实验部分1.1实验仪表实验选择的超声波流速仪型号为ULTRAFLOW

11、150DI（美国），该仪表符合美国环保署（EPA40CFR75）的技术要求，尚未进行国内的环境监测仪器适用性检测认证。1.1.1实驶仪表测M原理在烟道两侧各安装一个既可发射也可接收超声波的探头,2个探头同轴线，与烟气流速呈一定角度，各自发射并接受来自对方的超声波脉冲信号，参见图I。图1超声波流速测原理示意图超声波顺、逆烟气流方向的速度计算公式分别为V.=C+xCOS0（1）V=C-xcos0（2）因此.得到烟气流速：式中：匕为超声波顺烟气流传输速度,m/S；Va为超声波逆烟气流传输速度.m/s；上为超声波顺烟气流传输时间，s；£,为超声波逆烟气流传输时间，为超声波传输路径长度，m;&

12、#176;为超声波轴线与烟气流向夹角，（°）；C为声速，m/s；*为烟气流速，m/s。因此，流速测量与烟气温度、压力、密度无关,测鼠顺、逆烟气流的超声波传输时间，即可计算出烟气流速。1.1-2实验仪表主要技术指标与功能,测址范围为。61m/s（可设定）；分辨率为0.03m/s（时间分辨率为0.00（）5ms）；长期再现性不超过±0.1m/s；相对准确度小于5%；漂移不超过±1%读数；安装角度（0）为4577。；最大测量路径15m；自动零点校准功能；自动量程校准功能，旦诃以校准高、低量程。1.2实验场地1.2.】锅炉情况某热电厂共4台锅炉，锅炉蒸发量820t/h,烟

13、气经过选择性催化还原法脱硝、静电除尘、石灰-石膏法脱硫，每2台锅炉共用1个水平总烟道,4台锅炉2个总烟道排入1个烟囱。1.2.2安装点位设计超声波流速仪安装在其中1个总烟道上。烟道直径7m,直管段总长度26m,为烟道直径的3.7倍，不满足T75标准的规定。烟道直管段上游为水平45。弯头，卜游为垂直烟囱。见图2。1）由于现场条件所限，上下游超声波传输的中间点选择在直管段上游16m,下游10m处，测点前后分别为2.3倍、1.4倍的烟道直径；2）由于现场条件所限，探头与烟气流向夹角为74.05。，符合厂家45。77。的要求；3）探头设计距离7.28m,符合厂家小于15m的要求；4）设定量程040m/

14、s。当烟气流速达到极值40m/s时，2个探头间声波传输时间最快，为20.74ms,是仪表时间分辨率的40000倍以上，能够确保精确测量传输时间，即能够准确测ht烟气流速。2结果与讨论2.1参比测试实验在锅炉商负荷和低负荷运行期间分别进行了手工方法的流速参比测试，锅炉在高低负荷运行期间的平均流速相差1倍以上，高负荷时的烟气流速大于10m/s,低负荷时的烟气流速小于或等于10m/s。2次参比测试的间隔时间大于90d。对高负荷数据按速度场系数调试进行评价，低负荷数据按技术驶收进行评价，实验依据为T75标准中安装调试及技术验收的相关规定。实验数据详见表1。表1参比测试实验数据m/s注指经速度场系数修正

15、后数据；“一”表示技术验收时不评价速度场系数、精密度。项目-高负荷低负荷参比流速超声流速参比流速相声淹速.第114.5015.206.786.77第2组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组14.0015.156.576.78第7组14.8015.056.946.69第8组14.6015.266.866.81第9组14.1015.056.506.67第10组14.6015.196.866.74平均14.5015.166.726.76*速度场系数0.9563速度场系数

16、峭密度/%1.88相对误差/%4.550.57实验记录锅炉高负荷运行期间的超声波流10个数据对，计算速度场系数为0.9563,速度速仪原始检测数据与同时段参比检测数据.共场系数精密度为1.88%,优于T75标准关于流速调试的技术指标（速度场系数精密度W5%）。锅炉低负荷运行期间的超声波流速仪原始检测数据与同时段参比检测数据，将超声波原始数据按速度场系数0.9563修正，共10个数据对，计算相对误差为0.57%，优于175标准关于流速验收的技术指标（相对误差在±12%以内）。速度场系数在高负荷、低负荷工况下相差很小，说明超声波线测量方式对烟道截面流速的代表性很好。速度场系数为0.956

17、3,等同相对误差为4.55%，表明在该实验条件下，超声波流速仪不进行速度场系数调试，也能满足T75标准关于流速验收的技术指标。手工测试中发现，烟道断面流速存在较大差异，北侧流速高，南侧流速低，最高流速达到最低流速的2倍多，如果使用点测量流速仪很难确定有代表性的测点。2.2在线校准实验为考核超声波流速仪的K期漂移情况，在连续运行期间关闭了零点和址程自动校准功能。连续运行结束后，进行动在线校准实验，包括零点校准、40%量程（16m/s）校准、60%般程（24m/s）校准。3点在线校准从15：30开始，至15：34结束，用时不到5rnino校准前5min平均值为7.74m/s,校准后5min平均值为

18、7.66m/s,校准前后工况稳定，烟气流速检测值没有明显差异。结果见图3。图3在线校准曲线图3的结果表明：1）超声波流速仪的稳定性很好，经过半年的运行没有明显漂移:，2）目前只有部分流速仪能够实现在线零点校准，大多数流速仪无法实现在线最程校准。基于此，T75标准作了定期校验的规定来控制漂移，即定期用手II方法参比确定仪表的漂移幅度及校准依据c能够实现在线甘程校准是超声波流速仪的突出优势，可以作为快捷可靠的检测质量控制措施，进而可能引进美国EPA的相关规定，减少流速手1：参比测试的频次，提高质量控制的科学性，减少质址控制的工作钛。2.3连续运行实验实验从2012年11月1日安装调试完成后开始，截

19、至20】3年4月30日，共182<1,4368ho实验期间锅炉持续运行，超声波流速仪未发生任何故障，维护工作为每个月更换反吹风机进气过滤器,未进行过计划外的维护保养，其测试数据见图4。实验结果表明：1）实验期间共取得4365个有效小时数据,有效数据采集率为99.9%，优于T75标准关于CEMS有效数据采集率75%的技术指标。2）检测数据与锅炉燃煤量的相关性很好，相关系数为0.9663。及时反映了11月初供暖开始和4月中旬供暧结束时燃煤技的突然变化:，3）实验结束半年后，将超声波探头从烟道内取出观察，其表面干净，没有明显腐蚀和磨损的现象，表现出与烟气非接触测量的耐腐蚀性能优势。日期超声波流速燃煤量图4超声波流速仪检测数据与锅炉燃煤3结论超声波流速仪在大气固定污染源流速监测方面具有以下优势和特点：检测烟道内的线平均流速使测量代表性明显改善，速度场系数精密度和相对误差等关键指标明显优于技术规格；具有独特的在线零点/量程系统白动校准功能，是长期保证流速测量准确度的可靠质控措施，流速测量不再局限于一种校准方法(手工参比)；与烟气非接触测量:方式使故障率和维护费用大幅降低。推广使用超声波流速仪能够在多方面同时改善目前污染源烟气流晨监测的问题，还可以降低质量控制的难度,综合考虑建设费用、运行维护费用和质量管理费用，在经济上也具有优势。参考文献：