超声波流速仪在烟气流速测量中的应用

陶 冶，李 强，张爱丽，王齐鸣，邬红娟

1.华中科技大学环境科学与工程学院，湖北武汉430074

2.河南省环境监控中心，河南郑州450004

3.北京牡丹联友环保科技股份有限公司，北京101111

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/T 75—2007)(以下简称“T75标准”)规定，当手工参比方法检测烟道流速大于10 m/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10 m/s时，流速CEMS的相对误差不超过 ±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［1］。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1～3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量，很难代表烟道截面的平均流速［2］;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［2］，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［2-5］;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量的突出要素。流速CEMS的质量控制措施需要反复“校验、审核、整改”，还造成了手工监测比对工作量的剧增［5］。高小晋等［6］通过测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［7］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［8］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［9-10］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了进展。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量，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气等恶劣条件;有些超声波流速仪还突破了量程在线校准的难题。据美国环保专业咨询与研究机构(RMB Consulting＆ 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［11］。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，进行了参比测试实验、在线校准实验、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/T 75—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 150DI(美国)，该仪表符合美国环保署(EPA 40CFR75)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 实验仪表测量原理

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1。

图1 超声波流速测量原理示意图

超声波顺、逆烟气流方向的速度计算公式分别为

因此，得到烟气流速:

式中:VA为超声波顺烟气流传输速度，m/s;VB为超声波逆烟气流传输速度，m/s;tA为超声波顺烟气流传输时间，s;tB为超声波逆烟气流传输时间，s;L为超声波传输路径长度，m;Q为超声波轴线与烟气流向夹角，(°);C为声速，m/s;VS为烟气流速，m/s。

因此，流速测量与烟气温度、压力、密度无关，测量顺、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［12］

测量范围为0～61 m/s(可设定);分辨率为0.03 m/s(时间分辨率为0.000 5 ms);长期再现性不超过 ±0.1 m/s;相对准确度小于5%;漂移不超过±1%读数;安装角度(θ)为 45～77°;最大测量路径15 m;自动零点校准功能;自动量程校准功能，且可以校准高、低量程。

1.2 实验场地

1.2.1 锅炉情况

某热电厂共4台锅炉，锅炉蒸发量820 t/h，烟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7 m，直管段总长度26 m，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，下游为垂直烟囱。见图2。

图2 超声波流速仪安装点位示意图

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16 m，下游10 m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7.28 m，符合厂家小于15 m的要求;

4)设定量程0～40 m/s。当烟气流速达到极值40 m/s时，2个探头间声波传输时间最快，为20.74 ms，是仪表时间分辨率的40 000倍以上，能够确保精确测量传输时间，即能够准确测量烟气流速。

2 结果与讨论

2.1 参比测试实验

在锅炉高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10 m/s，低负荷时的烟气流速小于或等于10 m/s。2次参比测试的间隔时间大于90 d。对高负荷数据按速度场系数调试进行评价，低负荷数据按技术验收进行评价，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

实验记录锅炉高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，共10个数据对，计算速度场系数为0.956 3，速度场系数精密度为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≤5%)。

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0.956 3修正，共10个数据对，计算相对误差为0.57%，优于 T75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 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长期漂移情况，在连续运行期间关闭了零点和量程自动校准功能。连续运行结束后，进行手动在线校准实验，包括零点校准、40%量程(16 m/s)校准、60%量程(24 m/s)校准。3点在线校准从15:30开始，至15:34结束，用时不到5 min。校准前5 min平均值为 7.74 m/s，校准后 5 min 平均值为 7.66 m/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量程校准。基于此，T75标准作了定期校验的规定来控制漂移，即定期用手工方法参比确定仪表的漂移幅度及校准依据。能够实现在线量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，减少流速手工参比测试的频次，提高质量控制的科学性，减少质量控制的工作量。

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，截至2013年4月30日，共182 d，4 368 h。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4 365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0.966 3。及时反映了11月初供暖开始和4月中旬供暖结束时燃煤量的突然变化。

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。

图4 超声波流速仪检测数据与锅炉燃煤量

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/量程系统自动校准功能，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量监测的问题，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。

［1］HJ/T 75—2007 固定污染源烟气排放连续监测技术规范(试行)［S］.

［2］杨凯，周刚，王强，等.烟尘烟气连续自动监测系统技术现状和发展趋势［J］.中国环境监测，2010，26(5):18-26.

［3］国家环保总局.空气和废气监测分析方法［M］.4版.北京:中国环境科学出版社，2003.

［4］易江，梁永，李虹杰，等.固定污染源排放废气连续自动监测［M］.2版.北京:中国标准出版社，2010.

［5］环境保护部科技标准司.烟尘烟气连续自动监测系统运行管理［M］.北京:化学工业出版社，2008.

［6］高小晋，易江，韩保光，等.速度场系数在烟气流速测定中的应用与研究［J］.环境科学研究，2000，13(6):16-18，48.

［7］刘启贞.固定污染源烟气流速手工监测方法改进研究［J］.中国环境监测，2010，26(1):23-25.

［8］殷晓红，陈峰，佟瑶，等.燃煤电厂脱硫烟气在线监测系统烟气流速测点的选择［J］.黑龙江电力，2012，34(6):462-466.

［9］尹卫萍，陈非，李哲英，等.VPT511BF－SY多孔流速仪在烟气流量在线监测中的应用［J］.环境监控与预警，2013，5(2):28-31.

［10］刘宁锴.多点网格流速在线测量方法研究［J］.环境监控与预警，2013，5(6):32-34.

［11］Stephen K N，Michael R O.What’s everyone using part 75 CEMS equipment trends［R］.North Carolina:RMB Consulting ＆ Research，Inc.，2012:13-15.