煙道流量計量標準裝置

鄧千封, 張 亮, 方立德, 王 池,3, 劉 洋

(1. 河北大學 質(zhì)量技術監(jiān)督學院, 河北 保定 071002; 2. 中國計量科學研究院, 北京 100029;3. 鄭州計量 先進技術研究院, 河南 鄭州 450001;4. 河南省環(huán)境監(jiān)測技術重點實驗室, 河南 鄭州 450004; 5. 河南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心, 河南 鄭州 450004)

1 引 言

為了加強大氣污染物治理,減少污染物排放,國家于2018年起正式施行《環(huán)境保護稅》,企業(yè)應按照其污染物排放量進行繳稅,大型排污企業(yè)每年需繳納數(shù)百萬元的稅款。固定源大氣污染物排放絕大部分通過煙道排入大氣[1,2],因此煙道大氣污染物排放量的準確測量關系到企業(yè)繳稅的公平性。煙道大氣污染物排放量監(jiān)測需要測量煙氣中污染物濃度和煙道流量,濃度測量儀器可以使用標準氣體進行在線校準,校準后儀器測量不確定度約為1%～5%。煙道流量測量由于煙道口徑大、流動復雜、湍流度高等因素,并且缺乏流量溯源體系,測量不確定度通常為3%～50%,極端情況能夠超過50%[3]。美國環(huán)保局采用的EPA方法1、方法2和我國環(huán)保標準HJ75-2017中規(guī)定了煙道流量計的在線比對方法,由于此方法并未真正建立煙道流量的量值溯源體系,因此美國環(huán)保局將此方法稱為相對準確度測量,煙道測試公司均采用相同的測量過程實現(xiàn)相對準確度比對[4]。

為了提高煙道流量的測量準確度,建立煙道流量量值溯源體系,2015年美國國家標準與技術研究院(NIST)搭建了煙道流量實驗室計量標準裝置,裝置使用常壓空氣作為介質(zhì)模擬煙道流動條件,用于研究現(xiàn)場煙道流量的校準方法和高準確度測量方法。該裝置以DN900口徑的8聲道超聲流量計為標準器,借助CECCI校準實驗室的超大口徑氣體流量標準裝置對其進行校準,校準時使用可溯源至NIST流量基準裝置的音速噴嘴標準表并聯(lián)作為參考流量標準。裝置最大流量達到105 800 m3/h,擴展不確定度為0.58%(k=2)[4]。

中國計量科學研究院(NIM)通過兩級量傳的方式建立了煙氣流量的量值傳遞體系。首先搭建了煙道流量計量標準裝置,實現(xiàn)了100 000 m3/h的流量校準能力,然后研制了現(xiàn)場煙道流量計量裝置,現(xiàn)場裝置通過在標準裝置上進行校準和測量驗證后,在現(xiàn)場對煙道流量計進行校準,實現(xiàn)10 000 000 m3/h的校準能力。煙道流量計量標準裝置也是一套常壓大口徑氣體流量標準裝置,能夠?qū)崿F(xiàn)對常壓大口徑流量計的校準。裝置流量范圍為908～104 840 m3/h,裝置測量擴展不確定度為0.62%(k=2)。

2 裝置構(gòu)成

煙道流量計量標準裝置是現(xiàn)場煙道的縮尺模型,經(jīng)評估,裝置測試段口徑需要達到1 m才能模擬現(xiàn)場煙道內(nèi)流速脈動的條件,并且避免阻塞效應的影響,根據(jù)煙道常規(guī)流速范圍為5～30 m/s,裝置最大流量需達到100 000 m3/h。

裝置可以分為參考段、測試段和變頻風機,由于實驗室場地條件的限制,裝置設計為U型開環(huán)結(jié)構(gòu)。裝置流量范圍為908～104 840 m3/h。

裝置參考段使用DN800圓形管道,包括激光多普勒測速儀(laser Doppler velocimeter, LDV)原級標準和8聲道超聲流量計工作級標準2部分,為被測流量計提供標準流量值。擴張段用于連接參考段和測試段,為了避免轉(zhuǎn)彎造成的不對稱流場,采用了擴張口徑并收縮整流的方式保證流場品質(zhì)[5,6]。測試段尺寸分為DN1000、DN700的圓形管道和0.7 m×1 m的矩形管道,可以安裝不同測量原理的流量計進行測試。在測試段連接處不同位置可添加渦旋和湍流發(fā)生器來模擬不同煙道流場條件,用于評估流量計在復雜流場中的測量性能。由于皮托管是我國最主要的煙氣流量計形式,因此在測試段設計并搭建了皮托管自動定位系統(tǒng),用于研究皮托管速度面積測量方法。裝置使用變頻風機改變裝置內(nèi)的流量,通過安裝在裝置參考段的L型皮托管或者8聲道標準超聲流量計進行反饋,進行PID控制。裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。標準裝置的性能指標見表1。

圖1 煙道流量計量標準裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of stack flowrate standard facility

表1 煙道流量計量標準裝置性能指標
Tab.1 The performance indexes of stack flowrate standard facility

項 目性能指標氣體介質(zhì)空氣流量范圍908～104840m3/h被檢表尺寸≤1000mm流量穩(wěn)定性0.5%裝置擴展不確定度0.62% (k=2)

2.1 裝置參考段

2.1.1 原級流量標準

NIM研制的pVTt法國家氣體流量基準裝置最大流量為1 300 m3/h,環(huán)道式渦輪流量計標準表氣體流量標準裝置最大流量為1 600 m3/h[7～8]。其它一些地區(qū)計量機構(gòu)或企業(yè)氣體流量標準裝置最大流量約為20 000～45 000 m3/h。

如果采用傳統(tǒng)標準表逐級量傳的方式達到 100 000 m3/h 的最大流量,裝置能耗將超過 1 000 kW, 造價高且噪音大。因此裝置采用了LDV流速剖面測量和超聲流量計測量流量波動修正相結(jié)合的方法,實現(xiàn)了在較低功耗下測量100 000 m3/h的標準流量。由于LDV可溯源至標準轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速,從而實現(xiàn)了標準流量的量值溯源。LDV原級流量標準部分如圖2所示。

圖2 LDV原級流量標準Fig.2 Primary flow standard of LDV

LDV測量的是示蹤粒子的速度。當示蹤粒子通過LDV的測量體時會引起激光多普勒頻移,此變化量與示蹤粒子速度成正比,通過測量多普勒頻移確定粒子速度[9～11]。裝置使用粒子發(fā)生器產(chǎn)生微小的示蹤粒子,由于顆粒粒徑很小,因此可以認為粒子速度基本上等同于風洞內(nèi)氣體流速。經(jīng)測試,直接由粒子發(fā)生器在收縮噴口入口上游產(chǎn)生粒子無法擴散到LDV標準段管道全部范圍,因此裝置采用環(huán)形管給入粒子,環(huán)形管的直徑和噴口直徑相當,環(huán)內(nèi)側(cè)開鑿了多個等距小孔,產(chǎn)生的粒子經(jīng)由小孔流出后會均勻分布于噴口前方,進入風洞后可均勻擴散到LDV標準段管道的全部范圍(環(huán)形粒子給入系統(tǒng)如圖3所示)。使用該系統(tǒng)后將LDV在管道邊壁測量到的粒子數(shù)量由原來的1 min小于20個提升到1 min超過400個,有效提升了LDV在管道邊壁測量的效率和數(shù)據(jù)可靠性。

圖3 環(huán)形粒子給入系統(tǒng)Fig.3 Annular particle delivery system

在使用LDV進行標準流量測量時,將圓形管段截面分成若干個等距圓環(huán),如圖4所示。

圖4 LDV速度面積測量法示意圖Fig.4 The diagram of LDV measurement used velocity area method

測量圓環(huán)與一條直徑交點處的流速,以圓環(huán)內(nèi)外邊界與直徑交點處的流速平均值作為此圓環(huán)的平均流速。對于中心的圓形,以圓形與直徑交點處速度和圓心處速度的平均值作為圓形的平均速度。通過速度面積積分計算出整個截面的流量：

(1)

式中：Ai為第i個等距圓環(huán)面積;Vi為第i個等距圓環(huán)平均流速。

在LDV逐點掃描過程中,裝置流量具有一定的波動性,需要對其進行修正。使用8聲道超聲流量計測量LDV單點測量時的平均流量和全部掃描過程的平均流量值,通過兩者相除得到單點流量波動修正系數(shù),用于修正在LDV逐點掃描過程中因流量波動引起的測量結(jié)果誤差。修正后的流量作為裝置的標準流量。

為了確定LDV掃描位置,需要對LDV標準段管道進行準確測量。使用經(jīng)過檢定的三坐標測量臂測量得到管道半徑為397.234 mm,可計算出管道截面面積為0.496 m2。

2.1.2 8聲道超聲流量計工作級標準

超聲流量計具有非接觸測量,響應速度快、準確度高等優(yōu)點,近年來在氣體流量測量領域得到廣泛的應用。 相比單聲道超聲流量計,多聲道超聲流量計能夠獲得更多管道內(nèi)流場信息,流量測量更加準確[12～14]。煙道流量計量標準裝置采用一臺DN800的8聲道超聲流量計作為工作級標準,如圖5所示。

圖5 8聲道超聲流量計工作級標準Fig.5 The working standard of 8-path ultrasonic flowmeter

由于LDV采用逐點掃描方式進行測量,測量耗時長,而使用超聲流量計進行測量可得到實時流量值,方便快捷。因次使用超聲流量計作為工作級標準表,每隔2～3 m使用LDV對8聲道超聲流量計進行校準。

在校準時,還需考慮LDV和超聲流量計測量管道內(nèi)溫度和壓力的差異,利用氣體狀態(tài)方程對其進行溫度壓力修正,修正公式為：

(2)

式中：k為超聲流量計儀表校準系數(shù);Qp、Qw分別為原級、工作級標準流量，m3·h-1;tp、tw分別為原級、工作級標準管道內(nèi)溫度,℃;Pp、Pw分別為原級、工作級標準管道內(nèi)壓力，Pa。

2.2 裝置測試段

測試段主要用于校準被測流量計,測試段管道分為DN1000、DN700的圓形管道和0.7 m×1 m的矩形管道,未來還將擴展到更多口徑。不同口徑的圓形管道可以用于研究口徑對同種形式流量計測量結(jié)果的影響。

由于皮托管是煙道流量計的主要形式,所以研制了圓形管道和矩形管道的皮托管自動定位測量系統(tǒng),用以對其速度面積測量方法進行深入研究。使用皮托管測量煙道流量時,需要選擇測試點位置、數(shù)目和流量積分方法,皮托管自動定位測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同皮托管流量計的自動、快速、準確測試,從而評價和優(yōu)化皮托管流量計的速度面積法測量準確性。

此外還加工了具有不同聲道布置形式的圓形管道和矩形管道多聲道超聲流量計表體,測試不同聲道布置方式、積分方法和聲道數(shù)量對測量結(jié)果的影響。同時還能夠改變超聲探頭的插入深度和安裝角度,以探索適用于不同流場條件的煙道超聲流量計測量方法。

為了模擬不同的煙道內(nèi)流場條件,在測試段可以安裝不同的擾流器,從而在測試段管道中形成單渦旋、雙渦旋等流場,模擬真實現(xiàn)場條件。擾流器能夠安裝在測試段不同位置,通過改變擾流器和被測流量計間的距離來改變擾流強度。

2.3 變頻風機

裝置使用了2臺軸流風機產(chǎn)生流動,使用一臺變頻器調(diào)節(jié)風機的轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)流速的改變。相比離心風機,軸流風機產(chǎn)生的流場更為均勻,流場品質(zhì)好。單個風機最大流量為54 000 m3/h,雙風機串聯(lián)后最大流量達到了104 840 m3/h。裝置采用Labview編寫的控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)流量,可以選擇使用安裝在噴口下游的L型皮托管流速測量值或超聲流量計流量測量值作為反饋,使用PID控制對風機轉(zhuǎn)動頻率進行調(diào)節(jié),從而實現(xiàn)裝置流量的穩(wěn)定性,經(jīng)過調(diào)節(jié)后裝置的流量穩(wěn)定性為0.5%。

3 裝置流量不確定度評定

3.1 LDV原級流量不確定度

LDV測量段圓形管道橫截面積A為：

A=π×r2

(3)

式中r為管道半徑。

所以LDV測量原級流量值Q可以表示為

Q=π×r2×v

(4)

式中v為流速。由式(4)可以得到裝置原級流量標準不確定度uQ：

(5)

式中：uv為流速不確定度;ur為管道半徑不確定度。

計算流量不確定度時,首先需要計算流速和管道半徑的測量不確定度。

3.1.1 平均流速不確定度

管道內(nèi)平均流速測量不確定度由LDV多點流速測量不確定度進行加權平均計算得到。

1) LDV流速測量不確定度

LDV流速測量不確定度由LDV干涉條紋間距不確定度udf和流速測量重復性不確定度uLDV1組成

(6)

LDV干涉條紋間距不確定度由轉(zhuǎn)盤進行標定,在轉(zhuǎn)盤邊緣貼上細鎢絲,鎢絲方向與轉(zhuǎn)盤軸線方向平行,當鎢絲穿過LDV測量體時,使用轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)讀除以LDV測得的多普勒頻率,得出LDV的條紋間距。

轉(zhuǎn)盤邊緣轉(zhuǎn)動速度Vdisc為：

Vdisc=rd×ω

(7)

式中:rd為轉(zhuǎn)盤半徑;ω為標準轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速。

如果LDV入射激光角平分線垂直于鎢絲的切線速度方向,則LDV測得的速度VLDV為:

VLDV=df×fD

(8)

式中:df為激光干涉條紋間距;fD為LDV的輸出頻率。

但是,在實際測量過程中,LDV激光焦點所測得的速度方向與鎢絲的切線速度方向存在一個微小角度β,所以VLDV=Vdisc×cosβ。另外,還有一些其他影響因子會影響到系統(tǒng)的不確定度,比如激光波長的穩(wěn)定性,轉(zhuǎn)盤在高速運轉(zhuǎn)時其擺動的穩(wěn)定性等,在進行裝置的不確定度評估時需要將這些額外的影響因素納入考量,所以引入修正因子ε進行評估,修正后得到的公式為:

(9)

式中:β為激光測得速度與鎢絲切線速度方向夾角;ε為修正因子。

由式(9)可以得到LDV干涉條紋間距的相對標準不確定度udf為:

(10)

經(jīng)測試,LDV干涉條紋間距的不確定度為0.422%(k=2)。

流速測量重復性不確定度即在每個測量點處測得速度平均值的標準偏差。在不同測量點的平均流速相對標準偏差數(shù)值不同,最大值為0.03%。

由式(6),得到合成后的LDV流速測量擴展不確定度為0.426%(k=2)。

2) 截面流速分布不確定度

采用LDV逐點掃描測量裝置標準段管道內(nèi)的流量時,將管道截面面積由外到內(nèi)分成了80個等距圓環(huán),計算各個圓環(huán)在整個管道圓形截面的面積占比,根據(jù)每個圓環(huán)內(nèi)測量流速值的不確定度,加權計算管道內(nèi)平均流速不確定度uVA為：

(11)

式中:uvi為單個測量點速度的不確定度;Ai為測試點等距圓環(huán)部分面積;A為原級管道截面面積。

由式(11),得到截面平均流速不確定度為0.58%(k=2)。

3.1.2 管段半徑不確定度

LDV測量管段半徑測量不確定度由半徑測量結(jié)果的標準偏差ur1和三坐標測量臂自身不確定度ur2合成后得到,即:

(12)

經(jīng)測試,管段半徑相對擴展不確定度為0.02%(k=2)。

3.1.3 流量波動修正系數(shù)不確定度

使用超聲流量計測量裝置波動性并對其進行修正,因此波動修正系數(shù)的不確定度即為超聲流量計的重復性,其擴展不確定度為0.102%(k=2)。

3.1.4 LDV原級標準裝置不確定度

由式(5),得到LDV原級標準裝置的不確定度如表2所示,最終其相對擴展不確定度為0.59%(k=2)。

表2 LDV原級標準裝置不確定度匯總表Tab.2 The uncertainty components summary table of LDV primary standard (%)

3.2 8聲道超聲流量計標準表裝置不確定度

裝置使用8聲道超聲流量計作為工作級標準,其流量測量不確定度由LDV原級標準裝置不確定度,超聲流量計測量結(jié)果重復性,以及溫壓修正原級標準與工作級標準管道內(nèi)溫度和壓力不確定度合成得到。其中,溫度和壓力的不確定度由儀器校準證書標明的不確定度和測量結(jié)果的標準偏差組合而成。經(jīng)測試,超聲流量計標準表裝置的不確定度為0.62%(k=2)。表3為其不確定度分量匯總。

表3 超聲流量計工作級標準裝置不確定度匯總表Tab.3 The uncertainty components summary table of ultrasonic flowmeter working standard (%)

4 結(jié)束語

為滿足我國對大口徑煙氣流量計的量值溯源需求,NIM建立了煙道流量計量標準裝置。裝置采用LDV流速剖面掃描和超聲流量計流速波動修正的方式獲得裝置標準流量,此流量可以溯源到標準轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速。使用8聲道超聲流量計作為工作級標準器。裝置測試段包括不同口徑的圓形和矩形管道,能夠用于校準不同形式的流量計。為了模擬現(xiàn)場真實流場條件,可以在測試段安裝不同的渦旋發(fā)生器來產(chǎn)生多種流場條件,用于評估在復雜流場中被測流量計的測量準確度。因為皮托管流量計是我國煙道流量計的最常見形式,研制了皮托管自動定位測量系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)皮托管的快速、準確、自動測量,用于研究皮托管速度面積測量方法。裝置采用串聯(lián)的兩臺軸流風機調(diào)節(jié)流量,使用安裝在標準段的L型皮托管或者超聲流量計反饋流量大小,實現(xiàn)流量PID調(diào)節(jié)。裝置流量范圍為908～104 840 m3/h,擴展不確定度為0.62%(k=2)。