NIST設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，實地調查的結果是“有希望的”，并且與實驗室的發(fā)現(xiàn)合理吻合。“我們感到驚訝；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，技術人員需要測量煙囪中煙氣的排放速率。煙囪內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。

EPRI計劃經(jīng)理湯姆·馬茨（Tom Martz）說：“通過改進標準和技術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備。審核技術人員爬上煙囪（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，因為技術人員必須手動旋轉傳感器，直到一側直接面對流。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，該方案不需要技術人員旋轉煙囪內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（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”。“當您在工作時，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，他們的結果令人鼓舞，同意其實驗室發(fā)現(xiàn)在2％以內。

約翰遜說：“這些探針在煙囪中的性能與在NIST的測試設施中一樣好�！�

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閉，可能會損壞設備的關鍵部件，則需要為設備編寫特殊的軟件信號”。