烟道流量计量标准装置

邓千封, 张 亮, 方立德, 王 池,3, 刘 洋

(1. 河北大学 质量技术监督学院, 河北 保定 071002; 2. 中国计量科学研究院, 北京 100029;3. 郑州计量 先进技术研究院, 河南 郑州 450001;4. 河南省环境监测技术重点实验室, 河南 郑州 450004; 5. 河南省生态环境监测中心, 河南 郑州 450004)

1 引 言

为了加强大气污染物治理,减少污染物排放,国家于2018年起正式施行《环境保护税》,企业应按照其污染物排放量进行缴税,大型排污企业每年需缴纳数百万元的税款。固定源大气污染物排放绝大部分通过烟道排入大气[1,2],因此烟道大气污染物排放量的准确测量关系到企业缴税的公平性。烟道大气污染物排放量监测需要测量烟气中污染物浓度和烟道流量,浓度测量仪器可以使用标准气体进行在线校准,校准后仪器测量不确定度约为1%～5%。烟道流量测量由于烟道口径大、流动复杂、湍流度高等因素,并且缺乏流量溯源体系,测量不确定度通常为3%～50%,极端情况能够超过50%[3]。美国环保局采用的EPA方法1、方法2和我国环保标准HJ75-2017中规定了烟道流量计的在线比对方法,由于此方法并未真正建立烟道流量的量值溯源体系,因此美国环保局将此方法称为相对准确度测量,烟道测试公司均采用相同的测量过程实现相对准确度比对[4]。

为了提高烟道流量的测量准确度,建立烟道流量量值溯源体系,2015年美国国家标准与技术研究院(NIST)搭建了烟道流量实验室计量标准装置,装置使用常压空气作为介质模拟烟道流动条件,用于研究现场烟道流量的校准方法和高准确度测量方法。该装置以DN900口径的8声道超声流量计为标准器,借助CECCI校准实验室的超大口径气体流量标准装置对其进行校准,校准时使用可溯源至NIST流量基准装置的音速喷嘴标准表并联作为参考流量标准。装置最大流量达到105 800 m3/h,扩展不确定度为0.58%(k=2)[4]。

中国计量科学研究院(NIM)通过两级量传的方式建立了烟气流量的量值传递体系。首先搭建了烟道流量计量标准装置,实现了100 000 m3/h的流量校准能力,然后研制了现场烟道流量计量装置,现场装置通过在标准装置上进行校准和测量验证后,在现场对烟道流量计进行校准,实现10 000 000 m3/h的校准能力。烟道流量计量标准装置也是一套常压大口径气体流量标准装置,能够实现对常压大口径流量计的校准。装置流量范围为908～104 840 m3/h,装置测量扩展不确定度为0.62%(k=2)。

2 装置构成

烟道流量计量标准装置是现场烟道的缩尺模型,经评估,装置测试段口径需要达到1 m才能模拟现场烟道内流速脉动的条件,并且避免阻塞效应的影响,根据烟道常规流速范围为5～30 m/s,装置最大流量需达到100 000 m3/h。

装置可以分为参考段、测试段和变频风机,由于实验室场地条件的限制,装置设计为U型开环结构。装置流量范围为908～104 840 m3/h。

装置参考段使用DN800圆形管道,包括激光多普勒测速仪(laser Doppler velocimeter, LDV)原级标准和8声道超声流量计工作级标准2部分,为被测流量计提供标准流量值。扩张段用于连接参考段和测试段,为了避免转弯造成的不对称流场,采用了扩张口径并收缩整流的方式保证流场品质[5,6]。测试段尺寸分为DN1000、DN700的圆形管道和0.7 m×1 m的矩形管道,可以安装不同测量原理的流量计进行测试。在测试段连接处不同位置可添加涡旋和湍流发生器来模拟不同烟道流场条件,用于评估流量计在复杂流场中的测量性能。由于皮托管是我国最主要的烟气流量计形式,因此在测试段设计并搭建了皮托管自动定位系统,用于研究皮托管速度面积测量方法。装置使用变频风机改变装置内的流量,通过安装在装置参考段的L型皮托管或者8声道标准超声流量计进行反馈,进行PID控制。装置结构如图1所示。标准装置的性能指标见表1。

图1 烟道流量计量标准装置结构图Fig.1 Structure of stack flowrate standard facility

表1 烟道流量计量标准装置性能指标
Tab.1 The performance indexes of stack flowrate standard facility

项 目性能指标气体介质空气流量范围908～104840m3/h被检表尺寸≤1000mm流量稳定性0.5%装置扩展不确定度0.62% (k=2)

2.1 装置参考段

2.1.1 原级流量标准

NIM研制的pVTt法国家气体流量基准装置最大流量为1 300 m3/h,环道式涡轮流量计标准表气体流量标准装置最大流量为1 600 m3/h[7～8]。其它一些地区计量机构或企业气体流量标准装置最大流量约为20 000～45 000 m3/h。

如果采用传统标准表逐级量传的方式达到 100 000 m3/h 的最大流量,装置能耗将超过 1 000 kW, 造价高且噪音大。因此装置采用了LDV流速剖面测量和超声流量计测量流量波动修正相结合的方法,实现了在较低功耗下测量100 000 m3/h的标准流量。由于LDV可溯源至标准转盘的转速,从而实现了标准流量的量值溯源。LDV原级流量标准部分如图2所示。

图2 LDV原级流量标准Fig.2 Primary flow standard of LDV

LDV测量的是示踪粒子的速度。当示踪粒子通过LDV的测量体时会引起激光多普勒频移,此变化量与示踪粒子速度成正比,通过测量多普勒频移确定粒子速度[9～11]。装置使用粒子发生器产生微小的示踪粒子,由于颗粒粒径很小,因此可以认为粒子速度基本上等同于风洞内气体流速。经测试,直接由粒子发生器在收缩喷口入口上游产生粒子无法扩散到LDV标准段管道全部范围,因此装置采用环形管给入粒子,环形管的直径和喷口直径相当,环内侧开凿了多个等距小孔,产生的粒子经由小孔流出后会均匀分布于喷口前方,进入风洞后可均匀扩散到LDV标准段管道的全部范围(环形粒子给入系统如图3所示)。使用该系统后将LDV在管道边壁测量到的粒子数量由原来的1 min小于20个提升到1 min超过400个,有效提升了LDV在管道边壁测量的效率和数据可靠性。

图3 环形粒子给入系统Fig.3 Annular particle delivery system

在使用LDV进行标准流量测量时,将圆形管段截面分成若干个等距圆环,如图4所示。

图4 LDV速度面积测量法示意图Fig.4 The diagram of LDV measurement used velocity area method

测量圆环与一条直径交点处的流速,以圆环内外边界与直径交点处的流速平均值作为此圆环的平均流速。对于中心的圆形,以圆形与直径交点处速度和圆心处速度的平均值作为圆形的平均速度。通过速度面积积分计算出整个截面的流量：

(1)

式中：Ai为第i个等距圆环面积;Vi为第i个等距圆环平均流速。

在LDV逐点扫描过程中,装置流量具有一定的波动性,需要对其进行修正。使用8声道超声流量计测量LDV单点测量时的平均流量和全部扫描过程的平均流量值,通过两者相除得到单点流量波动修正系数,用于修正在LDV逐点扫描过程中因流量波动引起的测量结果误差。修正后的流量作为装置的标准流量。

为了确定LDV扫描位置,需要对LDV标准段管道进行准确测量。使用经过检定的三坐标测量臂测量得到管道半径为397.234 mm,可计算出管道截面面积为0.496 m2。

2.1.2 8声道超声流量计工作级标准

超声流量计具有非接触测量,响应速度快、准确度高等优点,近年来在气体流量测量领域得到广泛的应用。 相比单声道超声流量计,多声道超声流量计能够获得更多管道内流场信息,流量测量更加准确[12～14]。烟道流量计量标准装置采用一台DN800的8声道超声流量计作为工作级标准,如图5所示。

图5 8声道超声流量计工作级标准Fig.5 The working standard of 8-path ultrasonic flowmeter

由于LDV采用逐点扫描方式进行测量,测量耗时长,而使用超声流量计进行测量可得到实时流量值,方便快捷。因次使用超声流量计作为工作级标准表,每隔2～3 m使用LDV对8声道超声流量计进行校准。

在校准时,还需考虑LDV和超声流量计测量管道内温度和压力的差异,利用气体状态方程对其进行温度压力修正,修正公式为：

(2)

式中：k为超声流量计仪表校准系数;Qp、Qw分别为原级、工作级标准流量，m3·h-1;tp、tw分别为原级、工作级标准管道内温度,℃;Pp、Pw分别为原级、工作级标准管道内压力，Pa。

2.2 装置测试段

测试段主要用于校准被测流量计,测试段管道分为DN1000、DN700的圆形管道和0.7 m×1 m的矩形管道,未来还将扩展到更多口径。不同口径的圆形管道可以用于研究口径对同种形式流量计测量结果的影响。

由于皮托管是烟道流量计的主要形式,所以研制了圆形管道和矩形管道的皮托管自动定位测量系统,用以对其速度面积测量方法进行深入研究。使用皮托管测量烟道流量时,需要选择测试点位置、数目和流量积分方法,皮托管自动定位测量系统能够实现不同皮托管流量计的自动、快速、准确测试,从而评价和优化皮托管流量计的速度面积法测量准确性。

此外还加工了具有不同声道布置形式的圆形管道和矩形管道多声道超声流量计表体,测试不同声道布置方式、积分方法和声道数量对测量结果的影响。同时还能够改变超声探头的插入深度和安装角度,以探索适用于不同流场条件的烟道超声流量计测量方法。

为了模拟不同的烟道内流场条件,在测试段可以安装不同的扰流器,从而在测试段管道中形成单涡旋、双涡旋等流场,模拟真实现场条件。扰流器能够安装在测试段不同位置,通过改变扰流器和被测流量计间的距离来改变扰流强度。

2.3 变频风机

装置使用了2台轴流风机产生流动,使用一台变频器调节风机的转速,实现流速的改变。相比离心风机,轴流风机产生的流场更为均匀,流场品质好。单个风机最大流量为54 000 m3/h,双风机串联后最大流量达到了104 840 m3/h。装置采用Labview编写的控制系统调节流量,可以选择使用安装在喷口下游的L型皮托管流速测量值或超声流量计流量测量值作为反馈,使用PID控制对风机转动频率进行调节,从而实现装置流量的稳定性,经过调节后装置的流量稳定性为0.5%。

3 装置流量不确定度评定

3.1 LDV原级流量不确定度

LDV测量段圆形管道横截面积A为：

A=π×r2

(3)

式中r为管道半径。

所以LDV测量原级流量值Q可以表示为

Q=π×r2×v

(4)

式中v为流速。由式(4)可以得到装置原级流量标准不确定度uQ：

(5)

式中：uv为流速不确定度;ur为管道半径不确定度。

计算流量不确定度时,首先需要计算流速和管道半径的测量不确定度。

3.1.1 平均流速不确定度

管道内平均流速测量不确定度由LDV多点流速测量不确定度进行加权平均计算得到。

1) LDV流速测量不确定度

LDV流速测量不确定度由LDV干涉条纹间距不确定度udf和流速测量重复性不确定度uLDV1组成

(6)

LDV干涉条纹间距不确定度由转盘进行标定,在转盘边缘贴上细钨丝,钨丝方向与转盘轴线方向平行,当钨丝穿过LDV测量体时,使用转盘转读除以LDV测得的多普勒频率,得出LDV的条纹间距。

转盘边缘转动速度Vdisc为：

Vdisc=rd×ω

(7)

式中:rd为转盘半径;ω为标准转盘转速。

如果LDV入射激光角平分线垂直于钨丝的切线速度方向,则LDV测得的速度VLDV为:

VLDV=df×fD

(8)

式中:df为激光干涉条纹间距;fD为LDV的输出频率。

但是,在实际测量过程中,LDV激光焦点所测得的速度方向与钨丝的切线速度方向存在一个微小角度β,所以VLDV=Vdisc×cosβ。另外,还有一些其他影响因子会影响到系统的不确定度,比如激光波长的稳定性,转盘在高速运转时其摆动的稳定性等,在进行装置的不确定度评估时需要将这些额外的影响因素纳入考量,所以引入修正因子ε进行评估,修正后得到的公式为:

(9)

式中:β为激光测得速度与钨丝切线速度方向夹角;ε为修正因子。

由式(9)可以得到LDV干涉条纹间距的相对标准不确定度udf为:

(10)

经测试,LDV干涉条纹间距的不确定度为0.422%(k=2)。

流速测量重复性不确定度即在每个测量点处测得速度平均值的标准偏差。在不同测量点的平均流速相对标准偏差数值不同,最大值为0.03%。

由式(6),得到合成后的LDV流速测量扩展不确定度为0.426%(k=2)。

2) 截面流速分布不确定度

采用LDV逐点扫描测量装置标准段管道内的流量时,将管道截面面积由外到内分成了80个等距圆环,计算各个圆环在整个管道圆形截面的面积占比,根据每个圆环内测量流速值的不确定度,加权计算管道内平均流速不确定度uVA为：

(11)

式中:uvi为单个测量点速度的不确定度;Ai为测试点等距圆环部分面积;A为原级管道截面面积。

由式(11),得到截面平均流速不确定度为0.58%(k=2)。

3.1.2 管段半径不确定度

LDV测量管段半径测量不确定度由半径测量结果的标准偏差ur1和三坐标测量臂自身不确定度ur2合成后得到,即:

(12)

经测试,管段半径相对扩展不确定度为0.02%(k=2)。

3.1.3 流量波动修正系数不确定度

使用超声流量计测量装置波动性并对其进行修正,因此波动修正系数的不确定度即为超声流量计的重复性,其扩展不确定度为0.102%(k=2)。

3.1.4 LDV原级标准装置不确定度

由式(5),得到LDV原级标准装置的不确定度如表2所示,最终其相对扩展不确定度为0.59%(k=2)。

表2 LDV原级标准装置不确定度汇总表Tab.2 The uncertainty components summary table of LDV primary standard (%)

3.2 8声道超声流量计标准表装置不确定度

装置使用8声道超声流量计作为工作级标准,其流量测量不确定度由LDV原级标准装置不确定度,超声流量计测量结果重复性,以及温压修正原级标准与工作级标准管道内温度和压力不确定度合成得到。其中,温度和压力的不确定度由仪器校准证书标明的不确定度和测量结果的标准偏差组合而成。经测试,超声流量计标准表装置的不确定度为0.62%(k=2)。表3为其不确定度分量汇总。

表3 超声流量计工作级标准装置不确定度汇总表Tab.3 The uncertainty components summary table of ultrasonic flowmeter working standard (%)

4 结束语

为满足我国对大口径烟气流量计的量值溯源需求,NIM建立了烟道流量计量标准装置。装置采用LDV流速剖面扫描和超声流量计流速波动修正的方式获得装置标准流量,此流量可以溯源到标准转盘的转速。使用8声道超声流量计作为工作级标准器。装置测试段包括不同口径的圆形和矩形管道,能够用于校准不同形式的流量计。为了模拟现场真实流场条件,可以在测试段安装不同的涡旋发生器来产生多种流场条件,用于评估在复杂流场中被测流量计的测量准确度。因为皮托管流量计是我国烟道流量计的最常见形式,研制了皮托管自动定位测量系统,能够实现皮托管的快速、准确、自动测量,用于研究皮托管速度面积测量方法。装置采用串联的两台轴流风机调节流量,使用安装在标准段的L型皮托管或者超声流量计反馈流量大小,实现流量PID调节。装置流量范围为908～104 840 m3/h,扩展不确定度为0.62%(k=2)。