NIST設(shè)計(jì)了兩種新的皮托管探頭（左和中），一個(gè)的傳感表面為圓錐形，另一個(gè)的表面為半球形。探針有五個(gè)孔或端口。比較在五個(gè)端口中每個(gè)端口獲得的壓力讀數(shù)，技術(shù)人員可以計(jì)算流速。一種較舊的皮托管，稱(chēng)為S探針（右），有兩個(gè)面向相反方向的端口。圖片來(lái)源：NIST

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員與業(yè)界合作，完成了首次現(xiàn)實(shí)世界的測(cè)試，以測(cè)試一種可能改進(jìn)的方法來(lái)測(cè)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(guó)際流量測(cè)量會(huì)議（FLOMEKO）上介紹了他們的工作。

每年，為了滿(mǎn)足環(huán)境保護(hù)署（EPA）設(shè)定的要求，燃煤發(fā)電廠必須對(duì)其煙囪排放物進(jìn)行審核，或由獨(dú)立的第三方進(jìn)行檢查。NIST的研究人員希望更快地進(jìn)行此測(cè)試，以在審核過(guò)程中為工廠節(jié)省資金，同時(shí)還提高了傳感器的準(zhǔn)確性。因此，研究人員說(shuō)，NIST團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了用于探測(cè)排放流速的新探頭和新的測(cè)量方法，該方法有可能將現(xiàn)場(chǎng)審核速度提高10倍。

NIST工程師亞倫·約翰遜（Aaron Johnson）說(shuō)，實(shí)地調(diào)查的結(jié)果是“有希望的”，并且與實(shí)驗(yàn)室的發(fā)現(xiàn)合理吻合�！拔覀兏械襟@訝；與EPA記錄在案的“最佳實(shí)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(shù)人員需要測(cè)量煙囪中煙氣的排放速率。煙囪內(nèi)部的氣流包含渦流和漩渦，但通常向上傳播。在NIST測(cè)試中，將四個(gè)探針（稱(chēng)為皮托管）水平插入煙囪中。

四個(gè)探頭分別在四個(gè)不同的點(diǎn)進(jìn)行流量測(cè)量，總共進(jìn)行16次測(cè)量。利用這些信息，NIST的科學(xué)家可以測(cè)試新型皮托管設(shè)計(jì)和測(cè)量方法的精度和準(zhǔn)確性。

NIST與電力研究所（EPRI）開(kāi)展了這項(xiàng)研究，作為合作研究與開(kāi)發(fā)協(xié)議（CRADA）的一部分，該研究所是一個(gè)獨(dú)立的非營(yíng)利性組織，其成員包括電力公司，企業(yè)和政府機(jī)構(gòu)。

EPRI計(jì)劃經(jīng)理湯姆·馬茨（Tom Martz）說(shuō)：“通過(guò)改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)來(lái)更精確地測(cè)量排放量，燃煤發(fā)電機(jī)組可能會(huì)受益于NIST的當(dāng)前工作，” 他補(bǔ)充說(shuō)，潛在的時(shí)間節(jié)省“目前尚無(wú)法準(zhǔn)確量化，但這將是未來(lái)工作的關(guān)鍵目標(biāo)�！�

最終目標(biāo)是提供研究，使EPA有一天可能發(fā)展成為煙囪排放物校準(zhǔn)的新標(biāo)準(zhǔn)。

約翰遜說(shuō)：“工業(yè)上的優(yōu)勢(shì)在于，它將減少測(cè)試時(shí)間和成本，并有可能變得更加精確”。

但是，即使EPA沒(méi)有制定新標(biāo)準(zhǔn)，這項(xiàng)工作也可以通過(guò)為發(fā)電廠公司提供更多管理排放測(cè)試的選擇來(lái)為行業(yè)帶來(lái)好處。約翰遜說(shuō)：“我們的目標(biāo)是使它成為EPA標(biāo)準(zhǔn)。” “但是，仍然由行業(yè)成員來(lái)決定是否要使用它�！�

燃煤電廠的煙囪配備了可連續(xù)測(cè)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(cè)器。根據(jù)聯(lián)邦法律，在年度審核期間，需要對(duì)內(nèi)置流量傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)（即檢查準(zhǔn)確性）。

為了進(jìn)行年度校準(zhǔn)，審核員使用稱(chēng)為皮托管的小型便攜式設(shè)備。審核技術(shù)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?cè)跓焽铏M截面的各個(gè)點(diǎn)處對(duì)流量進(jìn)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(xiàng)工作的最常見(jiàn)的傳感器是“ S探針”。它有兩個(gè)孔或端口。一個(gè)端口直接面對(duì)氣流，并檢測(cè)管道中累積的壓力。另一個(gè)端口面向相反的方向。流量越快，兩個(gè)端口之間的壓力差就越大；測(cè)量壓力差可以使審核員計(jì)算出流速。

S-probes不需要校準(zhǔn)，但是每次測(cè)量可能要花費(fèi)幾分鐘，因?yàn)榧夹g(shù)人員必須手動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳感器，直到一側(cè)直接面對(duì)流。這很復(fù)雜，因?yàn)樵跍y(cè)試點(diǎn)流不一定直接向上流動(dòng)。在煙囪的底部，煙氣通常繞著一個(gè)急劇的彎道行進(jìn)，這會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的渦流和漩渦，即使在高煙囪中也不會(huì)消失。

使用S-probes的工作量很大，以至于現(xiàn)場(chǎng)年度校準(zhǔn)可能需要一天或更長(zhǎng)的時(shí)間才能完成。約翰遜說(shuō)：“而且，在審計(jì)師一直在的時(shí)候，發(fā)電廠一直在虧損，所以他們希望技術(shù)人員盡快進(jìn)出�！�

為了加快這一過(guò)程，NIST的科學(xué)家進(jìn)行了三項(xiàng)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(lái)的兩個(gè)改為五個(gè)，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(shì)。

由NIST物理學(xué)家Iosif Shinder設(shè)計(jì)的探頭有兩種形狀：半球形和圓錐形。

其次，科學(xué)家為他們的新傳感器開(kāi)發(fā)了一種校準(zhǔn)方案，該方案不需要技術(shù)人員旋轉(zhuǎn)煙囪內(nèi)的探頭來(lái)為每次測(cè)量找到真正的氣流方向。因此，盡管在使用前必須對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，但是在實(shí)際審核期間它們將花費(fèi)更少的時(shí)間。

第三，NIST的Jim Filla開(kāi)發(fā)的軟件與市售的自動(dòng)化系統(tǒng)兼容，可以實(shí)時(shí)測(cè)量流量。

NIST的Joey Boyd（左）和Aaron Johnson在發(fā)電廠進(jìn)行了新傳感器的測(cè)試。平臺(tái)使他們可以進(jìn)入煙囪，該平臺(tái)位于地面上方約45米處。圖片來(lái)源：Tom Martz / EPRI

到目前為止，僅在NIST的測(cè)試機(jī)構(gòu)（包括比例模型煙囪模擬器和風(fēng)洞）中測(cè)量了新探針的性能。但是NIST的實(shí)驗(yàn)室無(wú)法復(fù)制真實(shí)發(fā)電廠的所有方面，例如煙囪中的煙塵。

約翰遜說(shuō)：“在我們的風(fēng)洞中對(duì)其進(jìn)行測(cè)試是一回事。” “這是另一個(gè)準(zhǔn)備在120華氏度的堆棧中對(duì)其進(jìn)行測(cè)試的方法�！�

第一次現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行于2018年7月在天然氣廠進(jìn)行，該廠的流量相對(duì)容易測(cè)量。

第二次是在2018年9月，在一個(gè)燃煤電廠中進(jìn)行的，流程特別復(fù)雜。

這家燃煤電廠有一個(gè)封閉的平臺(tái)，皮托管被插入煙囪。但是天然氣工廠的平臺(tái)是開(kāi)放的。NIST技術(shù)員喬伊·博伊德（Joey Boyd）說(shuō)，在大約45米（145英尺）的空中，“事情動(dòng)搖了”�！爱�(dāng)您在工作時(shí)，堆棧在搖擺，而您下面的地板在移動(dòng)。”

當(dāng)NIST研究人員分析數(shù)據(jù)時(shí)，他們的結(jié)果令人鼓舞，同意其實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)在2％以?xún)?nèi)。

約翰遜說(shuō)：“這些探針在煙囪中的性能與在NIST的測(cè)試設(shè)施中一樣好。”

未來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試將幫助研究人員解決他們遇到的最大問(wèn)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(cè)試。

同樣，這項(xiàng)工作告訴他們，每次發(fā)生“吹掃-通過(guò)皮托管探頭高壓吹入空氣，如果某些閥門(mén)沒(méi)有關(guān)閉，可能會(huì)損壞設(shè)備的關(guān)鍵部件，則需要為設(shè)備編寫(xiě)特殊的軟件信號(hào)”。