Как выбрать расходомер для мониторинга дымовых газов
Состав дымовых газов
Дымовые газы — это газы, выделяющиеся в процессе горения в результате нагрева топлива (жидкого, твердого или газообразного) и воздуха при стехиометрическом соотношении в нагревательных котлах и технологических печах (рис. 1). Получаемые при сжигании дымовые газы в основном состоят из азота (N2), монооксида углерода (CO), диоксида углерода (CO2), следов диоксида серы (SO2), оксидов азота (NO, NO2), взвешенных твердых частиц и влаги.
Дымовые газы выделяются на тепловых электростанциях, сталелитейных и металлоплавильных заводах, заводах по производству цемента, химических веществ и удобрений, а также на многих других промышленных и коммерческих объектах.
Почему так важно измерять объем дымовых газов?
Большая часть выбросов дымовых газов содержит вредные для здоровья человека загрязняющие вещества. Для предоставления отчетов государственным органам и управлениям по контролю за загрязнением окружающей среды необходимы системы непрерывного мониторинга выбросов. Чтобы определить общее количество выбросов в окружающую среду, важно измерять состав и концентрацию газов, а также массовый расход. Измерение потока дымовых газов необходимо:
- для оптимизации производительности электростатического фильтра за счет поддержания проектных параметров, таких как удельная площадь осаждения, скорость газа и время обработки;
- заблаговременного предупреждения о неисправностях конденсатора подогревателя;
- регулирования вредных загрязняющих веществ, контроля выбросов пыли;
- получения полезной информации по оптимизации баланса массы;
- решения задач энергосбережения;
- превентивных мер по оптимизации эффективности технологического процесса и снижения вредных выбросов в окружающую среду.
Характеристики дымовых газов в дымовой трубе
Для повышения тепловой эффективности электростанций инженеры-технологи работают над минимизацией потерь тепла в окружающую среду. Типичными условиями сред, в которых приходится работать датчикам дымовых газов, являются следующие:
- наличие в дымовых газах умеренного количества частиц пыли/летучей золы (это относится к работе как угольной электростанции, так и парогенерирующей установки);
- рабочая температура: +130…+180 °C;
- скорость потока газов: 12–20 м/с.
Где следует проводить контроль потока дымовых газов?
Для достижения оптимальной эффективности дымовые газы можно контролировать:
- в дымоходе или дымовой трубе вблизи места отбора проб для лабораторного анализа;
- на тепловой электростанции — на входе установки десульфуризации дымовых газов (влажной/сухой);
- на химических производствах, заводах по производству удобрений и металлургических заводах — в технологических трубах;
- в системах вентиляции.
Выбор датчиков
Основными устройствами для контроля дымовых газов являются расходомеры, работающие на основе измерения перепада давления (с аэродинамическим профилем, с осредняющей напорной трубкой или трубкой Пито), бесконтактные ультразвуковые расходомеры и встраиваемые тепловые массовые расходомеры. Задача инженера по контрольно-измерительным приборам — определить, какой расходомер лучше всего подходит для конкретного применения. Приведем важные факторы, которые необходимо учитывать при сравнении методов измерений:
- размеры воздуховода или трубы;
- толщина изоляции, если таковая имеется;
- характер контролируемой среды: скорость потока, давление, температура, плотность, вязкость, загрязнение, влажность и т. д.;
- параметры монтажа: доступные горизонтальные и вертикальные прямые участки, время, необходимые усилия и т. д.;
- необходимые точность и повторяемость;
- необходимый диапазон измерений;
- бюджет.
Исходя из этих факторов инженеры-технологи должны оценить принципы работы датчиков, определить положительные и отрицательные характеристики различных методов измерения расхода и возможности выбора. Следует и понять физические основы измерений.
Расходомер на основе измерения перепада давления
Принцип работы: расходомер на основе измерения перепада давления с аэродинамическим профилем, осредняющей напорной трубкой или трубкой Пито изменяет сечение пути потока и измеряет перепад давления, получая таким образом информацию об объемном расходе (рис. 2). С помощью дополнительного непрерывного учета давления и температуры (мгновенной плотности) можно измерять и массовый расход.
Плюсы:
- стандартизованный метод измерения объемного расхода, установленный BS-1042/ISO 5167;
- подходит для труб диаметром до 5 м и больше;
- надежные конструкции, разработанные для широкого спектра промышленных технологических сред;
- допускается любая ориентация;
- высокая повторяемость измерений;
- простота выполнения калибровки в месте установки.
Минусы:
- требуется относительно высокий перепад давления;
- необходимость в периодическом обслуживании;
- относительно невысокая точность 3% во всем диапазоне измерений, может дрейфовать с течением времени;
- невысокий динамический диапазон 4:1, в котором поддерживается заданная точность измерений;
- низкая чувствительность к потоку;
- подвержен засорению;
- высокий коэффициент износа;
- высокая стоимость монтажа.
Бесконтактный ультразвуковой расходомер
Принцип работы: бесконтактный ультразвуковой расходомер, измеряющий объемный расход, состоит из пары ультразвуковых приемопередатчиков, передающих и принимающих ультразвуковые импульсы по пути дымовых газов в обоих направлениях, полученное время прохождения (разница во времени) пропорционально скорости дымовых газов. Эта разница во времени зависит главным образом от скорости распространения звука в газе.
Плюсы:
- определяет объемный расход с помощью измерения времени прохождения ультразвукового луча;
- используется для труб диаметром до 10 м;
- подходит для температуры до +450 °C;
- допускает горизонтальную или вертикальную ориентацию;
- динамический диапазон свыше 100:1.
Минусы:
- газ должен быть сухим и чистым;
- точность до ±1,5–3% результата измерений, повторяемость ±1%;
- высокая начальная стоимость;
- при монтаже необходим высокий уровень квалификации;
- не подходит для труб с внутренними покрытиями;
- дрейф из-за изменения скорости звука в дымовых газах.
Встраиваемый тепловой массовый расходомер
Принцип работы: тепловые массовые (калориметрические) расходомеры работают на основе физического принципа рассеивания тепла от нагревателя в окружающую среду (например, воздух или газы). На рассеивание тепла влияют скорость, плотность (температура и давление), а также состав среды. Количество энергии определяется разностью температур (DT) и значением массового расхода (рис. 3).
Газ проходит через два резистивных датчика температуры Pt-100, один из которых расположен вблизи нагревателя, а второй — на некотором удалении от него (Tref и Th). Разность температур DT между первым и вторым датчиком непрерывно контролируется. Согласно закону Кинга, чем выше массовый расход, тем больше охлаждающий эффект на датчике нагревателя, а значит, выше мощность, необходимая для постоянного поддержания перепада температур. Следовательно, мощность нагревателя пропорциональна массовому расходу газа.
Плюсы:
- использование метода тепловой анемометрии с постоянной температурой нагревателя (термическая дисперсия);
- подходит для труб диаметром 15 мм — 10 м;
- прочная конструкция, работает при температуре до +400 °C и давлении 16 бар и более;
- возможна любая ориентация;
- хорошая точность: менее ±2% результата измерений;
- самый высокий динамический диапазон: 100:1 или выше;
- регулируемый и универсальный;
- самый низкий перепад давления;
- низкая стоимость владения по сравнению с другими способами измерений;
- непрерывный учет изменения теплопроводности.
Минусы:
- низкая стойкость к механическим повреждениям;
- рекомендуется использовать выпрямитель потока;
- подвержен воздействию высокой влажности (>10% объема) и грязи/пыли, нуждается в периодической очистке или продувке системы.
Измерения дымовых газов
При выборе расходомера следует учитывать, что в новых конструкциях или усовершенствованных конфигурациях старых некоторые недостатки могут быть устранены. Встраиваемые тепловые массовые расходомеры являются более предпочтительными для труб диаметром до 8 м в условиях умеренной влажности или пылевой нагрузки и при наличии подходящей системы продувки. Такие расходомеры часто оказываются хорошей и менее дорогой альтернативой расходомерам на основе измерения перепада давления. Ультразвуковые расходомеры газа, как правило, используются в трубах большого диаметра — более 8 м.