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.

Рис. 1. Схематическое изображение устройства современной электростанции.
Изображения предоставлены Leomi Instruments Pvt. Ltd

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.

Рис. 2. Расходомер на основе измерения перепада давления

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).

Рис. 3. Тепловой массовый (калориметрический) расходомер

Газ проходит через два резистивных датчика температуры Pt-100, один из которых расположен вблизи нагревателя, а второй — на некотором удалении от него (T_ref и T_h). 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.