Как выбрать расходомер для мониторинга дымовых газов

Опубликовано в номере:
PDF версия
Эффективная работа современной электростанции во многом зависит от точных и постоянных измерений первичных и вторичных воздушных потоков в углеразмольных мельницах, рециркуляторах дымовых газов, топке, горелках и других узлах. При измерении потока дымовых, или отработанных газов решающее значение имеет выбор правильного расходомера. Определение объема таких газов важно для количественной оценки выбросов, выполняемой с помощью систем непрерывного мониторинга выбросов (CEMS) и используемой для предоставления экологической отчетности в государственные органы. В статье приведем рекомендации по выбору подходящего расходомера.

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.

Схематическое изображение устройства современной электростанции

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.

Расходомер на основе измерения перепада давления

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).

Тепловой массовый (калориметрический) расходомер

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 (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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.