煙道流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)研究

上海上儀股份公司為了解決我國(guó)煙道流量計(jì)的量值溯源問題，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院建立了煙道流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置。裝置使用可溯源至標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤的激光多普勒測(cè)速儀作為原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器，采用激光多普勒流速剖面掃描和超聲流量計(jì)波動(dòng)修正的方式測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)流量，經(jīng)校準(zhǔn)的 8 聲道超聲流量計(jì)為工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表，具備了 908 ～ 104 840 m3 /h 的測(cè)量能力，擴(kuò)展不確定度為 0． 62% ( k = 2)，可對(duì)非常大口徑為 1 m 的流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。裝置下游測(cè)試段包括圓形管段和矩形管段，能夠開展煙道流量計(jì)測(cè)量性能的研究。

1 引 言

為了加強(qiáng)大氣污染物治理，減少污染物排放，國(guó)家于 2018 年起正式施行《環(huán)境保護(hù)稅》，企業(yè)應(yīng)按照其污染物排放量進(jìn)行繳稅，大型排污企業(yè)每年需繳納數(shù)百萬元的稅款。固定源大氣污染物排放絕大部分通過煙道排入大氣［1，2］，因此煙道大氣污染物排放量的準(zhǔn)確測(cè)量關(guān)系到企業(yè)繳稅的公平性。煙道大氣污染物排放量監(jiān)測(cè)需要測(cè)量煙氣中污染物濃度和煙道流量，濃度測(cè)量?jī)x器可以使用標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行在線校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后儀器測(cè)量不確定度約為 1% ～ 5% 。煙道流量測(cè)量由于煙道口徑大、流動(dòng)復(fù)雜、湍流度高等因素，并且缺乏流量溯源體系，測(cè)量不確定度通常為 3% ～ 50% ，極端情況能夠超過50%。

美國(guó)環(huán)保局采用的 EPA 方法 1、方法 2 和我國(guó)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn) HJ75 － 2017 中規(guī)定了煙道流量計(jì)的在線比對(duì)方法，由于此方法并未真正建立煙道流量的量值溯源體系，因此美國(guó)環(huán)保局將此方法稱為相對(duì)準(zhǔn)確度測(cè)量，煙道測(cè)試公司均采用相同的測(cè)量過程實(shí)現(xiàn)相對(duì)準(zhǔn)確度比對(duì)。

為了提高煙道流量的測(cè)量準(zhǔn)確度，建立煙道流量量值溯源體系，2015 年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院( NIST) 搭建了煙道流量實(shí)驗(yàn)室計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，裝置使用常壓空氣作為介質(zhì)模擬煙道流動(dòng)條件，用于研究現(xiàn)場(chǎng)煙道流量的校準(zhǔn)方法和高準(zhǔn)確度測(cè)量方法。該裝置以 DN900 口徑的 8 聲道超聲流量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)器，借助 CECCI 校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的超大口徑氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)時(shí)使用可溯源至NIST 流量基準(zhǔn)裝置的音速噴嘴標(biāo)準(zhǔn)表并聯(lián)作為參考流量標(biāo)準(zhǔn)。裝置非常大流量達(dá)到 105800 m3 /h，擴(kuò)展不確定度為 0． 58% ( k = 2) 。

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院( NIM) 通過兩級(jí)量傳的方式建立了煙氣流量的量值傳遞體系。首先搭建了煙道流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，實(shí)現(xiàn)了 100 000 m3 /h 的流量校準(zhǔn)能力，然后研制了現(xiàn)場(chǎng)煙道流量計(jì)量裝置，現(xiàn)場(chǎng)裝置通過在標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行校準(zhǔn)和測(cè)量驗(yàn)證后，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)煙道流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn) 10 000 000 m3 /h的校準(zhǔn)能力。煙道流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置也是一套常壓大口徑氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)常壓大口徑流量計(jì)的校準(zhǔn)。裝置流量范圍為 908 ～ 104 840 m3 / h，裝置測(cè)量擴(kuò)展不確定度為 0． 62% ( k = 2) 。

2 裝置構(gòu)成

煙道流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置是現(xiàn)場(chǎng)煙道的縮尺模型，經(jīng)評(píng)估，裝置測(cè)試段口徑需要達(dá)到 1 m 才能模擬現(xiàn)場(chǎng)煙道內(nèi)流速脈動(dòng)的條件，并且避免阻塞效應(yīng)的影響，根據(jù)煙道常規(guī)流速范圍為 5 ～ 30 m /s，裝置非常大流量需達(dá)到 100 000 m3 /h。裝置可以分為參考段、測(cè)試段和變頻風(fēng)機(jī)，由于實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地條件的限制，裝置設(shè)計(jì)為 U 型開環(huán)結(jié)構(gòu)。裝置流量范圍為908 ～ 104 840 m3 /h。

裝置參考段使用 DN800 圓形管道，包括激光多普勒測(cè)速儀( laser Doppler velocimeter，LDV) 原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和 8 聲道超聲流量計(jì)工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 2 部分，為被測(cè)流量計(jì)提供標(biāo)準(zhǔn)流量值。擴(kuò)張段用于連接參考段和測(cè)試段，為了避免轉(zhuǎn)彎造成的不對(duì)稱流場(chǎng)，采用了擴(kuò)張口徑并收縮整流的方式保證流場(chǎng)品質(zhì)［5，6］。測(cè)試段尺寸分為 DN1000、DN700 的圓形管道和 0．7 m × 1 m 的矩形管道，可以安裝不同測(cè)量原理的流量計(jì)進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試段連接處不同位置可添加渦旋和湍流發(fā)生器來模擬不同煙道流場(chǎng)條件，用于評(píng)估流量計(jì)在復(fù)雜流場(chǎng)中的測(cè)量性能。由于皮托管是我國(guó)非常主要的煙氣流量計(jì)形式，因此在測(cè)試段設(shè)計(jì)并搭建了皮托管自動(dòng)定位系統(tǒng)，用于研究皮托管速度面積測(cè)量方法。裝置使用變頻風(fēng)機(jī)改變裝置內(nèi)的流量，通過安裝在裝置參考段的 L 型皮托管或者 8 聲道標(biāo)準(zhǔn)超聲流量計(jì)進(jìn)行反饋，進(jìn)行 PID 控制。

2． 1 裝置參考段

2． 1． 1 原級(jí)流量標(biāo)準(zhǔn)

NIM 研制的 pVTt 法國(guó)家氣體流量基準(zhǔn)裝置非常大流量為 1 300 m3 /h，環(huán)道式渦輪流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置非常大流量為 1 600 m3 /h［7 ～ 8］。其它一些地區(qū)計(jì)量機(jī)構(gòu)或企業(yè)氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置非常大流量約為 20 000 ～ 45000 m3 /h。

如果采用傳統(tǒng) 標(biāo) 準(zhǔn) 表 逐 級(jí) 量 傳 的 方 式 達(dá) 到100 000 m3 /h 的 非常 大 流 量，裝 置 能 耗 將 超 過1 000kW，造價(jià)高且噪音大。因此裝置采用了 LDV流速剖面測(cè)量和超聲流量計(jì)測(cè)量流量波動(dòng)修正相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了在較低功耗下測(cè)量 100 000 m3 /h的標(biāo)準(zhǔn)流量。由于 LDV 可溯源至標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)流量的量值溯源。

LDV 測(cè)量的是示蹤粒子的速度。當(dāng)示蹤粒子通過 LDV 的測(cè)量體時(shí)會(huì)引起激光多普勒頻移，此變化量與示蹤粒子速度成正比，通過測(cè)量多普勒頻移確定粒子速度［9 ～ 11］。裝置使用粒子發(fā)生器產(chǎn)生微小的示蹤粒子，由于顆粒粒徑很小，因此可以認(rèn)為粒子速度基本上等同于風(fēng)洞內(nèi)氣體流速。經(jīng)測(cè)試，直接由粒子發(fā)生器在收縮噴口入口上游產(chǎn)生粒子無法擴(kuò)散到LDV 標(biāo)準(zhǔn)段管道全部范圍，因此裝置采用環(huán)形管給入粒子，環(huán)形管的直徑和噴口直徑相當(dāng)，環(huán)內(nèi)側(cè)開鑿了多個(gè)等距小孔，產(chǎn)生的粒子經(jīng)由小孔流出后會(huì)均勻分布于噴口前方，進(jìn)入風(fēng)洞后可均勻擴(kuò)散到 LDV 標(biāo)準(zhǔn)段管道的全部范圍( 環(huán)形粒子給入系統(tǒng)如圖 3 所示) 。使用該系統(tǒng)后將 LDV 在管道邊壁測(cè)量到的粒子數(shù)量由原來的 1 min 小于 20 個(gè)提升到1 min超過 400 個(gè)，有效提升了 LDV 在管道邊壁測(cè)量的效率和數(shù)據(jù)可靠性。

在使用 LDV 進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)流量測(cè)量時(shí)，將圓形管段截面分成若干個(gè)等距圓環(huán)。

測(cè)量圓環(huán)與一條直徑交點(diǎn)處的流速，以圓環(huán)內(nèi)外邊界與直徑交點(diǎn)處的流速平均值作為此圓環(huán)的平均流速。對(duì)于中心的圓形，以圓形與直徑交點(diǎn)處速度和圓心處速度的平均值作為圓形的平均速度。通過速度面積積分計(jì)算出整個(gè)截面的流量:式中: Ai 為第 i 個(gè)等距圓環(huán)面積; Vi 為第 i 個(gè)等距圓環(huán)平均流速。 在 LDV 逐點(diǎn)掃描過程中，裝置流量具有一定的波動(dòng)性，需要對(duì)其進(jìn)行修正。使用 8 聲道超聲流量計(jì)測(cè)量 LDV 單點(diǎn)測(cè)量時(shí)的平均流量和全部掃描過程的平均流量值，通過兩者相除得到單點(diǎn)流量波動(dòng)修正系數(shù)，用于修正在 LDV 逐點(diǎn)掃描過程中因流量波動(dòng)引起的測(cè)量結(jié)果誤差。修正后的流量作為裝置的標(biāo)準(zhǔn)流量。

為了確定 LDV 掃描位置，需要對(duì) LDV 標(biāo)準(zhǔn)段管道進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。使用經(jīng)過檢定的三坐標(biāo)測(cè)量臂測(cè)量得到管道半徑為397． 234 mm，可計(jì)算出管道截面面積為 0． 496 m2。 2． 1． 2 8 聲道超聲流量計(jì)工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)超聲流量計(jì)具有非接觸測(cè)量，響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，近年來在氣體流量測(cè)量領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。相比單聲道超聲流量計(jì)，多聲道超聲流量計(jì)能夠獲得更多管道內(nèi)流場(chǎng)信息，流量測(cè)量更加準(zhǔn)確［12 ～ 14］。煙道流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用一臺(tái) DN800 的 8 聲道超聲流量計(jì)作為工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

由于 LDV 采用逐點(diǎn)掃描方式進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量耗時(shí)長(zhǎng)，而使用超聲流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量可得到實(shí)時(shí)流量值，方便快捷。因次使用超聲流量計(jì)作為工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表，每隔 2 ～ 3 m 使用 LDV 對(duì) 8 聲道超聲流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。

在校準(zhǔn)時(shí)，還需考慮 LDV 和超聲流量計(jì)測(cè)量管道內(nèi)溫度和壓力的差異，利用氣體狀態(tài)方程對(duì)其進(jìn)行溫度壓力修正，修正公式為:式中: k 為超聲流量計(jì)儀表校準(zhǔn)系數(shù); Qp、Qw 分別為原級(jí)、工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)流量，m3 ·h － 1 ; tp、tw 分別為原級(jí)、工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)管道內(nèi)溫度，℃ ; Pp、Pw 分別為原級(jí)、工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)管道內(nèi)壓力，Pa。 2． 2 裝置測(cè)試段測(cè)試段主要用于校準(zhǔn)被測(cè)流量計(jì)，測(cè)試段管道分為 DN1000、DN700 的圓形管道和 0． 7 m × 1 m 的矩形管道，未來還將擴(kuò)展到更多口徑。不同口徑的圓形管道可以用于研究口徑對(duì)同種形式流量計(jì)測(cè)量結(jié)果的影響。

由于皮托管是煙道流量計(jì)的主要形式，所以研制了圓形管道和矩形管道的皮托管自動(dòng)定位測(cè)量系統(tǒng)，用以對(duì)其速度面積測(cè)量方法進(jìn)行深入研究。使用皮托管測(cè)量煙道流量時(shí)，需要選擇測(cè)試點(diǎn)位置、數(shù)目和流量積分方法，皮托管自動(dòng)定位測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同皮托管流量計(jì)的自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確測(cè)試，從而評(píng)價(jià)和優(yōu)化皮托管流量計(jì)的速度面積法測(cè)量準(zhǔn)確性。此外還加工了具有不同聲道布置形式的圓形管道和矩形管道多聲道超聲流量計(jì)表體，測(cè)試不同聲道布置方式、積分方法和聲道數(shù)量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。同時(shí)還能夠改變超聲探頭的插入深度和安裝角度，以探索適用于不同流場(chǎng)條件的煙道超聲流量計(jì)測(cè)量方法。

為了模擬不同的煙道內(nèi)流場(chǎng)條件，在測(cè)試段可以安裝不同的擾流器，從而在測(cè)試段管道中形成單渦旋、雙渦旋等流場(chǎng)，模擬真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)條件。擾流器能夠安裝在測(cè)試段不同位置，通過改變擾流器和被測(cè)流量計(jì)間的距離來改變擾流強(qiáng)度。

2． 3 變頻風(fēng)機(jī)

裝置使用了 2 臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生流動(dòng)，使用一臺(tái)變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)流速的改變。相比離心風(fēng)機(jī)，軸流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的流場(chǎng)更為均勻，流場(chǎng)品質(zhì)好。單個(gè)風(fēng)機(jī)非常大流量為 54 000 m3 /h，雙風(fēng)機(jī)串聯(lián)后非常大流量達(dá)到了 104 840 m3/h。 裝 置 采 用Labview 編寫的控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)流量，可以選擇使用安裝在噴口下游的 L 型皮托管流速測(cè)量值或超聲流量計(jì)流量測(cè)量值作為反饋，使用 PID 控制對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)裝置流量的穩(wěn)定性，經(jīng)過調(diào)節(jié)后裝置的流量穩(wěn)定性為 0． 5% 。

3． 2 、8 聲道超聲流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表裝置不確定度

裝置使用 8 聲道超聲流量計(jì)作為工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其流量測(cè)量不確定度由 LDV 原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度，超聲流量計(jì)測(cè)量結(jié)果重復(fù)性，以及溫壓修正原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)管道內(nèi)溫度和壓力不確定度合成得到。其中，溫度和壓力的不確定度由儀器校準(zhǔn)證書標(biāo)明的不確定度和測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差組合而成。經(jīng)測(cè)試，超聲流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表裝置的不確定度為0． 62% ( k = 2)。表 3 為其不確定度分量匯總。

4 結(jié)束語

為滿足我國(guó)對(duì)大口徑煙氣流量計(jì)的量值溯源需求，NIM 建立了煙道流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置。裝置采用LDV 流速剖面掃描和超聲流量計(jì)流速波動(dòng)修正的方式獲得裝置標(biāo)準(zhǔn)流量，此流量可以溯源到標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速。使用 8 聲道超聲流量計(jì)作為工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器。裝置測(cè)試段包括不同口徑的圓形和矩形管道，能夠用于校準(zhǔn)不同形式的流量計(jì)。為了模擬現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)流場(chǎng)條件，可以在測(cè)試段安裝不同的渦旋發(fā)生器來產(chǎn)生多種流場(chǎng)條件，用于評(píng)估在復(fù)雜流場(chǎng)中被測(cè)流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度。因?yàn)槠ね泄芰髁坑?jì)是我國(guó)煙道流量計(jì)的非常常見形式，研制了皮托管自動(dòng)定位測(cè)量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)皮托管的快速、準(zhǔn)確、自動(dòng)測(cè)量，用于研究皮托管速度面積測(cè)量方法。裝置采用串聯(lián)的兩臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)流量，使用安裝在標(biāo)準(zhǔn)段的 L 型皮托管或者超聲流量計(jì)反饋流量大小，實(shí)現(xiàn)流量PID 調(diào)節(jié)。上海上儀股份公司裝置流量范圍為 908 ～ 104 840 m3 /h，擴(kuò)展不確定度為 0． 62% ( k = 2) 。