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行业新闻  
《固定污染源烟气流速在线监测 超声波法》编制说明
发布时间:2018/4/18 9:26:03 作者:山东环保厅 浏览:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

《固定污染源烟气流速在线监测 超声波标准编制组

二〇一七年九月


 

项目名:固定污染源烟流速在线监测 超声波项目统一编号:

承担单位:济南市环境监测中心站

编制组主要成员:张战朝、赵娇娇、闫学军、付军华标准所技术管理负责人:

标准处项目负责人:


项目 4

1.1 任务来源 4

1.2 工作过程 4

标准订的必要性分析 7

2.1 相关环保标准和环保作的 7

2.2 烟气流速在线连续监现状及存在问题 8

国内相关监方法及准研究 10

3.1 国内外流速监测方法应用 10

3.2 国内外相关标准研究 12

标准订的基本原则和术路线 15

4.1 标准制定的基本原则 15

4.2 标准订的术路线 15

方法究报告 17

5.1 方法原理 17

5.2 方法验证 18

5.3 方法验证 19

5.4 方法验证 68

标准施建议 68

标准社会环境效益 68


《固定污染源烟气流速在线监测 超声波法编制说明

 

项目背景

 

1.1 任务来源

 

应山东省环境保护和总量控制工作需要,进一步完善我省环境保护标准体系,做好十二五期间环保标准的制定工作,增强节能减排和环境监管的科学依据,根据国家环境保护部《关于加强地方环保标准工作的指导意见》环发[2014]49有关规定,济南市环境监测中心站承接了《山东省固定污染源烟气流速在线连续监测方法》的编制任务。

该标准由济南市环境监测中心站负责制定,山东省环境监测中心站、济南市环境监测中心站、泰安市环境保护监测站、章丘市环境保护监测站和山东碧轩环境检测有限公司共同参与方法验证工作。

西克麦哈克仪器有限公司提供仪器设备支持;山东超净环保科技有限公司提供技术支持;中国石油化工股份有限公司济南分公司、济南东新热电有限公司、华电龙口发电股份有限公司为标准验证提供实验场地。

 

1.2 工作过程

 

(1) 成立标准编制小组

 

201410月,项目任务书下达后,济南市环境监测中心站作为项目承担单位,召集相关工作人员及协作单位、公司,成立标准编制小组, 完成了项目任务书和合同的填报签订,编制组初步拟定了标准编制的工作目标、工作内容,同时按照任务书的要求,进行任务分工并制定了详细的标准编制计划。


(2) 前期调研及文献、标准资料查询

 

20151月,根据原国家环境保护总局《国家环境保护标准制修订工作管理办法》2006 41 号公告、《环境保护标准编制出版技术指南》HJ 565的相关规定及管理要求,查询并收集了国内外有关烟气流速的测定方法、工作原理、质量控制、结果计算及方法性能等方面的标准和文献材料,对国内外相关测定方法进行比较分析与研究,分类归纳形成调研报告;经过初步讨论、分析、研究,确定了标准制定原则和技术路线,形成了本标准的开题论证报告和初稿草案以及相关技术指标验证测试初步方案。

(3) 现场调研、确定实施方案

20153月至7月,通过前期查阅文献和调研,初步确定超声波流量计作为本次方法验证的对象,并对几种超声波流量计的使用开展了现场调研,先后去华电国际电力股份有限公司邹县发电厂、江苏镇江发电有限公司、南京华润热电有限公司、杭联热电有限公司、华电龙口发电有限公司等已安装使用各类超声波流量计的企业调研,通过对现场调研中用户评价、安装条件、现场适应性及设备稳定性等多方面因素的充分考虑,最终确定超声波时差法作为本次论证的流速测定方法。

(4) 开展实验研究工作,组织方法验证

 

20158月至201510月,标准编制小组组织参与本项目的监测单位和仪器厂家,召开课题讨论会,针对标准内容确定实验方案,对安装位置、测试工况、测定点位、比对方法、结果计算等各个环节内容进行充分讨论研究,明确了该方法的技术路线和适用范围,在此基础上编写方法标准草案和编制说明。

(5) 方法验证结果比对分析,编制方法标准及编制说明初稿


201512月至20169 确定首批现场安装验证场地为济南东新热电厂和中石化济南分公司,其中东新热电厂作为低流速验证现场,中石化济南分公司作为高流速验证现场,并依据验证方案开展验证工作。

201610月,标准编制小组对实验验证结果进行汇总、整理与分析, 根据验证结果,编制方法标准的征求意见稿和编制说明初稿。

20171月召开专家论证会议,根据专家提出的意见和建议,及时对编制工作进度和安排做出了调整和完善,并进行了补充验证试验。

20173月份确定增加华电龙口电厂作为补充验证场地,并组织验证单位现场验证。由于龙口电厂机组改造及停机检修等因素,实际现场验证工作于20178月开展。

20178月至9月完成现场验证工作,汇总分析数据并编写方法标准征求意见稿和编制说明,在召开专家座谈会后,形成送审稿计划9月底提交。


 

 

标准制订的必要性分析

 

2.1 相关环保标准和环保工作的需要

 

经济社会的迅速发展,为环境保护工作带来更大的压力和更高的要求。为改善大气环境的质量,切实解决影响科学发展和损害群众健康的突出环境问题,努力改善环境质量,防范环境风险,国家对污染物排放逐步实施了节能减排、排污收费和总量控制等一系列方针。根据环境保护和总量控制工作需要,要有效管理企业排污和对企业进行排污收费, 确保排放控制指标的顺利实现,一方面要从技术和控制手段上减少污染气体的排放,另一方面要保证监测数据的准确可靠,因此需要我们对现有监测技术进行不断研究和改进。其中烟气流速是确定排污企业污染物排放总量的重要参数,烟气流速的测定为排污收费和总量控制计划的实施提供数据基础,同时固定污染源烟气流速的准确测定,也是自动在线监测数据真实反应企业主要污染物排放情况的重要前提。

当前我国固定污染源烟气监测标准,有GB/T 16157《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》、HJ/T 76《固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法试行》、HJ/T 373《固定污染源监测质量保证与质量控制技术规范试行》、HJ/T 397《固定源废气监测技术规范》等;烟气流速测定的标准方法均采用皮托管法,适用条件为流速大于4.5m/s的烟气。其中,标准型皮托管法适用于测量较清洁的排气。而我省固定污染源企业特别是兼顾冬季供暖的企业在非采暖期运行负荷较低,废气排放流速大都小于5m/s。表1为济南市省控烟气固定污染源的流速分布情况,共51个省控烟气监控站点参与统计,其中烟气流速小于5m/s的站点数量占统计站点数量的一半以上,且70%

上为热电企业站点;此外烟气经过脱硝、湿法脱硫、湿法除尘等治污设


施后,排放烟气温度低、湿度大,对测定方法要求更高。低流速下流量不准确是导致我省污染源自动监测数据利用率不高的重要制约因素,严重影响对废气排放企业排污量统计的准确性,导致在对企业排污费征收时仍需依靠物料衡算的方式计算企业污染物排放量。另外,国内针对低流速下烟气的流量测定方法一直未出台,介于以上原因,寻找并制定适用于我省固定污染源烟气流速测定的方法,并出台省级规范标准对指导我省固定污染源流速的准确测量具有重要现实意义。

1 济南市省控烟气固定污染源流速情况

 

 

流速范围(m/s

 

站点个数

占统计数量的百分比

 

涉及行业

<5

26

51%

19个热电企业,其余为化工及水泥

5~10

8

15.7%

5个热电企业,其余为化工

>10

17

33.3%

4个热电企业,其余为化工、水泥及垃圾焚烧

 

2.2 烟气流速在线连续监测现状及存在问题

 

通常情况下皮托管是和微压力传感器联用进行流速测定的,由传感器将压差信号转化为电信号输出。而当前最灵敏的微压力传感器其精度仅为1m/s(换算成标准状态下的空气流速约为1.25m/s),因此皮托管无法准确测定低于此速度的烟气流速。考虑到自身测量误差,皮托管法的推荐最低测定风速为4m/s。因此皮托管压差法流速测量技术需要解决的是在线校准问题、低流速(<5m/s)时准确度问题、直管段不能充分满足要求的情况下如何客观反映现实的问题。

调研发现,在实际应用中国外气体超声波流量计的发展和应用早已有了长足进步,天然气行业的国际化发展更推进了超声波流量计在气体流速方面的应用。超声波流量计以及已应用于测定大气风速等行业的光


闪烁法,在国内外烟气自动在线监测中也得到了逐步应用,特别是超声波流量计在国内的应用越来越广泛。超声波视差法流量计采用非接触式安装方式,这种非接触式在线连续线测量式的测量方法,有效避免了含湿、含尘环境以及气流湍流等因素对流速测定造成的不利影响,在原理上测定低流速烟气具有可行性。但是目前国内至今没有出台适用于低流速下流量测量的标准方法,超声波法、光闪烁法等流量计虽然已开始应用,但在低流速下其准确性校核仍采用传统的皮托管法进行手工比对, 不够严谨,其在烟气自动在线监测中的适用性和准确性未得到充分验证。本标准方法的目的在于为准确测量不同流速条件下烟气的流量提供一种标准方法。


 

 

国内外相关监测方法及标准研究

 

3.1 国内外流速监测方法及应用情况

 

国内外主要烟气流速测量方法如表2所示。

 

2  流速测量技术

 

测量方法

仪器或传感器

测量方式

 

压差传感器法

微压差计、皮托管

 

微压差计、平均压差皮托管

在线连续点测量

 

在线连续线测量

热传感器法

热传感器

在线连续点测量

声速测量法

超声波/声波传感器

在线连续线测量

力矩转换法

靶式流量计

在线连续点测量

光闪烁法

光学测速仪

在线连续线测量

红外线法

红外传感器

在线连续点测量

注: 点测量:在烟道或管道某一点上或沿着等于或小于断面直径10%的路径上的测定; 线测量:沿着大于管道和烟道断面直径10%的路径上的测定。

 

在工业锅炉烟道高温、含湿、含尘等恶劣环境中,热传感器法受水分影响,附着在传感器上的水滴蒸发带走热量造成的损失被误认为是气流带走的热损失,结果导致测量流量偏高,且热传感系统易腐蚀和粘附微粒,严重影响仪器的响应灵敏度和测量精度。

靶式流量计在流速较低时,需要增加靶板面积以增大其作用力使传感器达到响应应变。由于流量计测定的是平均流速,若靶板面积过大, 其上各点的速度梯度可能很大,从而影响测量精度。


红外线法采用数学技术测定烟气运动形成涡流的飞行时间,方法已经成功,但没有足够的数据评价这种技术的可行性,所以其适用性受到限制。

皮托管法因结构简单、成本低、坚固耐用、测速准确一直被作为标准监测方法被广泛使用,但皮托管法对安装位置和气流条件要求较高, 其测量结果受很多测量因素影响:被测介质的物性参数如压缩性、压力损失等;皮托管的设计安装如全压孔大小、静压孔位置等。尤其是在排放流速低于4.5m/s时,皮托管法不再适用。

光闪烁法利用烟气涡流温差变化改变对光的折射率,从而引起光波相位变化和光强度的闪烁,光学仪对这种闪动进行测量并推算气体流速,该过程无需参考声速、光速或压力等其他物理量,不受介质成分、温度、压力、相对湿度和不透明度等等因素影响,测量精度较高。

超声波流速测量仪器为跨烟道或跨烟囱测量系统,为非接触式测量,与插入式测量探头相比不易收到气体的腐蚀和颗粒物的玷污影响, 该技术能测量低至0.03m/s的气体流速。

3 波法、光源烟对比

 

方法

经济成本

安装要求

维护便利性

测定类型

皮托管法

初期投入低

 

后期维护高

安装位置要求高

 

安装简便

维护频率高、成本高

点速度

超声波法

初期投入中等

 

后期维护少

安装位置要求低

 

安装难度大

维护频率低、成本低

线平均速度

光闪烁法

初期投入较高

 

后期维护少

安装位置要求低

 

安装简便

维护频率低、成本低

线平均速度


皮托管法、超声波法、光闪烁法在固定污染源烟气流速测定中的应用情况对比如表3所示,其中超声波法对穿式流量计安装时需要搭建上下两个监测平台,监测孔需要根据安装角度呈倾斜状开孔,对施工要求较高;此外声道角要求在30~60°之间,当烟囱或烟道直径较大时,监测平台的高度跨度较大。但超声波法及光闪烁法安装、调试运行后,基本无需进行人工维护,大大节省了人工和时间成本;且超声波法及光闪烁法测定结果为线平均流速,更具有代表性。

3.2 国内外相关标准研究

 

国内外皆对固定污染源烟气流速测量制定了相关的规定,国际、欧盟、美国及国内涉及烟气流速测量依据标准如下:

1Stationary source emissions — Measurement of velocity and volume of gas streams in ducts .ISO 10780-1994

译文:固定源排放——管道气流流速及流量测量(ISO 10780-1994

 

2 Stationary source emissions—Determination of mass concentration of particulate matter at low concentrations—manual gravimetric method. (ISO 12141-2002)

译文:固定源排放——低浓度时颗粒物(粉尘质量浓度的测定—— 手工重量分析法ISO 12141-2002

(3) Stationary source emissions—Manual determination of mass concentration of particulate matter. ( ISO 9096-2003)

译文: 固定源排放—— 颗粒物质量浓度的手工测定 ISO 9096-2003


(4) Stationary source emissions—Determination of low range mass concentration of dust—Part 1: Manual gravimetric method. (EN 13284-1-2001)

译文:固定源排放——低浓度粉尘测定——1部分:手工重量分析法(EN 13284-1-2001

(5) Standard Test Method for Average Velocity in a Duct (Pitot Tube Method). (ASTM D3154-2000)

译文:导管中平均速度的标准试验方法(皮托管法)( ASTM D3154-2000

(6) 固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法 GB/T 16157-1996

(7) )固定污染源烟气排放连续监测技术规范(试行)( HJ/T 75-2007

(8) 固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法行)(HJ/T 76-2007

(9) 固定污染源监测质量保证与质量控制技术规范试行HJ/T 373

(10) 固定源废气监测技术规范HJ/T 397-2007

 

以上标准均采用皮托管法作为流速测量的标准方法。当皮托管应用于烟气自动在线连续监测时,由于皮托管监测烟气流速的测量范围为5-35m/s,因此安装选点时应考虑所处位置的烟气流速大于5m/s,且应优先选择在垂直管段,避开烟道弯头和断面急剧变化的部位,设置在距弯头、阀门、变径管下游方向不小于6倍直径和距上述部件上游方向不


小于3倍直径处。此外,还应根据烟道情况满足GB/T 16157-19964.2.4

关于采样点位置和数目的要求。

 

超声波或光闪烁法等非接触式测量方式,测量对直管段没有要求, 且测量不受介质物理性质、管道形状尺寸影响,无移动部件、无压损, 安装简单且不需实流校验。具备连续自诊断系统性能的设备平均无故障间隔时间可达5-10年,维护量低。此外,测量速度为过中心轴线的线平均速度,更具代表性。因此,这类低流速下仍可保持高响应性、高精密度的流速测定方法,亟需相应标准对该方法进行验证和规范化,以促进该方法在烟气流速连续测定中的规范化使用。这两种方法在技术原理上完全满足本项目要求,但受工作量限制本次仅把超声波法作为现场验证的主要方法


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