NIST設(shè)計(jì)了兩種新的皮托管探頭（左和中），一個的傳感表面為圓錐形，另一個的表面為半球形。探針有五個孔或端口。比較在五個端口中每個端口獲得的壓力讀數(shù)，技術(shù)人員可以計(jì)算流速。一種較舊的皮托管，稱為S探針（右），有兩個面向相反方向的端口。圖片來源：NIST

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員與業(yè)界合作，完成了首次現(xiàn)實(shí)世界的測試，以測試一種可能改進(jìn)的方法來測量燃煤電廠煙囪排放。研究人員本周在葡萄牙里斯本舉行的2019年國際流量測量會議（FLOMEKO）上介紹了他們的工作。

每年，為了滿足環(huán)境保護(hù)署（EPA）設(shè)定的要求，燃煤發(fā)電廠必須對其煙囪排放物進(jìn)行審核，或由獨(dú)立的第三方進(jìn)行檢查。NIST的研究人員希望更快地進(jìn)行此測試，以在審核過程中為工廠節(jié)省資金，同時還提高了傳感器的準(zhǔn)確性。因此，研究人員說，NIST團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了用于探測排放流速的新探頭和新的測量方法，該方法有可能將現(xiàn)場審核速度提高10倍。

NIST工程師亞倫·約翰遜（Aaron Johnson）說，實(shí)地調(diào)查的結(jié)果是“有希望的”，并且與實(shí)驗(yàn)室的發(fā)現(xiàn)合理吻合�！拔覀兏械襟@訝；與EPA記錄在案的“最佳實(shí)踐”方法相比，它表現(xiàn)出色�！�

為了監(jiān)控燃煤電廠的排放，技術(shù)人員需要測量煙囪中煙氣的排放速率。煙囪內(nèi)部的氣流包含渦流和漩渦，但通常向上傳播。在NIST測試中，將四個探針（稱為皮托管）水平插入煙囪中。

四個探頭分別在四個不同的點(diǎn)進(jìn)行流量測量，總共進(jìn)行16次測量。利用這些信息，NIST的科學(xué)家可以測試新型皮托管設(shè)計(jì)和測量方法的精度和準(zhǔn)確性。

NIST與電力研究所（EPRI）開展了這項(xiàng)研究，作為合作研究與開發(fā)協(xié)議（CRADA）的一部分，該研究所是一個獨(dú)立的非營利性組織，其成員包括電力公司，企業(yè)和政府機(jī)構(gòu)。

EPRI計(jì)劃經(jīng)理湯姆·馬茨（Tom Martz）說：“通過改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)來更精確地測量排放量，燃煤發(fā)電機(jī)組可能會受益于NIST的當(dāng)前工作，” 他補(bǔ)充說，潛在的時間節(jié)省“目前尚無法準(zhǔn)確量化，但這將是未來工作的關(guān)鍵目標(biāo)。”

最終目標(biāo)是提供研究，使EPA有一天可能發(fā)展成為煙囪排放物校準(zhǔn)的新標(biāo)準(zhǔn)。

約翰遜說：“工業(yè)上的優(yōu)勢在于，它將減少測試時間和成本，并有可能變得更加精確”。

但是，即使EPA沒有制定新標(biāo)準(zhǔn)，這項(xiàng)工作也可以通過為發(fā)電廠公司提供更多管理排放測試的選擇來為行業(yè)帶來好處。約翰遜說：“我們的目標(biāo)是使它成為EPA標(biāo)準(zhǔn)�！� “但是，仍然由行業(yè)成員來決定是否要使用它�！�

燃煤電廠的煙囪配備了可連續(xù)測量煙氣排放濃度（包括二氧化碳，汞，二氧化硫和氮氧化物）以及煙氣流量的監(jiān)測器。根據(jù)聯(lián)邦法律，在年度審核期間，需要對內(nèi)置流量傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)（即檢查準(zhǔn)確性）。

為了進(jìn)行年度校準(zhǔn)，審核員使用稱為皮托管的小型便攜式設(shè)備。審核技術(shù)人員爬上煙囪（通常高幾十米（幾百英尺）），然后將皮托管探頭水平插入煙道中的氣體中。他們在煙囪橫截面的各個點(diǎn)處對流量進(jìn)行多次讀取，這些橫截面的直徑通常為7或8米（25英尺）。

迄今為止，用于這項(xiàng)工作的最常見的傳感器是“ S探針”。它有兩個孔或端口。一個端口直接面對氣流，并檢測管道中累積的壓力。另一個端口面向相反的方向。流量越快，兩個端口之間的壓力差就越大；測量壓力差可以使審核員計(jì)算出流速。

S-probes不需要校準(zhǔn)，但是每次測量可能要花費(fèi)幾分鐘，因?yàn)榧夹g(shù)人員必須手動旋轉(zhuǎn)傳感器，直到一側(cè)直接面對流。這很復(fù)雜，因?yàn)樵跍y試點(diǎn)流不一定直接向上流動。在煙囪的底部，煙氣通常繞著一個急劇的彎道行進(jìn)，這會產(chǎn)生復(fù)雜的渦流和漩渦，即使在高煙囪中也不會消失。

使用S-probes的工作量很大，以至于現(xiàn)場年度校準(zhǔn)可能需要一天或更長的時間才能完成。約翰遜說：“而且，在審計(jì)師一直在的時候，發(fā)電廠一直在虧損，所以他們希望技術(shù)人員盡快進(jìn)出�！�

為了加快這一過程，NIST的科學(xué)家進(jìn)行了三項(xiàng)創(chuàng)新。首先，他們創(chuàng)建了兩種新型皮托管，它們的孔數(shù)由原來的兩個改為五個，比S型探針更好，并且可能比目前使用的其他五孔皮托管更具優(yōu)勢。

由NIST物理學(xué)家Iosif Shinder設(shè)計(jì)的探頭有兩種形狀：半球形和圓錐形。

其次，科學(xué)家為他們的新傳感器開發(fā)了一種校準(zhǔn)方案，該方案不需要技術(shù)人員旋轉(zhuǎn)煙囪內(nèi)的探頭來為每次測量找到真正的氣流方向。因此，盡管在使用前必須對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，但是在實(shí)際審核期間它們將花費(fèi)更少的時間。

第三，NIST的Jim Filla開發(fā)的軟件與市售的自動化系統(tǒng)兼容，可以實(shí)時測量流量。

NIST的Joey Boyd（左）和Aaron Johnson在發(fā)電廠進(jìn)行了新傳感器的測試。平臺使他們可以進(jìn)入煙囪，該平臺位于地面上方約45米處。圖片來源：Tom Martz / EPRI

到目前為止，僅在NIST的測試機(jī)構(gòu)（包括比例模型煙囪模擬器和風(fēng)洞）中測量了新探針的性能。但是NIST的實(shí)驗(yàn)室無法復(fù)制真實(shí)發(fā)電廠的所有方面，例如煙囪中的煙塵。

約翰遜說：“在我們的風(fēng)洞中對其進(jìn)行測試是一回事。” “這是另一個準(zhǔn)備在120華氏度的堆棧中對其進(jìn)行測試的方法�！�

第一次現(xiàn)場運(yùn)行于2018年7月在天然氣廠進(jìn)行，該廠的流量相對容易測量。

第二次是在2018年9月，在一個燃煤電廠中進(jìn)行的，流程特別復(fù)雜。

這家燃煤電廠有一個封閉的平臺，皮托管被插入煙囪。但是天然氣工廠的平臺是開放的。NIST技術(shù)員喬伊·博伊德（Joey Boyd）說，在大約45米（145英尺）的空中，“事情動搖了”�！爱�(dāng)您在工作時，堆棧在搖擺，而您下面的地板在移動�！�

當(dāng)NIST研究人員分析數(shù)據(jù)時，他們的結(jié)果令人鼓舞，同意其實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)在2％以內(nèi)。

約翰遜說：“這些探針在煙囪中的性能與在NIST的測試設(shè)施中一樣好�！�

未來的現(xiàn)場測試將幫助研究人員解決他們遇到的最大問題：傳感器堵塞，皮托管的端口被水和顆粒物粘住，必須沖洗才能繼續(xù)測試。

同樣，這項(xiàng)工作告訴他們，每次發(fā)生“吹掃-通過皮托管探頭高壓吹入空氣，如果某些閥門沒有關(guān)閉，可能會損壞設(shè)備的關(guān)鍵部件，則需要為設(shè)備編寫特殊的軟件信號”。