煙道流量計量標(biāo)準(zhǔn)裝置的設(shè)計研究

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

1 引 言

為了加強大氣污染物治理，減少污染物排放，國家于 2018 年起正式施行《環(huán)境保護稅》，企業(yè)應(yīng)按照其污染物排放量進行繳稅，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)測需要測量煙氣中污染物濃度和煙道流量，濃度測量儀器可以使用標(biāo)準(zhǔn)氣體進行在線校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后儀器測量不確定度約為 1% ～ 5% 。煙道流量測量由于煙道口徑大、流動復(fù)雜、湍流度高等因素，并且缺乏流量溯源體系，測量不確定度通常為 3% ～ 50% ，極端情況能夠超過50%。

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

為了提高煙道流量的測量準(zhǔn)確度，建立煙道流量量值溯源體系，2015 年美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院( NIST) 搭建了煙道流量實驗室計量標(biāo)準(zhǔn)裝置，裝置使用常壓空氣作為介質(zhì)模擬煙道流動條件，用于研究現(xiàn)場煙道流量的校準(zhǔn)方法和高準(zhǔn)確度測量方法。該裝置以 DN900 口徑的 8 聲道超聲流量計為標(biāo)準(zhǔn)器，借助 CECCI 校準(zhǔn)實驗室的超大口徑氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對其進行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)時使用可溯源至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)。裝置非常大流量達到 105800 m3 /h，擴展不確定度為 0． 58% ( k = 2) 。

中國計量科學(xué)研究院( NIM) 通過兩級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量標(biāo)準(zhǔn)裝置，實現(xiàn)了 100 000 m3 /h 的流量校準(zhǔn)能力，然后研制了現(xiàn)場煙道流量計量裝置，現(xiàn)場裝置通過在標(biāo)準(zhǔn)裝置上進行校準(zhǔn)和測量驗證后，在現(xiàn)場對煙道流量計進行校準(zhǔn)，實現(xiàn) 10 000 000 m3 /h的校準(zhǔn)能力。煙道流量計量標(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)對常壓大口徑流量計的校準(zhǔn)。裝置流量范圍為 908 ～ 104 840 m3 / h，裝置測量擴展不確定度為 0． 62% ( k = 2) 。

2 裝置構(gòu)成

煙道流量計量標(biāo)準(zhǔn)裝置是現(xiàn)場煙道的縮尺模型，經(jīng)評估，裝置測試段口徑需要達到 1 m 才能模擬現(xiàn)場煙道內(nèi)流速脈動的條件，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到 100 000 m3 /h。裝置可以分為參考段、測試段和變頻風(fēng)機，由于實驗室場地條件的限制，裝置設(shè)計為 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，包括激光多普勒測速儀( laser Doppler velocimeter，LDV) 原級標(biāo)準(zhǔn)和 8 聲道超聲流量計工作級標(biāo)準(zhǔn) 2 部分，為被測流量計提供標(biāo)準(zhǔn)流量值。擴張段用于連接參考段和測試段，為了避免轉(zhuǎn)彎造成的不對稱流場，采用了擴張口徑并收縮整流的方式保證流場品質(zhì)［5，6］。測試段尺寸分為 DN1000、DN700 的圓形管道和 0．7 m × 1 m 的矩形管道，可以安裝不同測量原理的流量計進行測試。在測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條件，用于評估流量計在復(fù)雜流場中的測量性能。由于皮托管是我國非常主要的煙氣流量計形式，因此在測試段設(shè)計并搭建了皮托管自動定位系統(tǒng)，用于研究皮托管速度面積測量方法。裝置使用變頻風(fēng)機改變裝置內(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)超聲流量計進行反饋，進行 PID 控制。

2． 1 裝置參考段

2． 1． 1 原級流量標(biāo)準(zhǔn)

NIM 研制的 pVTt 法國家氣體流量基準(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)計量機構(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 量 傳 的 方 式 達 到100 000 m3 /h 的 非常 大 流 量，裝 置 能 耗 將 超 過1 000kW，造價高且噪音大。因此裝置采用了 LDV流速剖面測量和超聲流量計測量流量波動修正相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了在較低功耗下測量 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，從而實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)流量的量值溯源。

LDV 測量的是示蹤粒子的速度。當(dāng)示蹤粒子通過 LDV 的測量體時會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)開鑿了多個等距小孔，產(chǎn)生的粒子經(jīng)由小孔流出后會均勻分布于噴口前方，進入風(fēng)洞后可均勻擴散到 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 在管道邊壁測量到的粒子數(shù)量由原來的 1 min 小于 20 個提升到1 min超過 400 個，有效提升了 LDV 在管道邊壁測量的效率和數(shù)據(jù)可靠性。

在使用 LDV 進行標(biāo)準(zhǔn)流量測量時，將圓形管段截面分成若干個等距圓環(huán)。

測量圓環(huán)與一條直徑交點處的流速，以圓環(huán)內(nèi)外邊界與直徑交點處的流速平均值作為此圓環(huán)的平均流速。對于中心的圓形，以圓形與直徑交點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算出整個截面的流量:式中: Ai 為第 i 個等距圓環(huán)面積; Vi 為第 i 個等距圓環(huán)平均流速。 在 LDV 逐點掃描過程中，裝置流量具有一定的波動性，需要對其進行修正。使用 8 聲道超聲流量計測量 LDV 單點測量時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流量波動修正系數(shù)，用于修正在 LDV 逐點掃描過程中因流量波動引起的測量結(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 LDV 標(biāo)準(zhǔn)段管道進行準(zhǔn)確測量。使用經(jīng)過檢定的三坐標(biāo)測量臂測量得到管道半徑為397． 234 mm，可計算出管道截面面積為 0． 496 m2。 2． 1． 2 8 聲道超聲流量計工作級標(biāo)準(zhǔn)超聲流量計具有非接觸測量，響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點，近年來在氣體流量測量領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。相比單聲道超聲流量計，多聲道超聲流量計能夠獲得更多管道內(nèi)流場信息，流量測量更加準(zhǔn)確［12 ～ 14］。煙道流量計量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用一臺 DN800 的 8 聲道超聲流量計作為工作級標(biāo)準(zhǔn)。

由于 LDV 采用逐點掃描方式進行測量，測量耗時長，而使用超聲流量計進行測量可得到實時流量值，方便快捷。因次使用超聲流量計作為工作級標(biāo)準(zhǔn)表，每隔 2 ～ 3 m 使用 LDV 對 8 聲道超聲流量計進行校準(zhǔn)。

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

由于皮托管是煙道流量計的主要形式，所以研制了圓形管道和矩形管道的皮托管自動定位測量系統(tǒng)，用以對其速度面積測量方法進行深入研究。使用皮托管測量煙道流量時，需要選擇測試點位置、數(shù)目和流量積分方法，皮托管自動定位測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同皮托管流量計的自動、快速、準(zhǔn)確測試，從而評價和優(yōu)化皮托管流量計的速度面積法測量準(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表體，測試不同聲道布置方式、積分方法和聲道數(shù)量對測量結(jié)果的影響。同時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條件的煙道超聲流量計測量方法。

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

2． 3 變頻風(fēng)機

裝置使用了 2 臺軸流風(fēng)機產(chǎn)生流動，使用一臺變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)流速的改變。相比離心風(fēng)機，軸流風(fēng)機產(chǎn)生的流場更為均勻，流場品質(zhì)好。單個風(fēng)機非常大流量為 54 000 m3 /h，雙風(fēng)機串聯(lián)后非常大流量達到了 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 型皮托管流速測量值或超聲流量計流量測量值作為反饋，使用 PID 控制對風(fēng)機轉(zhuǎn)動頻率進行調(diào)節(jié)，從而實現(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 聲道超聲流量計標(biāo)準(zhǔn)表裝置不確定度

裝置使用 8 聲道超聲流量計作為工作級標(biāo)準(zhǔn)，其流量測量不確定度由 LDV 原級標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度，超聲流量計測量結(jié)果重復(fù)性，以及溫壓修正原級標(biāo)準(zhǔn)與工作級標(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)明的不確定度和測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差組合而成。經(jīng)測試，超聲流量計標(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

為滿足我國對大口徑煙氣流量計的量值溯源需求，NIM 建立了煙道流量計量標(biāo)準(zhǔn)裝置。裝置采用LDV 流速剖面掃描和超聲流量計流速波動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 聲道超聲流量計作為工作級標(biāo)準(zhǔn)器。裝置測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。為了模擬現(xiàn)場真實流場條件，可以在測試段安裝不同的渦旋發(fā)生器來產(chǎn)生多種流場條件，用于評估在復(fù)雜流場中被測流量計的測量準(zhǔn)確度。因為皮托管流量計是我國煙道流量計的非常常見形式，研制了皮托管自動定位測量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)皮托管的快速、準(zhǔn)確、自動測量，用于研究皮托管速度面積測量方法。裝置采用串聯(lián)的兩臺軸流風(fēng)機調(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反饋流量大小，實現(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，擴展不確定度為 0． 62% ( k = 2) 。