NIST præsenterer den første test i den virkelige verden af ​​nye designs til røggasemissioner

I samarbejde med industrien forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har gennemført den første test i den virkelige verden af ​​en potentielt forbedret måde at måle røgstøvemissioner i kulfyrede kraftværker. Forskerne præsenterer deres arbejde i denne uge på International Flow Measurement Conference (FLOMEKO) i 2019 i Lissabon, Portugal.

Hvert år, for at opfylde krav fra Environmental Protection Agency (EPA), kulfyrede kraftværker skal have deres røgstaldemissioner revideret, eller kontrolleret af en uafhængig tredjepart. NIST -forskere ønskede at gøre denne test hurtigere for at spare planterne penge under deres audits, samtidig med at sensorenes nøjagtighed forbedres. Så, et NIST-team har designet nye sonder til at registrere emissionsstrømningshastigheder og en ny målemetode, der potentielt kan fremskynde audits på stedet med en faktor 10, siger forskere.

Feltarbejderesultaterne var "lovende, "sagde NIST -ingeniøren Aaron Johnson, og var i rimelig overensstemmelse med laboratoriefundene. "Vi blev overraskede; det klarede sig ganske godt i forhold til, hvad ØPA har på sine bøger som sin" bedste praksis "-metode."

For at overvåge emissioner fra kulfyrede kraftværker, teknikere skal måle den hastighed, hvormed røggas udsendes fra røgstakken. Strømmen inde i røgstakken indeholder hvirvler og hvirvler, men bevæger sig generelt opad. I NIST -testene fire sonder - kaldet pitotrør - indsættes vandret i røgstakken.

De fire prober foretager hver en flowmåling på fire forskellige steder, til i alt 16 målinger. Med disse oplysninger, NIST -forskere kunne teste præcisionen og nøjagtigheden af ​​et nyt pitotrørs design og målemetode.

NIST udførte dette arbejde som led i en kooperativ forsknings- og udviklingsaftale (CRADA) med Electric Power Research Institute (EPRI), en uafhængig almennyttig organisation, hvis medlemmer omfatter el -virksomheder, virksomheder og offentlige instanser.

"Kulfyrede elektriske generatorer kan drage fordel af det nuværende NIST-arbejde ved at have forbedrede standarder og teknikker til at måle masseemissioner mere præcist, med øget tillid til, at alle enheder rapporterer ensartet, "sagde EPRI -programchef Tom Martz. Han tilføjede, at de potentielle tidsbesparelser" ikke er noget, vi kan præcist kvantificere på nuværende tidspunkt, men dette vil være et centralt mål for det fremtidige arbejde. "

Det endelige mål er at levere forskning, som EPA en dag kan udvikle til en ny standard for kalibrering af røgstøvemissioner.

"Fordelene for industrien er, at det vil reducere testtid og omkostninger og have potentiale til at være mere præcise" end nuværende industristandardprober, Sagde Johnson.

Selvom ØPA ikke skaber en ny standard, imidlertid, arbejdet kan have fordele for industrien ved at give kraftværksselskaber flere valgmuligheder til styring af deres emissionstest. "Vores mål er at få det skrevet som en EPA -standard, "Johnson sagde." Men det er stadig op til branchens medlemmer at beslutte, om de vil bruge det. "

Følg strømmen

Røgstokke på kulkraftværker er udstyret med skærme, der løbende måler koncentrationen af ​​røggasemissioner, som omfatter kuldioxid, kviksølv, svovldioxid og nitrogenoxider, samt røggasens strømningshastighed. Efter føderal lov, de indbyggede flowhastighedssensorer skal kalibreres-det vil sige kontrolleret for nøjagtighed - under den årlige revision.

For at udføre den årlige kalibrering, revisorer bruger små bærbare enheder kaldet pitotrør. Revisionsteknikerne klatrer op i stakken - normalt flere dusin meter (hundredvis af fod) høje - og sætter deres pitotprober vandret ind i gasserne, der vender sig op ad røgstokken. De tager flere aflæsninger af strømmen på forskellige punkter inden for et tværsnit af stakken, som typisk er 7 eller 8 meter (25 fod) i diameter.

Langt den mest almindelige slags sensor, der bruges til dette arbejde, er en "S-probe". Den har to huller, eller havne. Den ene port vender direkte ind i gasstrømmen og registrerer det tryk, der opbygges i røret. Den anden port vender modsat retning. Jo hurtigere strømning, jo større trykforskel mellem de to porte; måling af denne forskel i tryk giver revisorer mulighed for at beregne flowets hastighed.

S-prober kræver ikke kalibrering, men hver måling kan tage flere minutter, da teknikeren skal rotere sensoren manuelt, indtil den ene side vender direkte ind i strømmen. Dette er kompliceret, fordi strømmen ikke nødvendigvis bevæger sig direkte opad på det punkt, der testes. I bunden af ​​stakken, røggas bevæger sig normalt omkring en skarp bøjning, hvilket skaber komplicerede hvirvler og hvirvler, der ikke forsvinder, selv i høje røgstokke.

Brug af S-prober er så arbejdskrævende, at en årlig kalibrering på stedet kan tage et døgn eller mere at gennemføre. "Og kraftværket taber penge hele tiden, revisorerne er der, så de vil have teknikerne ind og ud så hurtigt som muligt, "Sagde Johnson.

For at fremskynde denne proces, NIST -forskerne har lavet tre innovationer. Først, de har skabt to nye modeller af pitotrør, med fem huller i stedet for to, som klarer sig bedre end S-sonder og kan tilbyde fordele i forhold til andre modeller med fem huller af pitotrør, der i øjeblikket er i brug.

Proberne, designet af NIST -fysikeren Iosif Shinder, findes i to former:halvkugleformet og konisk.

Sekund, forskerne har udviklet et kalibreringsskema til deres nye sensorer, der ikke kræver, at en tekniker roterer sonden inde i en røgstak for at finde den sande retning af strømmen for hver måling. Så, selvom sensorerne skulle kalibreres før brug, de ville tage meget mindre tid at bruge under en egentlig revision.

Tredje, NIST's Jim Filla udviklede software, der er kompatibel med et kommercielt tilgængeligt automatiseret system til måling af flow i realtid.

Den rigtige aftale

Indtil nu, de nye sonderes ydeevne var kun blevet målt på NISTs testfacilitet, som inkluderer en skala-model røgstacksimulator og en vindtunnel. Men NISTs laboratorier kan ikke kopiere alle aspekter af et rigtigt kraftværk, såsom tilstedeværelsen af ​​sod i røgstakkens strømning.

"Det er en ting at teste det i vores vindtunnel, "Johnson sagde." Det er en anden at forberede sig på at teste den i en stak, der er 120 grader F. "

Det første feltløb, i juli 2018, fandt sted på et naturgasanlæg, hvor flow er relativt ligetil at måle.

Sekundet, i september 2018, blev udført på et kulfyret kraftværk med en særlig kompliceret strømning.

Det kulfyrede anlæg havde en lukket platform, hvor pitotrørene blev indsat i røgstakken. Men naturgasanlæggets platform var åben for elementerne. Og cirka 45 meter (145 fod) i luften, "ting ryster, "sagde NIST -tekniker Joey Boyd." Mens du arbejder, stakken svajer, og gulvet under dig bevæger sig. "

Da NIST -forskere analyserede dataene, deres resultater var lovende, accepterer inden for 2% med deres laboratoriefund.

"Proberne klarede sig lige godt i røgstakken, som de gjorde på NISTs testfacilitet, "Sagde Johnson.

Fremtidige felttest vil hjælpe forskerne med at løse det største problem, de havde:tilstopning af sensorer, hvor pitotrørens porte gummes op med vand og partikler og skal skylles, før en test kan fortsætte.

Også, arbejdet lærte dem, at de havde brug for at skrive særlig softwarsignalering til deres udstyr, hver gang der var en "udrensning-et højtryksblæsning af luft gennem pitotproben, der kunne beskadige en vigtig del af apparatet, hvis visse ventiler ikke blev lukket i tide .