I samarbete med industrin, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har genomfört det första verkliga testet av ett potentiellt förbättrat sätt att mäta rökutsläpp i kolkraftverk. Forskarna presenterar sitt arbete den här veckan vid 2019 International Flow Measurement Conference (FLOMEKO) i Lissabon, Portugal.

Varje år, för att uppfylla kraven från Environmental Protection Agency (EPA), koleldade kraftverk måste få sina rökutsläpp granskade, eller kontrolleras av en oberoende tredje part. NIST -forskare ville göra detta test snabbare för att spara växterna pengar under sina granskningar, samtidigt som sensornas noggrannhet förbättras. Så, ett NIST-team har utformat nya sonder för att avkänna utsläppsflöden och en ny mätmetod som potentiellt kan påskynda revisioner på plats med en faktor 10, säger forskare.

Fältarbetets resultat var "lovande, "sade NIST -ingenjören Aaron Johnson, och var i rimlig överensstämmelse med laboratoriefynden. "Vi blev förvånade; det gick ganska bra jämfört med vad EPA har på sina böcker som sin" bästa praxis "-metod."

För att övervaka utsläpp från kolkraftverk, tekniker måste mäta den hastighet med vilken rökgas släpps ut från rökstacken. Flödet inuti rökstacken innehåller virvlar och virvlar men rör sig i allmänhet uppåt. I NIST -testerna, fyra sonder (kallade pitotrör) sätts in horisontellt i rökstacken.

De fyra sonderna tar var och en flödesmätning på fyra olika platser, för totalt 16 mätningar. Med denna information, NIST -forskare kan testa precisionen och noggrannheten hos en ny pitotrörsdesign och mätmetod.

NIST genomförde detta arbete som en del av ett kooperativt forsknings- och utvecklingsavtal (CRADA) med Electric Power Research Institute (EPRI), en oberoende ideell organisation vars medlemmar inkluderar elföretag, företag och statliga myndigheter.

"Koleldade elektriska generatorer kan dra nytta av det nuvarande NIST-arbetet genom att ha förbättrade standarder och tekniker för att mäta massutsläpp mer exakt, med ökat förtroende för att alla enheter rapporterar på en enhetlig grund, "sa EPRI -programchefen Tom Martz. Han tillade att de potentiella tidsbesparingarna" inte är något vi exakt kan kvantifiera just nu, men detta kommer att vara en viktig målsättning för framtida arbete. "

Det slutgiltiga målet är att tillhandahålla forskning som EPA kan komma att utvecklas till en ny standard för kalibrering av rökutsläpp.

"Fördelarna för industrin är att det kommer att minska testtid och kostnad och har potential att vara mer exakt" än nuvarande branschstandardprober, Sa Johnson.

Även om EPA inte skapar en ny standard, dock, arbetet kan ha fördelar för industrin genom att ge kraftverksföretag fler valmöjligheter för att hantera sina utsläppstester. "Vårt mål är att få det skrivet som en EPA -standard, "Johnson sa." Men det är fortfarande upp till branschmedlemmarna att avgöra om de vill använda den. "

Gå med strömmen

Rökstackar vid kolkraftverk är utrustade med bildskärmar som kontinuerligt mäter koncentrationen av rökgasutsläpp, som inkluderar koldioxid, kvicksilver, svaveldioxid och kväveoxider, samt flödeshastigheten för rökgasen. Enligt federal lag, de inbyggda flödeshastighetssensorerna måste kalibreras-det vill säga kontrollerad för riktighet - under den årliga granskningen.

För att utföra den årliga kalibreringen, revisorer använder små bärbara enheter som kallas pitotrör. Revisionsteknikerna klättrar upp stapeln - vanligtvis flera dussin meter (hundratals fot) höga - och sätter in sina pitotprober horisontellt i gaserna som tar sig upp i rökstacken. De tar flera avläsningar av flödet vid olika punkter inom ett tvärsnitt av stapeln, som vanligtvis är 7 eller 8 meter (25 fot) i diameter.

Den absolut vanligaste typen av sensorer som används för detta arbete är en "S-sond". Den har två hål, eller hamnar. En port vetter direkt in i gasflödet och detekterar trycket som byggs upp i röret. Den andra porten vetter motsatt riktning. Ju snabbare flöde, desto högre tryckskillnad mellan de två portarna; genom att mäta denna tryckskillnad kan revisorer beräkna flödets hastighet.

S-sonder kräver inte kalibrering, men varje mätning kan ta flera minuter, eftersom teknikern måste rotera sensorn manuellt tills ena sidan är vänd direkt in i flödet. Detta är komplicerat eftersom flödet inte nödvändigtvis rör sig direkt uppåt vid den punkt som testas. I bunten av stapeln, rökgas rör sig vanligtvis runt en skarp böj, vilket skapar komplicerade virvlar och virvlar som inte försvinner även i höga rökstackar.

Att använda S-prober är så arbetskrävande att en årlig kalibrering på plats kan ta en dag eller mer att slutföra. "Och kraftverket förlorar pengar hela tiden som revisorerna är där, så de vill att teknikerna ska komma in och ut så snabbt som möjligt, "Sa Johnson.

För att påskynda denna process, NIST -forskarna har gjort tre innovationer. Först, de har skapat två nya modeller av pitotrör, med fem hål istället för två, som fungerar bättre än S-sonder och kan erbjuda fördelar jämfört med andra femhålsmodeller av pitotrör som för närvarande används.

Sonderna, designad av NIST -fysikern Iosif Shinder, finns i två former:halvklotformad och konisk.

Andra, forskarna har utvecklat ett kalibreringsschema för sina nya sensorer som inte kräver att en tekniker roterar sonden inuti ett rökstack för att hitta den riktiga flödesriktningen för varje mätning. Så, även om sensorerna måste kalibreras före användning, de skulle ta mycket mindre tid att använda under en faktisk revision.

Tredje, NIST:s Jim Filla utvecklade programvara som är kompatibel med ett kommersiellt tillgängligt automatiserat system för att mäta flöde i realtid.

Den äkta varan

Tills nu, de nya sondernas prestanda hade endast mätts vid NIST:s testanläggning, som inkluderar en skalmodell rökstacksimulator och en vindtunnel. Men NIST:s laboratorier kan inte replikera alla aspekter av ett verkligt kraftverk, såsom förekomsten av sot i rökstackens flöde.

"Det är en sak att testa det i vår vindtunnel, "Johnson sa." Det är en annan att förbereda sig för att testa den i en bunt som är 120 grader F. "

Den första fältkörningen, i juli 2018, ägde rum vid en naturgasanläggning, där flödet är relativt enkelt att mäta.

Den andra, i september 2018, genomfördes vid ett kolkraftverk med ett särskilt komplicerat flöde.

Den koleldade anläggningen hade en sluten plattform där pitotrören sattes in i rökstacken. Men naturgasverkets plattform var öppen för elementen. Och ungefär 45 meter i luften, "saker skakar, "sa NIST -tekniker Joey Boyd." Medan du arbetar, stacken vajar, och golvet under dig rör sig. "

När NIST -forskare analyserade data, deras resultat var lovande, samtycker till inom 2% med sina laboratoriefynd.

"Sonderna fungerade lika bra i rökstacken som de gjorde vid NIST:s testanläggning, "Sa Johnson.

Framtida fälttester hjälper forskarna att lösa det största problemet de hade:sensorstoppning, där pitotrörets portar tuggas upp med vatten och partiklar och måste spolas innan ett test kan fortsätta.

Också, arbetet lärde dem att de behövde skriva särskild mjukvarusignalering till deras utrustning varje gång det var en "rensning-en högtrycksblastning av luft genom pitotproben som kan skada en viktig del av apparaten om vissa ventiler inte stängdes i tid .