Skorstenar vid koleldade kraftverk har sensorer som kontinuerligt övervakar deras utsläpp genom att mäta flödet av gaser som koldioxid, kvicksilver, svaveldioxid, och kväveoxider. Enligt federal lag, dessa sensorer måste kalibreras varje år. De är kalibrerade med små, bärbara flödesmätningsanordningar som kallas pitotrör.

Men forskare misstänker att det finns ganska stora osäkerheter på kalibreringsmätningarna som utförs med pitotrören. Och osäkerheter kommer att vara ett problem för företag om kraftverken debiteras för sina utsläpp enligt cap-and-trade-policyer.

I väntan på det eventuella behovet av att öka noggrannheten för dessa mätningar, och arbetar i samråd med Electric Power Research Institute (EPRI), forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har nu mätt osäkerheten hos de olika typerna av pitotrör som nu används för att kalibrera rökstack-emissionssensorer.

"Syftet med denna studie är att ge branschalternativ, " sa NIST:s Aaron Johnson. "Kan vi göra mätningarna bättre? Hur mycket bättre? Och kan vi göra det billigt?"

Bekämpa virveln

Att mäta skorstensutsläpp kräver två saker:att känna till koncentrationen av föroreningar i en rökgas och att veta hur snabbt gasen strömmar.

Forskare har kunnat noggrant mäta koncentrationen av utsläppta föroreningar i årtionden. Men att få exakta flödesmätningar har varit svårare. Detta beror på att innan de släpps ut, rökgaser färdas vanligtvis runt en skarp kurva. Böjen skapar komplicerade virvlar och virvlar som inte försvinner även i höga skorstenar.

"Svirveln kvarstår när du går upp, "Johnson sa. "Flödesmätare gillar inte det. De presterar mycket dåligt när du har dessa crossflow-komponenter."

Just nu, att mäta flöde, skorstenar är installerade med ett ultraljudssystem som kallas Continuous Emission Monitoring System (CEMS), som består av ett par enheter som turas om att skicka ultraljudspulser till varandra från upp och ner i skorstenen. I en riktning, ultraljudet färdas med flödet och snabbar upp något. Åt andra hållet, den färdas mot den och saktar ner något. Att beräkna gasens hastighet kräver att man mäter hur lång tid det tar för ultraljudet att färdas i varje riktning.

Pitotrör är små bärbara enheter som mäter hur väl detta CEMS ultraljudssystem gör sitt jobb. Varje år, Tekniker använder pitotrör för att utföra vad som kallas en Relative Accuracy Test Audit (RATA). För att genomföra revisionen, de sätter in ett pitotrör horisontellt i skorstenen. Röret har små hål eller portar. En port är vänd direkt in i gasflödet och känner av trycket som byggs upp i röret. Ju snabbare flöde, ju högre tryck; genom att mäta trycket kan de beräkna flödets hastighet.

Om pitotröret mäter samma flöde som ultraljuds CEMS-enheten, kraftverket klarar sitt utsläppstest. Men det finns inga regler som kräver att själva pitotrören ska kalibreras. Som ett resultat, det är inte säkert exakt hur exakt varken CEMS- eller pitotrörmetoderna är.

Spara pengar

Det vanligaste pitotröret kallas en "s-sond". Den har två portar som pekar i motsatta riktningar. En port pekar direkt in i flödet. De andra pekar direkt bort från flödet. Trycket är högre i uppströmsporten än i nedströmsporten. Tekniker mäter denna tryckskillnad och använder den för att beräkna hastigheten på gasflödet.

NIST-forskare har testat den här typen av pitotrör såväl som två andra, "prismasonden" och den "sfäriska sonden, "som båda har fem portar istället för två.

NIST:s Iosif Shinder testar de tre sonderna i en vindtunnel, där flödet mäts med hög precision.

Efter att ha kalibrerats i vindtunneln, Pitotrören testas också i NIST:s horisontella skorstenssimulator, som producerar virvlar och virvlar liknande dem i industriella skorstenar.

För att använda s-sondens pitotrör i en skorsten, en RATA -tekniker ser till att ett av hålen vetter mot den riktiga flödesriktningen. I praktiken, detta innebär att man roterar sonden för att bestämma riktningen för den högsta tryckskillnaden. Processen, kallas "yaw-nulling, " måste upprepas dussintals gånger under ett RATA-test.

"Det är ganska arbetskrävande, ", sa Johnson. Det är så intensivt att en årlig kalibrering på plats kan ta dagar att slutföra. "Och kraftverket förlorar pengar hela tiden som RATA-testarna är där, så de vill ha teknikerna in och ut så snabbt som möjligt."

Genom att anpassa en process som används i andra industrier, Shinder utvecklar en teknik som eliminerar behovet av yaw-nulling. Det kräver en mer komplex kalibrering av pitotrören i ett laboratorium, men Johnson och Shinder säger att de är övertygade om att besparingarna från att förkorta RATA-tester kommer att kompensera för den extra kalibreringskostnaden.

Johnson och Shinder var också intresserade av att förbättra själva CEMS ultraljudsmetoden och mäter hur mycket bättre mätningarna skulle bli med ett andra par ultraljudssändare-mottagare. De har testat en x-mönsterinstallation med två par ultraljudsenheter istället för en, sade Johnson. "Med x-mönstret, du kompenserar för tvärflöde."

Forskarna arrangerar för att testa sina fynd i en fungerande industri rökstack i sommar. Förutom koleldade kraftverk, Johnson sa att cement- och papperstillverkningsindustrin kanske också kan använda den nya informationen.