NIST设计了两种新的皮托管探头（左和中），一个的传感表面为圆锥形，另一个的表面为半球形。探针有五个孔或端口。比较在五个端口中每个端口获得的压力读数，技术人员可以计算流速。一种较旧的皮托管，称为S探针（右），有两个面向相反方向的端口。图片来源：NIST

美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员与业界合作，完成了首次现实世界的测试，以测试一种可能改进的方法来测量燃煤电厂烟囱排放。研究人员本周在葡萄牙里斯本举行的2019年国际流量测量会议（FLOMEKO）上介绍了他们的工作。

每年，为了满足环境保护署（EPA）设定的要求，燃煤发电厂必须对其烟囱排放物进行审核，或由独立的第三方进行检查。NIST的研究人员希望更快地进行此测试，以在审核过程中为工厂节省资金，同时还提高了传感器的准确性。因此，研究人员说，NIST团队设计了用于探测排放流速的新探头和新的测量方法，该方法有可能将现场审核速度提高10倍。

NIST工程师亚伦·约翰逊（Aaron Johnson）说，实地调查的结果是“有希望的”，并且与实验室的发现合理吻合。“我们感到惊讶；与EPA记录在案的“最佳实践”方法相比，它表现出色。”

为了监控燃煤电厂的排放，技术人员需要测量烟囱中烟气的排放速率。烟囱内部的气流包含涡流和漩涡，但通常向上传播。在NIST测试中，将四个探针（称为皮托管）水平插入烟囱中。

四个探头分别在四个不同的点进行流量测量，总共进行16次测量。利用这些信息，NIST的科学家可以测试新型皮托管设计和测量方法的精度和准确性。

NIST与电力研究所（EPRI）开展了这项研究，作为合作研究与开发协议（CRADA）的一部分，该研究所是一个独立的非营利性组织，其成员包括电力公司，企业和政府机构。

EPRI计划经理汤姆·马茨（Tom Martz）说：“通过改进标准和技术来更精确地测量排放量，燃煤发电机组可能会受益于NIST的当前工作，” 他补充说，潜在的时间节省“目前尚无法准确量化，但这将是未来工作的关键目标。”

最终目标是提供研究，使EPA有一天可能发展成为烟囱排放物校准的新标准。

约翰逊说：“工业上的优势在于，它将减少测试时间和成本，并有可能变得更加精确”。

但是，即使EPA没有制定新标准，这项工作也可以通过为发电厂公司提供更多管理排放测试的选择来为行业带来好处。约翰逊说：“我们的目标是使它成为EPA标准。” “但是，仍然由行业成员来决定是否要使用它。”

燃煤电厂的烟囱配备了可连续测量烟气排放浓度（包括二氧化碳，汞，二氧化硫和氮氧化物）以及烟气流量的监测器。根据联邦法律，在年度审核期间，需要对内置流量传感器进行校准（即检查准确性）。

为了进行年度校准，审核员使用称为皮托管的小型便携式设备。审核技术人员爬上烟囱（通常高几十米（几百英尺）），然后将皮托管探头水平插入烟道中的气体中。他们在烟囱横截面的各个点处对流量进行多次读取，这些横截面的直径通常为7或8米（25英尺）。

迄今为止，用于这项工作的最常见的传感器是“ S探针”。它有两个孔或端口。一个端口直接面对气流，并检测管道中累积的压力。另一个端口面向相反的方向。流量越快，两个端口之间的压力差就越大；测量压力差可以使审核员计算出流速。

S-probes不需要校准，但是每次测量可能要花费几分钟，因为技术人员必须手动旋转传感器，直到一侧直接面对流。这很复杂，因为在测试点流不一定直接向上流动。在烟囱的底部，烟气通常绕着一个急剧的弯道行进，这会产生复杂的涡流和漩涡，即使在高烟囱中也不会消失。

使用S-probes的工作量很大，以至于现场年度校准可能需要一天或更长的时间才能完成。约翰逊说：“而且，在审计师一直在的时候，发电厂一直在亏损，所以他们希望技术人员尽快进出。”

为了加快这一过程，NIST的科学家进行了三项创新。首先，他们创建了两种新型皮托管，它们的孔数由原来的两个改为五个，比S型探针更好，并且可能比目前使用的其他五孔皮托管更具优势。

由NIST物理学家Iosif Shinder设计的探头有两种形状：半球形和圆锥形。

其次，科学家为他们的新传感器开发了一种校准方案，该方案不需要技术人员旋转烟囱内的探头来为每次测量找到真正的气流方向。因此，尽管在使用前必须对传感器进行校准，但是在实际审核期间它们将花费更少的时间。

第三，NIST的Jim Filla开发的软件与市售的自动化系统兼容，可以实时测量流量。

NIST的Joey Boyd（左）和Aaron Johnson在发电厂进行了新传感器的测试。平台使他们可以进入烟囱，该平台位于地面上方约45米处。图片来源：Tom Martz / EPRI

到目前为止，仅在NIST的测试机构（包括比例模型烟囱模拟器和风洞）中测量了新探针的性能。但是NIST的实验室无法复制真实发电厂的所有方面，例如烟囱中的烟尘。

约翰逊说：“在我们的风洞中对其进行测试是一回事。” “这是另一个准备在120华氏度的堆栈中对其进行测试的方法。”

第一次现场运行于2018年7月在天然气厂进行，该厂的流量相对容易测量。

第二次是在2018年9月，在一个燃煤电厂中进行的，流程特别复杂。

这家燃煤电厂有一个封闭的平台，皮托管被插入烟囱。但是天然气工厂的平台是开放的。NIST技术员乔伊·博伊德（Joey Boyd）说，在大约45米（145英尺）的空中，“事情动摇了”。“当您在工作时，堆栈在摇摆，而您下面的地板在移动。”

当NIST研究人员分析数据时，他们的结果令人鼓舞，同意其实验室发现在2％以内。

约翰逊说：“这些探针在烟囱中的性能与在NIST的测试设施中一样好。”

未来的现场测试将帮助研究人员解决他们遇到的最大问题：传感器堵塞，皮托管的端口被水和颗粒物粘住，必须冲洗才能继续测试。

同样，这项工作告诉他们，每次发生“吹扫-通过皮托管探头高压吹入空气，如果某些阀门没有关闭，可能会损坏设备的关键部件，则需要为设备编写特殊的软件信号”。