Евстифеев А. А., Титов А. С., Нагаевский С. В., Рябинков А. И.

Рис 1. Дымовые трубы на промышленном предприятии

Дымовые трубы промышленных и теплогенерирующих предприятий выполняют критически важную функцию: они отводят и рассеивают в атмосфере дымовые газы, образующиеся в процессе сжигания топлива. Эффективность этого процесса напрямую зависит от тяги, создаваемой в трубе, которая, в свою очередь, определяется от соотношения диаметра и высоты самой трубы.

Появление дымовой тяги в трубе обеспечивается за счет простого физического принципа: продукты сгорания имеют значительно более высокую температуру, чем окружающая среда, и поэтому поднимаются вверх. Для увеличения тяги в дымовых трубах могут применяться дымососы — тягодутьевая установка, которая служит для увеличения тяги в дымоходе, позволяя усилить удаление дымовых газов.

Дымовые газы — это сложная многокомпонентная смесь, включающая не только газы (CO, CO₂, O₂, пары воды), но и твердые частицы (зола, сажа, пыль), многие из которых являются загрязняющими веществами. Согласно Федеральным законам 7-ФЗ «Об охране окружающей среды» и 96-ФЗ «Об охране атмосферного воздуха», выбросы таких веществ подлежат строгому учету. Это требует непрерывного мониторинга состава, физических параметров и, что особенно важно, скорости потока дымовых газов. Таким образом, точное измерение скорости дымовых газов — это не просто сложная техническая задача, а законодательное требование, для выполнения которого необходимо ориентироваться на прогрессивные инновационные методы измерений.

Проблематика измерений

Проведение точных и надежных измерений скорости потока дымовых газов в промышленных условиях сопряжено с комплексом серьезных технических и методологических задач.

Агрессивная среда измерений

Помимо того, что дымовые газы представляют собой сложную многокомпонентную смесь, при движении по дымоходу они могут конденсироваться на стенках дымохода и образовывать агрессивные соединения, такие как: серная, соляные и фтороводородные (HF) кислоты; щелочные соединения такие как аммиак (NH_₃) и соединения аммония.

Что приводит к ограниченному выбору материалов, которые возможно использовать при создании датчиков.

Высокая запыленность и абразивность

Содержание твёрдых частиц в дымовых газах может достигать 5 г/м³, а в некоторых случаях — до 50 г/м³. Такая концентрация вызывает не только абразивный износ, но и приводит к засорениям и налипанию частиц на чувствительные элементы датчиков. Данный факт приводит к значительным требованиям к конструктиву измерительной установки и делает необходимыми наличие обдува чувствительного элемента.

Широкий диапазон температур

Дымовые газы могут иметь температуру от минусовых значений до достаточно высоких температур (+ 450 ⁰С), что может приводить к термическим деформациям, быстрой деградации оборудования, а также к значительным отличиям по физическим параметрам среды. Для работы в таких условиях необходимы системы принудительного охлаждения.

Большой диапазон геометрических размеров

Диаметр дымовых труб варьируется от 500 мм до 13 м, а толщина стенок — от 1,5 мм до 2 м и более. Такие различия связаны как с конструктивными особенностями (устойчивость к ветровым нагрузкам), так и с необходимостью теплоизоляции.

Методы измерения скорости дымовых газов

Выделяют несколько основных методов измерения скорости потока дымовых газов в дымовых трубах, применяемых в настоящее время.

Пневмометрический метод

Основан на измерении разности полного и статического давления в потоке измеряемого газа.

Полное давление (Pп) — это давление, которое создаёт поток при полном (изоэнтропийном) торможении.

Статическое давление (Pст) — это давление самого потока, действующее на его стенки.

Эта разность представляет собой динамический (скоростной) напор, пропорциональный квадрату скорости.

Для несжимаемого потока скорость рассчитывается по формуле, следующей из уравнения Бернулли:

где:
v — искомая скорость потока.
ρ — плотность газа.
Pп–Pст — измеренный перепад динамического давления.

Основной прибор для данного метода — трубка Пито-Прандтля.

Рис 2. Трубка Пито-Прандтля: механически уязвима и склонна к засорению

Ключевыми минусами данного устройства являются:

• высокая чувствительность к загрязнению и засорению;
• низкая точность на малых скоростях потока;
• механическая уязвимость и склонность к повреждениям;
• необходимость компенсации изменения плотности газа;
• высокие эксплуатационные затраты.

Корреляционный метод

Основан на принципе определения времени перемещения неоднородностей потока между двумя измерительными сечениями дымохода. Время, которое проходит между появлением сигналов с приблизительно одинаковой модуляцией в различных измерительных сечениях, соответствует скорости анализируемого потока.

Рис. 3. Схема работы корреляционного метода

Корреляционные расходомеры могут иметь различные исполнения даже по физическому принципу, однако для дымовых газов обычно используют оптические. Основным недостатком такого метода является требовательность к прозрачности среды, что достаточно редко встречается в дымовых газах.

Акустический метод

Основан на векторном сложении скорости распространения ультразвуковой волны и скорости потока. Реализуется путем измерения разности времени прохождения ультразвуковых импульсов.

Блоки приемопередатчиков монтируются на противоположных сторонах газохода под определенным углом к направлению потока. Содержат ультразвуковые преобразователи, работающие попеременно и как приемник, и как передатчик звуковых импульсов, которые излучаются под некоторым углом к направлению потока газа. Скорость газа определяется по разности времен прохождения импульсов в прямом и обратном направлениях.

Рис. 4. Схема работы акустического метода

Измеряемые расходомером времена распространения ультразвуковых сигналов (УЗС) по потоку t₁ и против потока t₂ определяются следующими выражениями:

где L – расстояние, которое проходит УЗС в газе от одного ПЭА Г к другому;

C – скорость звука в газе;

v – скорость газа, усредненная вдоль ультразвукового луча;

α – угол наклона оси ультразвукового луча.

Скорость анализируемого потока газа определяется как:

Совокупность характеристик, которыми одновременно может обладать поток дымовых газов в дымовых трубах, например таких, как большой диапазон геометрических размеров (диаметры дымохода могут достигать десятки метров), широкий диапазон температур (от минусовых до положительных 450°C), давление порядка атмосферного, сложный состав и наличие большого количества механических включений, — не позволяет использовать пневмометрический и корреляционный методы в полном диапазоне изменений этих характеристик.
Однако акустический метод позволяет измерять скорость потока дымовых газов при всех известных нам его характеристиках. У акустического метода есть свои ограничения, но их можно нивелировать инженерными решениями.

Учитывая перечисленные факторы, Группа компаний «Взлет» разработала ультразвуковой расходомер ВЗЛЕТ РГ для дымовых газов, реализовав в нем накопленный опыт и современные инженерные решения.

Сложности

1. «Геометрическая» проблема

Звуковые волны распространяются от источника в виде сферической звуковой волны, которая со временем заполняет все больший объем. Движения частиц газа, вызванные источником звука, передаются увеличивающейся массе газа. Поэтому с увеличением расстояния движение частиц газа ослабевает. Для передачи звука на значительные расстояния необходимо концентрировать его в заданном направлении.

Рис. 5. Затухание колебаний с расстоянием от источника

2. Завихрения и турбулентности

Рассеяние звука возникает в результате взаимодействия звуковой волны со встречающимися на ее пути препятствиями — например, завихрения, турбулентные вихри и механические включения. В результате столкновения с этими препятствиями звуковая волна как бы «рассыпается» на множество волн, которые после этого продолжают распространяться во всевозможных направлениях.

3. Диссипация звука в газах

«Поглощение», или диссипация, звуковых волн газом — это явление необратимого перехода энергии звуковой (акустической) волны в другие виды энергии, в частности — в теплоту. Поглощение звука в газах подразделяют на классическое и молекулярное (релаксационное). Классическое поглощение звука в газах обусловлено внутренним трением (вязкостью) и потерями теплоты при сжатии в волне (теплопроводностью). При движении частиц, связанном с распространением звуковой волны, неизбежно трение между разными частицами среды. Это приводит к необратимому превращению акустической энергии волны в теплоту. Молекулярное (релаксационное) поглощение звука возникает благодаря перераспределению энергии между внешними и внутренними степенями свободы молекул в многоатомных газах, происходящим из-за сжатий и разрежений, вызываемых звуковыми волнами.

Технические решения, реализованные в расходомере ВЗЛЕТ РГ

1. Для компенсации затухания сигнала в запыленной среде и при турбулентности в расходомере реализована автоматическая регулировка усиления (АРУ), что гарантирует стабильность измерений даже при значи-тельном изменении уровня принимаемого сигнала.

2. Чтобы решить «геометрическую» проблему и гарантировать доставку сигнала в газоходах диаметром до 13 метров, была разработана уникальная серия пьезоакустических преобразователей (ПЭП).

Рис. 6. Сконструированный с помощью моделирования пьезоакустический преобразователь, обеспечивающий стабильный сигнал на больших расстояниях

3. Для работы в агрессивных и высокотемпературных средах предложен ряд специализированных исполнений датчиков (ПЭА Г). Конструкции с принудительным охлаждением защищают чувствительные элементы от перегрева (до +450°C).

Рис 7. Специальное исполнение датчиков ПЭА Г с охлаждением

Специализированные исполнения с системой обдува предотвращают налипание твердых частиц, обеспечивая длительную и бесперебойную работу при высокой запыленности.

Рис 8. Специальное исполнение датчиков ПЭА Г с обдувом излучающей поверхности

4. Безопасность на взрывоопасных объектах обеспечивается полноценным взрывозащищенным исполнением. Это особенно важно, поскольку ультразвуковые расходомеры-счётчики ВЗЛЕТ РГ могут применяться в составе систем экологического мониторинга промышленных предприятий в соответствии с Федеральным законом №219-ФЗ, часть из которых относится к взрывоопасны зонам.

Расходомер взрывозащищенного исполнения представляет собой комплект из блока вторичного преобразователя (БВП) в корпусе исполнения «взрывонепроницаемая оболочка». Укомплектован встроенными барьерами искрозащиты, обеспечивающими искробезопасность внешних цепей интерфейсов расходомера, и двух или четырех врезных преобразователей электроакустических газовых (ПЭА Г) с блоками электроники в корпусе исполнения «взрывонепроницаемая оболочка».

Рис 9. Сертификат на специальное исполнение датчиков ПЭА Г с взрывозащитой

5. Индивидуальный подход к каждому объекту является ключевым принципом.

Тщательный анализ условий эксплуатации расходомера и состава анализируемого потока проводится при приеме заказа после заполнения Заказчиком опросного листа. По результатам анализа выбирается вид ПЭА Г, конструкция патрубка и схема их размещения на газоходе. Такая работа аналогична созданию индивидуального проекта для каждого заказа. Это необходимо, поскольку условия эксплуатации расходомеров ВЗЛЕТ РГ значительно варьируются, и поставлять универсальное техническое решение не представляется возможным. Задача осложняется тем, что часть эмпирической информации по теме настоящей статьи, как писалось выше, широко варьируется.

Заключение

Измерение скорости потока дымовых газов в дымовых трубах — сложная техническая задача. В этой статье мы затронули лишь небольшую часть проблем, с которыми приходиться сталкиваться разработчикам расходомеров дымовых газов, и рассказали, каким образом она решается в расходомере-счетчике ультразвуковом ВЗЛЕТ РГ.

Группа компаний «Взлет» благодаря своему многолетнему опыту создала расходомер ВЗЛЕТ РГ, сочетающий в себе самые инновационные решения. Это надежный инструмент для выполнения ваших законодательных и экологических обязательств.

При разработке расходомера учтены все проблемы, которые могут возникнуть при измерении скорости дымовых газов в дымовых трубах. В результате на рынке появился прибор, способный проводить измерения в тяжелейших условиях эксплуатации.

Разрабатывая ВЗЛЕТ РГ, мы изначально заложили в него универсальность и адаптивность. Наилучшим подтверждением этому служит то, что сегодня более 300 наших приборов успешно работают в различных отраслях промышленности — от металлургии и энергетики до химического производства, не только в Российской Федерации, но и в других странах. Расходомеры Взлет доказывают свою эффективность в газоходах круглого и прямоугольного сечения, на объектах с взрывоопасными зонами и в условиях экстремально высокой запыленности. Это подтверждает, что для ВЗЛЕТ РГ не существует нерешаемых измерительных задач.