Приложение Л (справочное). Определение расхода отходящих в атмосферный воздух газов на промышленных предприятиях со стационарных источников выбросов Введение

Приложение Л
(справочное)

Определение расхода
отходящих в атмосферный воздух газов на промышленных предприятиях со стационарных источников выбросов

Введение

Вопрос измерения расхода отходящих газов является важным вопросом контроля промышленных выбросов, так как именно на основании данных по расходу рассчитывается масса выброса в атмосферу конкретного загрязнителя. Именно от количественных значений размеров выбросов зависит плата предприятия за воздействие на окружающую среду.

В настоящий момент предприятие может самостоятельно выбирать методы контроля расхода - расчетные или автоматические, так как российское законодательство никак не регулирует способ измерения расхода. Но при выборе метода необходимо учитывать, что осуществление деятельности в области охраны, мониторинга состояния и загрязнения окружающей среды относится к сфере государственного регулирования (Федеральный закон от 26.06.2008 N 102-ФЗ "Об обеспечении единства измерений"). В случае, если предприятие выбирает расчетный метод - метод должен быть описан в нормативных документах РФ или иметь аттестованную и зарегистрированную в официальном порядке методику выполнения измерений. Автоматические средства измерения расхода должны отвечать требованиям Федерального закона "Об обеспечении единства измерений" и в описании типа должна быть указана область применения - контроль промышленных выбросов отходящих газов.

Надо отметить, что прямые измерения расхода обязательны в США и некоторых странах Азии и Латинской Америки.

В ЕС предприятие само выбирает метод измерения расхода. В случае использования расчетного метода этот метод должен быть стандартизован и утвержден контролирующим предприятие органом [74].

В Германии Франции и Великобритании применяются и прямые и расчетные методы, но прямые измерения расхода, в последние 5 лет, внедряются чаще, чем расчетные. Причиной этого является то, что для внедрения и подтверждения расчетных методов требуется достаточно длительный срок, в отличие от прямых измерений.

Абсолютное большинство новых производств комплектуется системами непрерывного автоматического контроля выбросов в комплекте с автоматическими расходомерами.

Вычисления расхода

К настоящему моменту в мире получили распространение и стандартизованы 4 метода вычисления расхода с помощью расчетных методов [75]:

1. метод определения объемного расхода с помощью точечных измерений по всему профилю скорости потока газа. Скорость потока дымового газа определяется путем точечных измерений поперек измерительного канала на одной плоскости измерения. Поток газа в данной плоскости должен быть стабильным и однородным. Расход рассчитывается из средней скорости потока и площади канала в плоскости измерения;

2. метод, основанный на измерении количества вещества в потоке газа. В поток газа вводится известное количество маркерного вещества с известной концентрацией. На известном расстоянии (точка измерения выбирается исходя из принципа полного смешивания маркерного вещества с отходящим газом) от места ввода маркерного газа производится измерение концентрации разбавленного маркерного газа. На основании данных по концентрации разбавлению маркерного газа может быть рассчитана скорость потока. Реализация данного метода потребует точного знания состава дымового газа, чтобы маркерный газ не содержал каких-либо компонентов из состава отходящих газов. Маркерный газ должен хорошо перемешиваться с отходящим газом и его рекомендуется вводить в местах местных сопротивлений до дымососов и иных устройств, обеспечивающих перемешивание;

3. метод, основанный на методике измерения времени пролета маркерного вещества (газа или твердых частиц) добавленного в поток. Расход определяется из времени прохождения индикаторного газа между двумя точками измерения. Для реализации данного метода требуется прямолинейный участок трубопровода достаточной длины и измерительное оборудование способное производить измерение со скоростями в пределах нескольких миллисекунд. Как правило, маркерным веществом является изотоп, какого-либо элемента и применение данного метода может потребовать специальных разрешений и лицензий.

Методы 1 - 3 реализуются проведением контрольных замеров при разной загрузке промышленного предприятия, включая минимальную и максимальную. После проведения контрольных замеров рассчитываются расходы отходящих газов, на основании которых впоследствии и происходит расчет массы выбросов. Фактически заранее рассчитанные значения расходов просто подставляются в формулы расчета массы выбросов.

При выборе контрольных точек для реализации данных методов руководствуются требованиями стандарта EN 15259:2007 (ГОСТ Р ЕН 15259-2015).

4. Метод определения объемного расхода на основе расчета потребления энергии в процессе сгорания. Потребление энергии может быть определено непосредственно путем измерения расхода топлива и удельной энергии, или косвенно из производительности конкретного производства и теплового коэффициента полезного действия того или иного вида топлива. Реализация данного метода потребует знаний количества топочного газа, образующегося при сгорании известного количества топлива и я вычисление поправочных коэффициентов для каждого вида топлива (газ, мазут, уголь, биогаз и тд.). Для данного метода требуется знание количества кислорода в дымовом газе - данные могут быть получены путем прямых измерений или путем расчета. Необходимо отметить, что метод дает достаточно точные значения и низкую погрешность в случае применения на "сухом газе". При большой влажности отходящих газов и/или переменном составе частиц пыли погрешность значительно возрастает и может превысить 20%.

Метод может быть успешно реализован на газовых электростанциях при наличии необходимого количества приборов учета различных параметров (состав и расход природного газа, температура в печи, влажность газа и отходящих газов, содержание кислорода в отходящих газах и тд.). В частности метод реализован на московских электростанциях ПАО "Мосэнерго". Метод уже прошел утверждение на уровне стандарта предприятия. Для соответствия требованиям Федерального закона от 26.06.2008 N 102-ФЗ "Об обеспечении единства измерений" готовится методика выполнения измерений расхода с помощью данного метода с последующей аттестацией. После прохождения аттестации измерение расхода с помощью данного метода будет полностью отвечать законодательству.

Данные методы применимы ко всем типам производств и приняты в ЕС в качестве основных [75]. Так как данный стандарт не может применяться в РФ, то при разработке методик выполнения измерений для реализации любого из четырех методов на территории РФ следуют руководствоваться ГОСТ 8.464-82 "Расход газа массовый. Расчетные зависимости косвенных методов измерений", ГОСТ 8.361-79 "Расход жидкости и газа. Методика выполнения измерений по скорости в одной точке сечения трубы" и иными официальными нормативными документами, в которых содержится обоснование применения расчета.

Прямые измерения расхода

К настоящему моменту разработаны и находятся на рынке расходомеры различных марок и производителей, в том числе и отечественные, позволяющие производить измерения объемного расхода при гидравлическом диаметре труб и газоходов до 13 метров включительно и при температуре среды до 500°С.

Прямые измерения могут быть реализованы на абсолютном большинстве дымовых труб и являются наиболее простым способом получения расхода отходящих газов, выбрасываемых в атмосферу. Однако при реализации метода прямых измерений могут возникнуть сложности из-за невозможности соблюсти условия установки расходомеров.

При выборе точки установки расходомера следуют руководствоваться рекомендациями ГОСТ Р ЕН 15259-2015 и иными нормативными документами в области контроля промышленных выбросов.

Точка установки расходомера должна быть расположена в той части газохода (дымовой трубы), где поток отходящих газов однороден, а все компоненты входящие в состав отходящих газов достаточно перемешаны. Требования к однородности потока обычно выполняются при следующих условиях:

- место установки максимально удалено от расположенных выше и ниже по направлению движения потока сопротивлений;

- место установки расположено там, где длина прямолинейного участка выше по потоку от плоскости контроля расхода и составляет, по крайней мере, пять гидравлических диаметров, а ниже по потоку - два гидравлических диаметра. При соблюдении, указанных выше условий, контроль расхода непосредственно на дымовой трубе может осуществляться при соблюдении требования: расстояние от точки установки расходомера до устья трубы должно составлять не менее пяти гидравлических диаметров.

- место установки расположено на участке с постоянной формой и площадью поперечного сечения.

Принципы работы измерителей расхода.

В целях автоматического контроля расхода отходящих газов сложных компонентных составов, изменяющихся во времени, а также "сухих" и влажных, сейчас активно применяются несколько типов расходомеров:

- термомассовые (термоанемометрические) расходомеры;

- расходомеры на принципе измерения перепада давления;

- вихревые расходомеры;

- оптические расходомеры;

- ультразвуковые расходомеры.

Термомассовые расходомеры

Расходомер имеет один или несколько датчиков. Датчики располагаются на разной удаленности от конца зонда, погружаемого в измеряемую среду, и на них поддерживается постоянная температура. Поток газа охлаждает датчик, который теряет от этого тепло. При этом потеря тепла датчиком напрямую зависит от скорость потока.

Диапазон измерения зависит от измеряемой среды и размера трубопровода. Каждый расходомер калибруется отдельно на воздухе, потом происходит математическое преобразование под определенный состав анализируемой среды. В формуле расчета расхода учитываются плотность, коэффициент теплопроводности и динамическая вязкость среды, Следовательно, результаты измерений зависят не только от состава отходящих газов и влажности, но и от теплоемкости и теплопроводности измеряемой среды, поэтому сенсор расходомера работает лучше всего, когда окружающие температуры и температура газа относительно устойчивы.

Достоинства:

- Нечувствительность к возмущениям потока;

- Невысокая стоимость.

- Отсутствие подвижных частей

Недостатки:

- Необходимо знать точный состав анализируемой среды перед установкой расходомера.

- Расходомер измеряет тепловую отдачу нагреваемого элемента при неизменной теплоемкости газа и в случае резкого изменения теплоемкости среды, например резкое изменение компонентного состава, измерения становятся некорректными.

- Расходомеры могут устанавливаться в трубах и газоходах с гидравлическим диаметром не более 2 метров.

Применение таких расходомеров для измерения расхода отходящих газов возможно только в ограниченных случаях.

Расходомеры основанные на принципе перепада давления. ГОСТ 8.586.1-5-2005 "Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств", ГОСТ 17.2.4.06-90 "Методы определения скорости и расхода газопылевых потоков, отходящих от стационарных источников загрязнения"

Принцип измерения расхода расходомером переменного перепада давления основан на том, что в зависимости от расхода вещества изменяется перепад давления на неподвижном сужающем устройстве, установленном на газоходе или дымовой трубе. Разность давлений (перепад давления) зависит от расхода протекающего вещества и может служить мерой расхода. Падение давления на расходомере связано со скоростью потока квадратичной зависимостью.

Расходомеры, работающие по принципу перепада давления, применяются для измерения объемного расхода газов и состоят из первичного элемента (диафрагмы, сопла, трубы Вентури, трубки Пито и др.), датчика дифференциального давления или манометра и соединительных линий с запорной и предохранительной арматурой.

Рассматриваемый метод измерения расхода применим при соблюдении следующих условий измерения:

а) измеряемое вещество заполняет все поперечное сечение газохода;

б) поток вещества является установившимся (ламинарным), т.е. скорость потока и давление в одном и том же месте могут не сильно меняться во времени;

в) фазовое состояние вещества не должно меняться при протекании вещества через сужающее устройство.

Достоинства:

- Сравнительно высокая точность измерения;.

- Возможность, измерения любых расходов (при некоторых ограничениях) жидкости, пара и газа, находящихся при различных давлениях;

- Низкая стоимость по сравнению с остальными методами;

- Традиционный и признаваемый во всем мире способ измерений;

- Измерение расхода в газоходах и дымовых трубах диаметром до 12 метров.

Недостатки:

- Трудности в случаях малых расходах вещества, в пульсирующих потоках и потоках вещества, содержащего примеси (запыленность газового потока). Применение данного метода для неочищенных газов может вызвать скопление загрязнений на диафрагме, "засорение" отверстий и датчиков и как следствие падение давления.

- Узкий диапазон измеряемых расходов. Расходомеры хорошо работают в определенном диапазоне (различном для каждого типа расходомеров) - при расходе ниже 2/3 шкалы - погрешность начинает расти, так как увеличиваются потери давления и как следствие увеличивается погрешность измерений;

- Изменения плотности газа в зависимости от количества влаги напрямую отражаются на результатах измерений;

- Для поверки таких расходомеров обязательно требуется их демонтаж и следовательно предприятие должно иметь достаточное количество запасных расходомеров, которые устанавливаются вместо переданных в поверку.

- Существуют ограничения на использования трубок Пито при температурах отходящих газов свыше 200°С из-за изменения плотности газа и числа Рейнольдса.

Несмотря на явные недостатки, связанные с потерей давления и износом первичного элемента в случаях запыленности, измеряемой среды, а также сложностью калибровки и необходимости ежегодного демонтажа для передачи в поверку, данный вид измерений применим для абсолютного большинства типов газоходов и дымовых труб, за исключением случаев высокой запыленности.

Вихревые расходомеры. ГОСТ 28723-90 "Расходомеры скоростные, электромагнитные и вихревые. общие технические требования и методы испытаний", ГОСТ Р 8.740-2011 "Расход и количество газа. Методика измерений с помощью турбинных, ротационных и вихревых расходомеров и счетчиков".

Принцип действия расходомера основан на измерении частоты образования вихрей, возникающих в потоке газа при обтекании неподвижного "тела обтекания". Специальное "тело обтекания", имеющее различную форму (наиболее распространенной формой является призма с треугольным или трапецеидальным сечением, обращенная основанием навстречу потока) и помещенное в поток, создает после себя чередующиеся вихри. Вихри образуются один за другим поочередно, сначала с одной стороны тела обтекания, затем - с другой и создают неоднородность давления в окружающем потоке газа или жидкости. За "телом обтекания" или в "теле обтекания" расположен датчик, который фиксирует прохождение вихрей по изменению давления. Количество вихрей, проходящих мимо датчика в единицу времени определяет объемный расход. Для измерения частоты возникающих вихрей могут использоваться электромагнитные, акустические, силовые преобразователи и термоанемометры.

Метод применим в трубах и газоходах малых диаметров (до 0,5 метров), но в широком диапазоне температур и избыточного давления.

Достоинства:

- Отсутствие необходимости перекалибровки в течение всего срока службы;

- Поверка прибора может осуществляться без демонтажа прибора;

- Расходомеры имеют сравнительно низкую стоимость;

Недостатки:

- Потери давления могут составить от 30 до 50 кПа;

- Вихревые расходомеры непригодны для работы с загрязненными средами или средами, отличающимися повышенной кислотностью;

- Более частое техническое обслуживание - необходима очистка "тела обтекания" расходомера, шлифовка поверхностей и тд;

- Расходомер работает некорректно при низкой скорости течения среды;

- Чувствительность к вибрационным и звуковым помехам;

- Очень мало труб и газоходом имеют гидравлические диаметры 0,5 и менее метров;

- В ЕС данный метод применяется только для периодических измерений в качестве контроля расчетных методов и не входит в число официально рекомендованных для автоматического контроля промышленных выбросов (Technical Guidance Note (Monitoring) M2. Monitoring of stack emissions to air. Environment Agency Version 11 November 2015).

Таким образом, применение вихревых расходомеров в условиях контроля промышленных выбросов очень ограниченно.

Оптические расходомеры

Принцип действия оптических расходомеров основан на зависимости расхода вещества от того или иного оптического эффекта в потоке.

Расходомеры состоят из источника и приемника излучения, которые чаще всего располагаются на противоположных сторонах измерительной плоскости, при этом требуется весьма жесткая конструкция, обеспечивающая неизменность положения всей оптической системы. Систему можно расположить и с одной стороны измерительной плоскости, но в этом случае потребуются более мощный источник излучения и более чувствительная измерительная схема, что приведет к удорожанию самой системы.

Достоинства:

- Высокая точность и чувствительность;

- Отсутствие контакта с измеряемым веществом;

- Широкий диапазон измерения скоростей (0,1...100 м/с) независимый от физических свойств измеряемой среды, за исключением требований прозрачности среды в обеленном диапазоне длин волн, излучаемых источником света.

Недостатки:

- Требуется достаточно точно и заранее знать состав среды;

- Небольшие диаметры труб и газоходов, так как с увеличением диаметров растут потери света и соответственно погрешность измерения;

- Высокая стоимость;

- Нельзя устанавливать в вертикальном положении;

- Ограниченная область применения, как правило, такие расходомеры применяются для контроля расхода факельных газов и на трубах диаметром до 3 метров;

- В ЕС данный метод не входит в число официально рекомендованных для контроля промышленных выбросов (Technical Guidance Note (Monitoring) M2. Monitoring of stack emissions to air. Environment Agency Version 11 November 2015) и данный метод имеет недостаточный опыт промышленного применения.

Применять такие расходомеры для контроля промышленных выбросов желательно только после проведения сравнительных испытаний с другими типами расходомеров в одинаковых условиях работы или совместно с расчетными методами.

Ультразвуковые расходомеры. (ГОСТ 8.611-2013 Расход и количество газа. Методика (метод) измерений с помощью ультразвуковых преобразователей расхода).

Принцип действия основан на зависимости разности времен прохождения ультразвукового импульса через контролируемый поток по и против течения газа между акустическим(-и) преобразователем(-ями) при частоте более 20 кГц.

Ультразвуковые расходомеры обычно служат для измерения объемного расхода, потому что эффекты, возникающие при прохождении акустических колебаний через поток жидкости или газа, связаны со скоростью последнего. Но путем добавления акустического преобразователя, реагирующего на плотность измеряемого вещества, можно осуществить и измерение массового расхода. Приведенная погрешность ультразвуковых расходомеров лежит в широких пределах от 0,1 до 5%, но в среднем может быть оценена цифрами 0,5 - 1%, что позволяет применять их на предприятиях любой категории.

Для ввода акустических колебаний в поток и для приема их на выходе из потока необходимы излучатели и приемники колебаний - главные элементы ультразвуковых расходомеров.

В большинстве случае излучатель и приемник устанавливаются на противоположных сторонах газоходов или дымовой трубы, однако существуют модели, имеющие совмещенный приемник и излучатель.

Достоинства:

- Высокая точность измерения расхода;

- Применение на различных диаметрах от 10 мм до 13 метров;

- Отсутствие контакта с измеряемым веществом;

- Высокая чувствительность;

- Широкий диапазон измерения скоростей (0,1...120 м/с) независимо от физических свойств измеряемой среды (работа расходомера не зависит от компонентного состава газа, влажности, температуры и др. параметров);

- Практически нет влияния на профиль потока (отсутствует "тело обтекания");

- Широко применяется в ЕС и мире. Данный метод входит в число официально рекомендованных для контроля промышленных выбросов (Technical Guidance Note (Monitoring) M2. Monitoring of stack emissions to air. Environment Agency Version 11 November 2015).

- Возможна поверка прибора на месте без демонтажа.

Недостатки:

- Для труб диаметром более 6 метров может потребоваться нескольких ультразвуковых расходомеров (два и более);

При измерении расхода на трубах диаметром более 6 метров расходомерами других типов, также может потребоваться установка нескольких датчиков, сенсоров, трубок Пито и тд.;

- На погрешность измерения расхода влияет соблюдение рекомендованного производителем угла установки расходомера;

- Высокая стоимость по сравнению с другими типами расходомеров.

Перечисленные выше методы, за исключением оптического, значительно выигрывают в ценовом диапазоне перед ультразвуковыми расходомерами, но ультразвуковые расходомеры являются наиболее универсальными средствами измерения для любых сред, например таких, в которых может резко скорость потока, компонентный состав и средах имеющих большую влажность. Также расходомеры могут применяться в условиях широкого диапазона температур (до 500 градусов), при большой запыленности и наличии агрессивных газов типа сероводорода или фтороводорода.

Производство ультразвуковых расходомеров уже освоено в РФ несколькими компаниями

Помимо перечисленных выше методов существуют и другие методы автоматического измерения расхода. Однако в силу узкой сферы применения они не учитывались в данном обзоре. Предприятие вправе использовать другие методы в случае, если они подходят для измерения расхода на конкретном производстве, оборудование отвечает требованиям законодательства в области обеспечения единства измерений и расходомеры допущены к применению в качестве средств контроля расхода промышленных выбросов.

Сведения по методам измерения расхода приведены в ГОСТ 15528-86 "Средства измерений расхода, объема или массы протекающих жидкости и газа. Термины и определения".

Погрешность измерений/вычислений расхода

Измерения расхода следует производить с определенной погрешностью. В ЕС установлены следующие значения неопределенности измерения расхода для предприятий различных категорий [75]:

- 10% для предприятий 4-й категории;

- 7,5% для предприятий 3-й категории;

- 5% для предприятий 2-й категории;

- 2,5% для предприятий 1-й категории.

Примечание: в РФ и ЕС оценка отнесения предприятий к той или иной категории несколько различается.

Данные значения погрешности желательны к применению на всей территории РФ, однако контролирующие органы, путем издания соответствующих нормативных документов, могут определять иные значения погрешности, с которой промышленные предприятия должны измерять или вычислять расход.

Таким образом, автоматические методы измерения расхода являются более простым решением измерения расхода по сравнению с расчетными методами по следующим причинам:

- каждый объект, на котором проводится контроль, и используются непрямые методы измерения расхода, потребует создания аттестованной методики выполнения измерений расхода.

- погрешность вычислений расхода может значительно превысить 10% из-за суммирования погрешностей измерительных приборов и поправочных коэффициентов, участвующих в расчетах. При этом оценка погрешности должна быть произведена для всех ситуаций, возникающих в процессе эксплуатации промышленного оборудования.

- расчетные методы требует большого объема вычислений и могут потребовать установки на промышленном оборудовании дополнительных измерений (датчиков температуры, влажности, кислородомеров, лабораторных исследований состава топлив и тд.), что существенно повысит стоимость измерительной системы в целом и стоимость ее последующего обслуживания.

- конечные затраты предприятий на внедрение автоматических систем непрерывного контроля будут значительно ниже, чем при использовании расчетных методов. Применение автоматических методов потребует меньших затрат на внедрение и последующее на обслуживание всей системы в целом и станет для промышленного предприятия способом реальной экономии средств в среднесрочном периоде (2 - 3 года).

- данные полученные с помощью прямых измерений расхода, при использовании оборудования, внесенного в государственный реестр средств измерений, могут быть представлены контролирующим органам без каких-либо дополнительных согласований, подтверждений и при отсутствии аттестованной методики выполнения измерений.

- время внедрения автоматических систем минимально. Таким образом, прямые измерения расхода предприятием являются наиболее предпочтительными.

Общие требования по выбору мест установки измерительного оборудования для определения расхода, требования к отчетности а также другая информация, которая может помочь в проектировании автоматических систем и систем основанных на расчете содержится в ГОСТ Р ЕН 15259-2015 "Выбросы стационарных источников. Требования к выбору измерительных секций и мест измерений, цели и плану измерений и составлению отчета".

Рекомендации по разработке стандартных методов измерений выбросов стационарных источников приведены в ГОСТ Р 56717-2015/CEN/TS 15674:2007