In samenwerking met de industrie, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben de eerste real-world test voltooid van een mogelijk verbeterde manier om schoorsteenemissies in kolengestookte elektriciteitscentrales te meten. De onderzoekers presenteren hun werk deze week op de 2019 International Flow Measurement Conference (FLOMEKO) in Lissabon, Portugal.

Elk jaar, om te voldoen aan de eisen van de Environmental Protection Agency (EPA), kolencentrales moeten hun schoorsteenemissies laten controleren, of gecontroleerd door een onafhankelijke derde partij. NIST-onderzoekers wilden deze test sneller maken om de planten geld te besparen tijdens hun audits, terwijl ook de nauwkeurigheid van de sensoren wordt verbeterd. Dus, een NIST-team heeft nieuwe sondes ontworpen voor het meten van emissiedebieten en een nieuwe meetmethode die audits ter plaatse met een factor 10 zou kunnen versnellen, zeggen onderzoekers.

De resultaten van het veldwerk waren "veelbelovend, " zei NIST-ingenieur Aaron Johnson, en waren in redelijke overeenstemming met de laboratoriumbevindingen. "We waren verrast; het deed het vrij goed in vergelijking met wat de EPA in zijn boeken heeft als zijn 'best practices'-methode."

Om de emissies van kolencentrales te monitoren, technici moeten de snelheid meten waarmee rookgas uit de schoorsteen wordt uitgestoten. De stroom in de schoorsteen bevat wervelingen en wervelingen, maar gaat over het algemeen naar boven. In de NIST-tests, vier sondes, pitotbuizen genaamd, worden horizontaal in de schoorsteen gestoken.

De vier sondes voeren elk een debietmeting uit op vier verschillende plaatsen, voor in totaal 16 metingen. Met deze informatie, NIST-wetenschappers konden de precisie en nauwkeurigheid testen van een nieuw ontwerp en meetmethode voor pitotbuizen.

NIST voerde dit werk uit als onderdeel van een samenwerkingsovereenkomst voor onderzoek en ontwikkeling (CRADA) met het Electric Power Research Institute (EPRI), een onafhankelijke non-profitorganisatie waarvan de leden onder meer elektriciteitsbedrijven zijn, bedrijven en overheidsinstanties.

"Met kolen gestookte elektrische opwekkingseenheden kunnen profiteren van het huidige NIST-werk door verbeterde normen en technieken te hebben om massa-emissies nauwkeuriger te meten, met meer vertrouwen dat alle entiteiten op uniforme basis rapporteren, " zei EPRI-programmamanager Tom Martz. Hij voegde eraan toe dat de potentiële tijdwinst "niet iets is dat we op dit moment nauwkeurig kunnen kwantificeren, maar dit zal een belangrijke doelstelling van toekomstige werkzaamheden zijn."

Het uiteindelijke doel is om onderzoek te doen dat de EPA op een dag zou kunnen uitgroeien tot een nieuwe standaard voor kalibratie van schoorsteenemissies.

"De voordelen voor de industrie zijn dat het de testtijd en -kosten zal verminderen en het potentieel heeft om nauwkeuriger te zijn" dan de huidige industriestandaard sondes, zei Johnson.

Zelfs als de EPA geen nieuwe standaard creëert, echter, het werk zou voordelen kunnen opleveren voor de industrie door energiecentrales meer keuzemogelijkheden te bieden voor het beheer van hun emissietests. "Ons doel is om het geschreven te krijgen als een EPA-standaard, "Zei Johnson. "Maar het is nog steeds aan de leden van de industrie om te beslissen of ze het willen gebruiken."

Ga met de stroom mee

Schoorstenen bij kolencentrales zijn uitgerust met monitoren die continu de concentratie rookgasemissies meten, waaronder kooldioxide, kwik, zwaveldioxide en stikstofoxiden, evenals de stroomsnelheid van het rookgas. Door de federale wet, de ingebouwde stroomsnelheidssensoren moeten worden gekalibreerd, dat wil zeggen, tijdens de jaarlijkse audit op juistheid gecontroleerd.

Om de jaarlijkse kalibratie uit te voeren, auditors gebruiken kleine draagbare apparaten die pitotbuizen worden genoemd. De audittechnici beklimmen de stapel – meestal enkele tientallen meters (honderden voet) hoog – en steken hun pitot-sondes horizontaal in de gassen die zich een weg banen door de schoorsteen. Ze nemen verschillende metingen van de stroom op verschillende punten binnen een dwarsdoorsnede van de stapel, die typisch 7 of 8 meter (25 voet) in diameter is.

Verreweg de meest voorkomende soort sensor die voor dit werk wordt gebruikt, is een "S-probe". Het heeft twee gaten, of poorten. Eén poort is direct in de gasstroom gericht en detecteert de druk die zich in de buis opbouwt. De andere poort kijkt in de tegenovergestelde richting. Hoe sneller de stroom, hoe hoger het drukverschil tussen de twee poorten; door dit drukverschil te meten, kunnen auditors de snelheid van de stroom berekenen.

S-sondes vereisen geen kalibratie, maar elke meting kan enkele minuten duren, omdat de technicus de sensor handmatig moet draaien totdat één kant rechtstreeks in de stroom is gericht. Dit is gecompliceerd omdat de stroming niet noodzakelijkerwijs direct naar boven gaat op het punt dat wordt getest. Aan de basis van de stapel, rookgas gaat meestal rond een scherpe bocht, die gecompliceerde wervelingen en wervelingen creëert die zelfs in hoge schoorstenen niet verdwijnen.

Het gebruik van S-probes is zo arbeidsintensief dat een jaarlijkse kalibratie ter plaatse een dag of langer kan duren. "En de energiecentrale verliest geld de hele tijd dat de auditors er zijn, dus ze willen dat de technici zo snel mogelijk in- en uitstappen, ' zei Johnson.

Om dit proces te versnellen, de NIST-wetenschappers hebben drie innovaties gemaakt. Eerst, ze hebben twee nieuwe modellen pitotbuizen gemaakt, met vijf gaten in plaats van twee, die beter presteren dan S-sondes en mogelijk voordelen bieden ten opzichte van andere vijfgatsmodellen van pitotbuizen die momenteel in gebruik zijn.

De sondes, ontworpen door NIST-natuurkundige Iosif Shinder, zijn er in twee vormen:halfrond en conisch.

Tweede, de wetenschappers hebben een kalibratieschema ontwikkeld voor hun nieuwe sensoren waarbij geen technicus de sonde in een schoorsteen hoeft te draaien om de ware richting van de stroom voor elke meting te vinden. Dus, hoewel de sensoren voor gebruik gekalibreerd moeten worden, ze zouden veel minder tijd kosten om te gebruiken tijdens een daadwerkelijke audit.

Derde, Jim Filla van NIST ontwikkelde software die compatibel is met een commercieel verkrijgbaar geautomatiseerd systeem om de stroom in realtime te meten.

Het echte werk

Tot nu, de prestaties van de nieuwe sondes waren alleen gemeten in de testfaciliteit van NIST, die een schaalmodel schoorsteensimulator en een windtunnel omvat. Maar de laboratoria van NIST kunnen niet alle aspecten van een echte energiecentrale nabootsen, zoals de aanwezigheid van roet in de schoorsteenstroom.

"Het is één ding om het in onze windtunnel te testen, "Zei Johnson. "Het is iets anders om je voor te bereiden om het te testen in een stapel die 120 graden F is."

De eerste veldloop, in juli 2018, vond plaats in een aardgasfabriek, waar de stroom relatief eenvoudig te meten is.

De seconde, in september 2018, werd uitgevoerd in een kolengestookte elektriciteitscentrale met een bijzonder gecompliceerde stroom.

De kolencentrale had een gesloten platform waar de pitotbuizen in de schoorsteen werden gestoken. Maar het platform van de aardgasfabriek stond open voor de elementen. En op ongeveer 45 meter (145 voet) in de lucht, "dingen schudden, " zei NIST-technicus Joey Boyd. "Terwijl je aan het werk bent, de stapel zwaait, en de vloer onder je beweegt."

Toen NIST-onderzoekers de gegevens analyseerden, hun resultaten waren veelbelovend, binnen 2% akkoord gaan met hun laboratoriumbevindingen.

"De sondes presteerden net zo goed in de schoorsteen als in de testfaciliteit van NIST, ' zei Johnson.

Toekomstige veldtesten zullen de onderzoekers helpen het grootste probleem op te lossen dat ze hadden:verstopping van sensoren, waarin de poorten van de pitotbuizen vol zitten met water en fijnstof en moeten worden doorgespoeld voordat een test kan worden voortgezet.

Ook, het werk leerde hen dat ze speciale softwaresignalen naar hun apparatuur moesten schrijven telkens als er een "zuivering" was - een hogedrukstoot van lucht door de pitot-sonde die een belangrijk onderdeel van het apparaat zou kunnen beschadigen als bepaalde kleppen niet op tijd werden gesloten .