Las chimeneas en las centrales eléctricas de carbón tienen sensores que monitorean continuamente sus emisiones midiendo el flujo de gases como el dióxido de carbono, mercurio, dióxido de azufre, y óxidos de nitrógeno. Por ley federal, estos sensores deben calibrarse todos los años. Están calibrados con pequeños, dispositivos portátiles de medición de flujo llamados tubos pitot.

Pero los científicos sospechan que existen incertidumbres bastante altas en las mediciones de calibración realizadas con los tubos de Pitot. Y las incertidumbres serán un problema para las empresas si a las centrales eléctricas se les cobra por sus emisiones bajo políticas de tope y comercio.

Anticipándose a la eventual necesidad de aumentar la precisión de estas mediciones, y trabajando en consulta con el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI), Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) ahora han medido las incertidumbres de los diferentes tipos de tubos pitot que se utilizan ahora para calibrar los sensores de emisión de chimeneas.

"El propósito de este estudio es brindar opciones a la industria, ", dijo Aaron Johnson de NIST." ¿Podemos mejorar las mediciones? ¿Cuánto mejor? ¿Y podemos hacerlo por poco dinero? "

Luchando contra el remolino

La medición de las emisiones de las chimeneas requiere dos cosas:conocer la concentración de contaminantes dentro de un gas de combustión y saber qué tan rápido fluye el gas.

Los investigadores han podido medir con precisión la concentración de contaminantes emitidos durante décadas. Pero obtener mediciones de flujo precisas ha sido más complicado. Esto se debe a que antes de ser emitido, Los gases de combustión generalmente viajan alrededor de una curva cerrada. La curva crea complicados remolinos y remolinos que no desaparecen ni siquiera en las chimeneas altas.

"El remolino persiste a medida que subes, "Dijo Johnson." A los caudalímetros no les gusta eso. Funcionan muy mal cuando tiene estos componentes de flujo cruzado ".

Ahora, para medir el flujo, las chimeneas se instalan con un sistema ultrasónico llamado Sistema de Monitoreo Continuo de Emisiones (CEMS), que consta de un par de dispositivos que se turnan para enviar pulsos ultrasónicos entre sí desde arriba y abajo de la chimenea. En una dirección, el ultrasonido viaja con el flujo y se acelera ligeramente. En la otra dirección viaja contra él y se ralentiza ligeramente. Calcular la velocidad del gas requiere medir cuánto tiempo tarda el ultrasonido en viajar en cada dirección.

Los tubos de Pitot son pequeños dispositivos portátiles que miden qué tan bien este sistema de ultrasonido CEMS está haciendo su trabajo. Cada año, Los técnicos utilizan tubos de Pitot para realizar lo que se denomina Auditoría de prueba de precisión relativa (RATA). Para realizar la auditoría, insertan un tubo de pitot en la chimenea horizontalmente. El tubo tiene pequeños orificios o puertos. Un puerto mira directamente al flujo de gas y detecta la presión que se acumula en el tubo. Cuanto más rápido sea el flujo, cuanto mayor sea la presión; medir la presión les permite calcular la velocidad del flujo.

Si el tubo de Pitot mide el mismo flujo que el dispositivo CEMS ultrasónico, la planta de energía pasa su prueba de emisiones. Pero no hay reglas que requieran que los tubos de Pitot estén calibrados. Como resultado, no se sabe exactamente qué tan precisos son los métodos del CEMS o del tubo de Pitot.

Ahorrar dinero

El tubo de pitot más utilizado se llama "sonda s". Tiene dos puertos que apuntan en direcciones opuestas. Un puerto apunta directamente al flujo. El otro apunta directamente lejos del flujo. La presión es mayor en el puerto aguas arriba que en el puerto aguas abajo. Los técnicos miden esta diferencia de presión y la utilizan para calcular la velocidad del flujo de gas.

Los investigadores del NIST han estado probando este tipo de tubo de Pitot, así como otros dos, la "sonda prismática" y la "sonda esférica, "Ambos tienen cinco puertos en lugar de dos.

Iosif Shinder de NIST está probando las tres sondas en un túnel de viento, en el que el flujo se mide con alta precisión.

Después de ser calibrado en el túnel de viento, Los tubos de Pitot también se están probando en el simulador de chimenea horizontal del NIST. que produce remolinos y remolinos similares a los de las chimeneas industriales.

Para utilizar los tubos pitot de la sonda s en una chimenea, un técnico de RATA se asegura de que uno de los orificios esté orientado hacia la verdadera dirección del flujo. En la práctica, esto significa rotar la sonda para determinar la dirección de la mayor diferencia de presión. El proceso, llamado "anulación de guiñada, "debe repetirse decenas de veces durante una prueba RATA.

"Es bastante laborioso, ", Dijo Johnson. Es tan intensivo que una calibración anual en el sitio puede tardar días en completarse". Y la planta de energía pierde dinero todo el tiempo que los probadores RATA están allí, por eso quieren que los técnicos entren y salgan lo más rápido posible ".

Adaptando un proceso utilizado en otras industrias, Shinder está desarrollando una técnica que elimina la necesidad de anular la guiñada. Requiere una calibración más compleja de los tubos pitot en un laboratorio, pero Johnson y Shinder dicen que confían en que los ahorros de acortar las pruebas RATA compensarán el gasto adicional de calibración.

Johnson y Shinder también estaban interesados ​​en mejorar el método de ultrasonido CEMS en sí mismo y están midiendo cuánto mejores serían las mediciones con un segundo par de transmisores-receptores ultrasónicos. Han estado probando una instalación de patrón x usando dos pares de dispositivos de ultrasonido en lugar de uno, Johnson dijo. "Con el patrón x, usted compensa el flujo cruzado ".

Los investigadores están haciendo arreglos para probar sus hallazgos en una chimenea industrial en funcionamiento este verano. Además de las centrales eléctricas de carbón, Johnson dijo que las industrias de producción de cemento y papel también podrían utilizar la nueva información.