李傳經(jīng) 郭愛華

(上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院，上海 200233)

0 引言

中國國家氣象局氣候中心副主任羅勇表示，據(jù)科學(xué)家預(yù)測，未來50～100年人類將生活在一個(gè)持續(xù)變暖的世界。由于人類活動(dòng)的影響，21世紀(jì)溫室氣體和硫化物氣溶膠的濃度增加很快，未來100年內(nèi)全球溫度將迅速上升，全球平均地表溫度將上升1.4～5.8 ℃，導(dǎo)致海平面上升0.8 ～2.0 m。據(jù)估計(jì)，到2050年，我國平均氣溫將可能上升2.2℃，上海地區(qū)和東部沿海的部分地區(qū)將成為一片澤國。各國只有切實(shí)按照1997年在聯(lián)合國框架下通過的《京都議定書》執(zhí)行溫室氣體的減排，自覺進(jìn)入低碳生活方式，才能避免環(huán)境災(zāi)難的發(fā)生。

在經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中，發(fā)達(dá)國家有更多的義務(wù)去大幅度降低溫室氣體的排放。為了保持經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程，發(fā)達(dá)國家不可避免地要從不發(fā)達(dá)國家購買他們有盈余的碳排放指標(biāo)，事實(shí)上碳排放交易市場已經(jīng)形成。目前，碳排放交易的計(jì)價(jià)和交易額主要是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)計(jì)算的，而具有貿(mào)易計(jì)量性質(zhì)的碳排放計(jì)量必將成為交易的重要依據(jù);同時(shí)，為了降低碳排放，在節(jié)能減排技術(shù)領(lǐng)域中流量計(jì)量的重要性將進(jìn)一步提高。

1 無所不在的碳足跡

碳足跡指人類生活、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、產(chǎn)品和服務(wù)在運(yùn)行周期內(nèi)的“碳耗用量”，也就是燃燒化石燃料(主要為煤、石油和天然氣)或消耗其他燃料的二氧化碳當(dāng)量(CO2e)。對于碳耗用量的計(jì)算，目前已經(jīng)開發(fā)了基于Android或其他操作系統(tǒng)的計(jì)算軟件，目的是提醒人們在日常生活中有意識(shí)地降低碳排放量。大宗碳排放交易以流量計(jì)量為依據(jù)。本文將主要討論高耗能工業(yè)如化工、冶金、發(fā)電領(lǐng)域的碳足跡定量及相關(guān)技術(shù)。

2 世界碳排放的現(xiàn)狀

目前，大部分碳排放量源自化石燃料的燃燒，主要分布在發(fā)電、供熱、交通和制造業(yè)，如圖1所示［1］。溫室氣體主要以煙氣形式和明火燃燒形式通過火炬、煙囪等排向大氣。30年來我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，但主要以大量消耗能源和犧牲環(huán)境品質(zhì)為代價(jià)取得。

圖1 碳足跡分布Fig.1 Distribution of the carbon footprints

圖2 2006年各國碳排放量分布Fig.2 Distribution of carbon emissions of countries in 2006

從圖2可以看出，我國產(chǎn)出的單位能耗指標(biāo)仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于日本、美國等先進(jìn)工業(yè)國家，總體上還是以粗放型經(jīng)濟(jì)為主。雖然節(jié)能減排是世界各國的共同任務(wù)，但對我國具有特殊的重要性和迫切性。

3 流量學(xué)科將面臨的新技術(shù)領(lǐng)域

流量學(xué)科將面臨的新技術(shù)領(lǐng)域主要包括:碳捕捉和封存(carbon capture and storage，CCS);強(qiáng)化采油(enhanced oil recovery，EOR);煙道氣流量計(jì)量(flow measurement of stack gas);火炬氣流量計(jì)量(flow measurement of flare gas);適用于碳排放的流量計(jì)量儀表;適用于碳排放的流量儀表的試驗(yàn)和標(biāo)定。

4 碳捕捉和封存

碳捕捉和封存(CCS)過程由三級(jí)組成，即捕捉、輸送和封存。為了確定有關(guān)流量測量的對策，在此先簡單介紹CO2的物理性質(zhì)，進(jìn)而對CCS過程做簡要描述。CO2的三相圖如圖 3 所示［3］。

圖3 CO2的三相圖Fig.3 Triple-point diagram of CO2

CO2的三相圖給出了在不同溫度、壓力下CO2的存在狀態(tài)。在此需要特別說明的是少見的超臨界流態(tài)(super critical fluid，SCF)。在超臨界流態(tài)下，CO2既不是液體也不是氣體，而是不穩(wěn)定的介于氣、液之間的流體。這種流體給CO2的流量測量帶來很多困難，因此在CCS過程中應(yīng)盡量避免超臨界狀態(tài)(SCF)。

4.1 碳捕捉

簡言之，碳捕捉就是從高耗能產(chǎn)業(yè)的排放物中提取和富集CO2，防止其排放到大氣而成為溫室氣體的主要組成成分。碳捕捉工藝會(huì)導(dǎo)致總成本的提高，因此企業(yè)常常在碳捕捉和花錢購買排放指標(biāo)間舉棋不定。高昂的碳捕捉成本是減排的主要瓶頸，流量測量將在成本評(píng)估中扮演重要角色。我國已經(jīng)在上海石洞口第二電熱廠、北京熱電廠和內(nèi)蒙神華煤液化公司等八個(gè)項(xiàng)目中開展了CCS研發(fā)或演示裝置建設(shè)。

碳捕捉方法目前主要有三種，即燃燒后捕捉(postcombustion capture)、燃燒前捕捉(pre-combustion capture)和富氧燃燒法(oxy-fuel capture)。

燃燒后捕捉，即從煙道氣中用溶劑吸收和富集CO2，這將導(dǎo)致煙道氣處理成本提高10% ～30%(成本因使用溶劑的價(jià)格和效率不同而有所不同)。采用這種工藝的CO2提取率較低。

燃燒前捕捉，即在燃燒前就減少或捕捉CO2。該工藝適用于采用天然氣和煤制氣混合燃料的發(fā)電廠。煤制氣中的CO經(jīng)歷加水反應(yīng)成為CO2，并從甲烷中分離出來，提取率高達(dá)90% ～95%。剩下的只有純凈的甲烷，在燃燒時(shí)不產(chǎn)生CO2。燃燒前捕捉的缺點(diǎn)為前期投資很高，只適用于以天然氣或煤制氣為燃料的發(fā)電過程——整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(integrated gasification combined cycle，IGCC)，而且需投資昂貴的雜質(zhì)洗滌設(shè)備，以便將氮氧化物(NOx)的排放減少至最低。

富氧燃燒法是目前較有前途的捕捉工藝，是“燃燒后捕捉”工藝之一。其資金投入和捕捉率(可達(dá)100%)均可滿足成本核算的要求，即經(jīng)濟(jì)上是合算的，然而，初期投資也較高且技術(shù)復(fù)雜。據(jù)估計(jì)，工業(yè)化規(guī)模的碳捕捉在2020～2025年期間才可能實(shí)現(xiàn)。

4.2 碳輸送

管道輸送氣態(tài)CO2是目前碳輸送的主要形式，美國每年通過2500 km的管道輸送4×1012t CO2，流量測量遭遇大口徑、高壓、低溫等極端條件。英國在CCS技術(shù)方面發(fā)展領(lǐng)先，其北海廢棄油井提供了理想的CO2封存地點(diǎn)。由于在輸送途中CO2狀態(tài)將隨溫度、壓力的變化而轉(zhuǎn)換，因此長輸管線必須配置大量壓縮和測控設(shè)備，不言而喻，投資是巨大的。據(jù)估計(jì)，今后10年CCS的投資將達(dá)1000億美元;2010～2050年期間投資可能高達(dá)50000億美元。這給流量測量帶來新的挑戰(zhàn)，也帶來前所未有的機(jī)遇。

4.3 碳封存

碳封存可大幅度降低碳排放量，但必須絕對安全和確保CO2上千年內(nèi)無泄漏。常用的封存點(diǎn)有以下三種:廢棄油氣井、深層鹽礦含水層、無開采價(jià)值的深煤層。

此外，英國在北海油氣田進(jìn)行了注入CO2的強(qiáng)化采油技術(shù)(EOR)試驗(yàn)，所注入的CO2被永久封存;同時(shí)增加了油田的產(chǎn)量，這在一定程度上抵消了CCS的成本。流量測量在碳封存技術(shù)中也有較多應(yīng)用，如在注入量的計(jì)量、檢漏等方面均可發(fā)揮重要作用。

5 CCS對流量測量的新挑戰(zhàn)

5.1 流量測量的重要性

CCS過程的各個(gè)環(huán)節(jié)必然涉及大量流量測量技術(shù)問題，僅就經(jīng)濟(jì)方面考慮，流量測量也是至關(guān)重要的。以英國為例，目前英國主要大型火電站每年約排放2200萬t CO2，2013～2015年期間碳交易價(jià)格預(yù)計(jì)為每噸30英鎊，流量測量不確定度相差1%，每年碳交易價(jià)格就約660萬英鎊。

目前，英國已經(jīng)制定了較完善的CCS計(jì)劃，預(yù)計(jì)到2015年將捕捉25%的碳排放，2025年將捕捉100%的碳排放量。我國2011年消耗35億t標(biāo)準(zhǔn)煤，碳排放量為英國的12倍，CCS工作可以說僅在起步階段，包括流量測量在內(nèi)的過程測控行業(yè)既存在巨大的發(fā)展空間，又面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

5.2 CCS流量測量面臨的難題

5.2.1 不純凈的 CO2流

在CCS過程中，現(xiàn)有技術(shù)幾乎不可能捕捉到純度為95%的CO2，圖3所示的是純CO2三相圖，實(shí)際的三相圖與此有較大出入。如果不能確切掌握CO2混合流體的相、密度、壓縮系數(shù)等物理參數(shù)，流量測量的精確性會(huì)受到很大影響，因此需要對實(shí)際的CO2流體建立準(zhǔn)確的物性模型，以得到真實(shí)的三相圖。據(jù)此可以選擇合適的流量計(jì)并予以正確設(shè)定，方可獲得盡可能高的測量精度。

5.2.2 聲學(xué)衰減

對于在CCS過程中普遍應(yīng)用的超聲流量計(jì)，CO2的聲學(xué)衰減不但影響液體流量的測量，而且嚴(yán)重影響氣體流量的測量。本質(zhì)上，聲學(xué)衰減源于分子弛豫現(xiàn)象，其影響程度取決于流體的相、密度、溫度及壓力等參數(shù)。流量學(xué)科在這方面的研究還很不充分。

5.2.3 腐蝕

干燥純凈的CO2沒有腐蝕性，但實(shí)際流體中含有氮氧化物(NOx)、硫化氫(H2S)和二氧化硫(SO2)等雜質(zhì)。這些組分會(huì)在不同程度上對管道、設(shè)備和流量計(jì)產(chǎn)生腐蝕，因此必須慎重選取合適的材料并采取防腐措施。

5.2.4 超臨界流(SCF)

SCF的本質(zhì)是流體在高于其臨界溫度和臨界壓力下的特殊狀態(tài)。在較低溫度下，SCF的性狀接近液態(tài);在高于臨界壓力而低于臨界溫度時(shí)，液態(tài)的CO2轉(zhuǎn)變?yōu)椤懊芟嘁骸睜顟B(tài);當(dāng)溫度上升時(shí)，流體變?yōu)闅怏w相似物;同樣，當(dāng)壓力上升時(shí)，密相流也會(huì)從氣體相似物變?yōu)橐后w相似物。三相圖顯示SCF與包含氣液的兩相流體有清晰的界限。當(dāng)流體處于SCF相且正好在臨界邊緣時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一種均相的SCF和密相液體的混合物。這種處于超臨界區(qū)的均相流體可以進(jìn)行流量測量，但迄今人們對于適于SCF的流量計(jì)選用和測量精確度還知之甚少。

5.2.5 大口徑管流測量

由于CCS過程中CO2的輸送量一般都很大，管道口徑常達(dá)DN300，甚至DN1000，這使得流量計(jì)的選取余地變得很有限。

5.2.6 測試及校準(zhǔn)設(shè)備

雖然適用于CCS過程的測試及校準(zhǔn)裝置與普通流量測試設(shè)備沒有本質(zhì)區(qū)別，但是有必要考慮測量介質(zhì)的物性差別所引起的測量誤差［4］。目前，采用氣態(tài)或液態(tài) CO2，甚至SCF作為介質(zhì)的測試設(shè)備尚未出現(xiàn)，但為了更準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)CO2的物性，偶有采用輕質(zhì)油的裝置校準(zhǔn)CO2流量儀表。鑒于CCS過程中經(jīng)常出現(xiàn)兩相流，油-氣兩相流裝置也用于校準(zhǔn)兩相流流量儀表。

在碳捕捉過程中，煙道氣和火炬氣的流量測量不可避免，常用的儀表多為大口徑流量計(jì)，包括速度-面積法流量計(jì)(如皮托管、熱膜式等)、非插入式流量計(jì)(如夾裝式超聲流量計(jì))、互相關(guān)流量計(jì)(如光流量傳感式)等。這些儀表的校準(zhǔn)必須采用計(jì)量風(fēng)洞。目前，許多國家都建立了高精度的計(jì)量風(fēng)洞，如美國NIST、德國PTB、英國NEL以及我國NIM等國家級(jí)權(quán)威試驗(yàn)室都有基于激光多普勒測速(laser Doppler anemometry，LDA 或稱 laser Doppler velocimetry，LDV)技術(shù)的校準(zhǔn)裝置。常用的計(jì)量風(fēng)洞有“開環(huán)”和“閉環(huán)”兩類，基準(zhǔn)多數(shù)為LDA裝置，最高風(fēng)速很少超過40 m/s。

5.2.7 CCS過程中采用的流量儀表

①差壓式流量計(jì)

孔板，具有至少50年的使用實(shí)踐和30年的強(qiáng)化采油技術(shù)(EOR)領(lǐng)域應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，還有成熟的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5167。在已知密度和黏度的情況下，孔板在單相流CO2測量中的不確定度可以期望達(dá)到1%;當(dāng)已知溫度、壓力等條件時(shí)，即使測量超臨界流也可以取得可接受的測量結(jié)果?？装宓膯栴}仍然在于較大的壓損，這可能導(dǎo)致在測量超臨界流(SCF)時(shí)析出氣相物，造成較大的測量誤差。

文丘里管，除了壓損較小，文丘里管孔板并沒有很多優(yōu)點(diǎn)。因此，迄今在CCS過程中還沒有使用文丘里管的記錄。

皮托管流量計(jì)，由于有成熟的技術(shù)規(guī)范和使用經(jīng)驗(yàn)，至今仍被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括CCS過程。由于有國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 10780的支持，在英國碳排放流量測量中皮托管是首選的流量儀表。為了克服易被堵塞和點(diǎn)流速測量的局限性，已經(jīng)有各種皮托管改進(jìn)型投入使用，如S型皮托管、矩形管道皮托管和均速型皮托管等。

V-錐流量計(jì)，被認(rèn)為是文丘里管的變型設(shè)計(jì)，具有與文丘里管近似的優(yōu)缺點(diǎn)。該流量計(jì)有測量兩相流的記錄，但在CCS中還沒有應(yīng)用。使用V-錐流量計(jì)前必須逐臺(tái)標(biāo)定，且標(biāo)定導(dǎo)致成本上升，但即便如此它也不可能達(dá)到孔板的測量精度。

②速度式流量計(jì)

渦輪和渦街流量計(jì)極少在CCS過程中使用，超聲流量計(jì)在CCS中雖然有所使用，但CO2對聲波的強(qiáng)烈吸收成為其應(yīng)用的主要瓶頸。管外安裝式的超聲流量計(jì)則有較好的應(yīng)用前景。

③科里奧利質(zhì)量流量計(jì)

位于德克薩斯州西部的Yates油田積累了科里奧利質(zhì)量流量計(jì)(Coriolis mass flowmenter，CMF)用于CCS過程的成功經(jīng)驗(yàn)，在EOR工藝和碳交易計(jì)量中發(fā)揮了優(yōu)勢。CMF最突出的優(yōu)點(diǎn)是可以直接獲得質(zhì)量流量測量結(jié)果，甚至可以測量兩相流流量，但測量精度有所下降;其局限性在于目前最大口徑只達(dá)到DN300，在測量大口徑管流時(shí)不得不采取并聯(lián)的布局，增加了測量成本。

5.2.8 CCS流量測量的技術(shù)要求和規(guī)范

歐盟排放交易計(jì)劃(EU emissions trading scheme，ETS)規(guī)定，各國必須對碳排放量進(jìn)行報(bào)告、數(shù)據(jù)認(rèn)證和排放管理，其流量測量的性質(zhì)為貿(mào)易計(jì)量，因此對測量不確定度要求較嚴(yán)格。由于以“噸”進(jìn)行交易，需同時(shí)測量溫度、壓力、密度、組分等參數(shù);同時(shí)由于流量儀表安裝條件、大管徑、組分多變等不利因素，使煙道氣和火炬氣流量計(jì)量成為本學(xué)科中的難題。歐盟、加拿大和美國已經(jīng)立法執(zhí)行十分嚴(yán)格的碳排放計(jì)劃，特別是ETS已經(jīng)從2008年起進(jìn)入第二階段，意味著更嚴(yán)厲的CO2排放計(jì)量文件《監(jiān)管及報(bào)告導(dǎo)則》(monitoring and reporting guidelines，MRG)已經(jīng)付諸實(shí)施，碳排放計(jì)量更具法制計(jì)量色彩。導(dǎo)則規(guī)定，年排放量在50～500 kt的大型燃燒企業(yè)屬B類排放企業(yè)，監(jiān)督及報(bào)告排放總量的測量不確定度不得劣于12.5%(k=2)。這個(gè)要求看似不高，但導(dǎo)則又規(guī)定，B類企業(yè)應(yīng)該盡可能提高其碳排放計(jì)量的水平，以達(dá)到最高等級(jí)。所謂“最高等級(jí)”是指總排放量計(jì)量的不確定度要達(dá)到7.5%，而CO2計(jì)量的不確定度應(yīng)不劣于2.5%。美國環(huán)境保護(hù)協(xié)會(huì)(US Environmental Protection Agency，EPA)會(huì)同美國海洋能源管制局(Bureau of Ocean Energy Management，Regulation and Enforcement，BOEMRE)發(fā)布了強(qiáng)制性的條令CFR30和CFR40，要求企業(yè)定期上報(bào)溫室氣體的排放量，包括 CO2、N2O、CH4等;CFR30還要求墨西哥灣日產(chǎn)超過2000桶的采油平臺(tái)以不確定度優(yōu)于5%的計(jì)量裝置測量火炬和放空燃?xì)獾呐欧帕?。總之，碳排放的流量?jì)量已經(jīng)成為本學(xué)科的熱點(diǎn)，各國計(jì)量權(quán)威機(jī)構(gòu)(如歐盟 ETS、英國 BSI、美國 API等)被委托介入這一法制計(jì)量的新領(lǐng)域，代表政府執(zhí)行環(huán)境保護(hù)的有關(guān)法令［5］。

5.3 煙道氣和火炬氣的流量測量［6］

5.3.1 具有挑戰(zhàn)性的流量測量技術(shù)要求

①特大口徑管流:不同于CCS輸送流量測量，煙道氣和火炬氣的管道常常具有特大管徑，甚至有達(dá)到4 m的管徑，截面形狀也不完全是圓形。

②不理想的流量計(jì)安裝條件:在工廠設(shè)計(jì)初期，管流的測量有時(shí)并未被考慮，安裝流量計(jì)時(shí)常常不能滿足前后直管段要求。

③沒有流量計(jì)安裝位置:工藝管道上不允許為流量計(jì)安裝進(jìn)行改建，只能考慮采用非插入式安裝的流量計(jì)。雖然超聲流量計(jì)在大管徑測量和聲衰減方面有一定的局限性，但在特定情況下管外夾裝式超聲流量計(jì)成了唯一選擇。

④低流速:常常發(fā)生特低流速，以致某些流量計(jì)不能正常工作。

⑤氣體組分不穩(wěn)定:由于工藝條件多變，氣體組分及其他物理參數(shù)不穩(wěn)定，使得對組分敏感的流量計(jì)無法正確測量。

⑥氣體中多粉塵和雜質(zhì):過程工藝產(chǎn)生的雜質(zhì)導(dǎo)致流量計(jì)工作失常甚至損毀。

5.3.2 流量測量技術(shù)和流量儀表的選取

上述測量條件使得流量計(jì)的選取余地較小。原則上仍然可能在常規(guī)流量儀表中選取堪當(dāng)重任的流量計(jì)，并盡可能改善測量條件，取得可接受的測量結(jié)果。本文將介紹部分適用于煙道氣和火炬氣的流量測量技術(shù)和儀表。

①采用互相關(guān)原理的流量測量。在多相流流量測量中，互相關(guān)技術(shù)早有應(yīng)用，但迄今市場上很少有相應(yīng)產(chǎn)品。究其原因，互相關(guān)技術(shù)僅僅是諸多流量測量原理之一，其技術(shù)較為復(fù)雜，應(yīng)用條件多種多樣，幾乎不可能開發(fā)出像孔板、渦街那樣的通用流量儀表。但在CCS應(yīng)用和碳排放測量中，互相關(guān)技術(shù)卻有獨(dú)特的適用空間。

②非插入測量技術(shù)。如前所述，很多高耗能企業(yè)在設(shè)計(jì)初期并未考慮排放管流的測量，以致流量計(jì)無法安裝，管外安裝型的超聲流量計(jì)或伽馬射線流量計(jì)等成為僅有的選擇。目前，美國 GE(相關(guān)法)和Siemens(寬波束法，wide beam)集團(tuán)都有超聲式產(chǎn)品。當(dāng)然，并非所有應(yīng)用問題均可得到滿意解決，還需視具體工況而定。除了這兩種主要的非插入式流量計(jì)，還有基于核輻射、聲納、聲學(xué)、斷層掃描等原理的傳感方法。利用這些方法，再結(jié)合互相關(guān)技術(shù)，可形成多種非插入式流量測量儀表。非插入式流量計(jì)選型如表1所示。表1中的點(diǎn)數(shù)表示適用程度。

表1 非插入式流量計(jì)選型Tab.1 Selection of non-insertion flow meter

③示蹤法標(biāo)定技術(shù)。多數(shù)大口徑流量計(jì)安裝后就不能拆卸，更不可能安裝標(biāo)準(zhǔn)表，導(dǎo)致今后的周期檢定無法解決?；贗SO 4053的示蹤法標(biāo)定技術(shù)可發(fā)揮不可替代的作用。擴(kuò)散稀釋法的原理為在煙道上游注入已知濃度(Ct)和流量(Qt)的示蹤氣體，如很適合作為示蹤劑的無毒、無臭、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的六氟化硫氣體(SF6);然后在下游提取充分混合的氣樣，并測量其中示蹤氣體的濃度(Cm);最后按照式(1)計(jì)算，即可獲得煙道氣體的總流量(Qm):

式中:k為修正系數(shù)。

英國NEL認(rèn)為，如果仔細(xì)控制各項(xiàng)影響量，示蹤法測量不確定度可達(dá)4%，可以標(biāo)定煙道流量計(jì)。示蹤法中的標(biāo)記法原理更為簡單，即在已知距離內(nèi)測量示蹤物的傳導(dǎo)時(shí)間差，得到流速;然后乘以管道面積，即可獲得煙道總流量。

④采用互相關(guān)原理的光傳感器方法［7-8］。眾所周知，互相關(guān)原理簡言之就是測量沿管道方向兩個(gè)距離已知的兩點(diǎn)之間的流體特征物的渡越時(shí)間，然后計(jì)算得到流速，再乘以管道截面積，即可獲得總流量。采用互相關(guān)原理的關(guān)鍵是如何最大化流體特征物在兩個(gè)測點(diǎn)的信號(hào)的相關(guān)度。光傳感器互相關(guān)流量計(jì)是美國一家公司近年推出的產(chǎn)品，其原理基于光學(xué)閃爍場現(xiàn)象，即當(dāng)平行光束以90°入射角從管道一側(cè)通過被測流體時(shí)，在另一側(cè)接收到的是隨機(jī)擾動(dòng)的閃爍場信號(hào)。在自然界，接近沙漠地平線處可看到擾動(dòng)的“閃爍光場”;夏天的瀝青公路表面也可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)因空氣溫度及密度變化引起的氣體擾動(dòng)現(xiàn)象?！伴W爍光場”在光接收器上的成像如圖4所示。光源可以是紅外光，也可采用對被測介質(zhì)穿透性更好的可見光源。

圖4 閃爍光場成像圖Fig.4 Imaging of the flickering light field

光流量傳感器(optical flow sensor，OFS)互相關(guān)流量計(jì)的原理如下。光接收器A和B的閃爍信號(hào)形態(tài)有很小的差異，對閃爍光場A和B的信號(hào)建立數(shù)學(xué)模型，繼而建立互相關(guān)數(shù)學(xué)模型并求解相關(guān)函數(shù)，得出它們的相關(guān)度。經(jīng)過多次采樣和計(jì)算，找到相關(guān)度的最大值，此時(shí)可將一個(gè)像場“定位”，并測出流體流經(jīng)A、B兩個(gè)接收器的渡越時(shí)間，然后算出流速，再乘以管道截面積即可得到管道總流量。該流量計(jì)的原理如圖5所示。

圖5 光傳感器互相關(guān)流量計(jì)原理圖Fig.5 Principle of the cross correlation flow meter based on optical sensor method

采用互相關(guān)原理的光傳感器流量計(jì)具有以下特點(diǎn):與被測氣體的溫度、壓力、密度、濕度和阻光度無關(guān);真正的非插入式安裝，光線可通過“窗口”入射;測得的流量是平均流量;經(jīng)美國NIST檢定，儀表準(zhǔn)確度可達(dá)±2%;光源和接收器的安裝位置精度不影響測量結(jié)果;無可動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，沒有防爆要求。

6 結(jié)束語

我國行政及計(jì)量部門應(yīng)對碳排放的貿(mào)易計(jì)量特性予以重視，應(yīng)預(yù)見到十年內(nèi)碳排放計(jì)量將和石油、天然氣等能源的貿(mào)易計(jì)量同樣重要。雖然發(fā)達(dá)國家對溫室氣體的減排有更大的義務(wù)，但CCS應(yīng)用和碳排放計(jì)量有利于我國本身的可持續(xù)發(fā)展，與發(fā)達(dá)國家減排工作的優(yōu)劣沒有直接關(guān)系。不存在專用于CCS過程和碳排放的流量儀表，所有現(xiàn)存的流量儀表在測量條件適合時(shí)，都可以用于CCS過程和碳排放計(jì)量。在CCS過程和碳排放計(jì)量應(yīng)用中，主要難點(diǎn)在于特殊的工況，而不是尋求專用的“碳排放流量儀表”，因此開展CCS流量測量應(yīng)用技術(shù)研究遠(yuǎn)比新型流量計(jì)的開發(fā)研制重要。其實(shí)，“重開發(fā)，輕應(yīng)用”也是檢測儀表行業(yè)中長期存在的問題。由于歐盟在“控碳”方面有很多實(shí)踐及嚴(yán)格的要求，因此加強(qiáng)對歐盟所屬國際組織及相關(guān)技術(shù)規(guī)范的了解十分必要。美國在CCS和EOR技術(shù)方面有較豐富的經(jīng)驗(yàn)，并已取得實(shí)在的經(jīng)濟(jì)效益，借鑒他們已取得的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)有助于提升我國在節(jié)能減排領(lǐng)域的流量測量技術(shù)水平。

［1］碳足跡［EB/OL］.［2012-08-30］.http://image.baidu.com/i?tn=baiduimage＆ct=201326592＆lm=-1＆cl=2＆nc=1＆word=%E7%A2%B3%E8%B6%B3%E8%BF%B9＆ie=utf-8.

［2］EIA，國都證券研究所.2006年全球碳排放分布［EB/OL］.［2012 -08 -30］.http://image.baidu.com/i?tn=baiduimage＆ct=201326592＆lm=-1＆cl=2＆nc=1＆word=%CC%BC%C5%C5%B7%C5.

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