Место отбора проб промышленных выбросов выбирают не после того, как собрали аппаратуру, а до выезда. Прибор может быть поверен, фильтр взвешен с точностью до 0,1 мг, расчёт проверен дважды — и всё равно результат будет описывать не выброс, а местную неравномерность потока, если сечение выбрано за отводом или точка стоит у самой стенки. В пособии 2013 года мысль сформулирована без оговорок: правильно оборудованные места отбора — это прежде всего представительные результаты, а уже потом комфорт и безопасность.
Почему место решает больше, чем прибор
Выброс считают как произведение объёмного расхода газа на концентрацию загрязняющего вещества. Оба множителя зависят от сечения: расход — от скорости, которая по площади газохода распределена неравномерно, концентрация — от того, попала ли проба в струю с крупными частицами или прошла мимо них. Поэтому «средняя» точка, выбранная на глаз, даёт не среднюю концентрацию, а случайную.
После колена, отвода или задвижки поток скошен: скорость у одной стенки может быть вдвое выше, чем у другой, а крупные частицы под действием инерции уходят к внешней стороне поворота. В горизонтальном газоходе добавляется гравитация: крупная пыль оседает на дне, и проба, отобранная сверху, окажется легче, чем поток в целом. Именно поэтому пособие требует выбирать сечение на прямом участке и предпочитает вертикальные участки, где оседание на стенки минимально.
Есть и организационная сторона: если штуцеров нет или электричества не хватает, измерение всё равно проведут — с удлинителем и отклонением от процедуры. Поэтому проверка места входит в подготовку к выезду.
Требования к измерительному сечению
Измерительное сечение газохода — плоскость, перпендикулярная оси газохода, в которой расположены точки отбора. Пособие, опирающееся на ISO 9096:2003 (ГОСТ ИСО 9096-2006) и ГОСТ Р 50820-95, задаёт к ней несколько требований одновременно.
Прямой участок. Часть прямой трубы, обеспечивающая постоянную скорость в плоскости отбора, должна быть не менее семи диаметров длиной. Плоскость отбора располагают на расстоянии пяти диаметров от входного отверстия. Если труба выбрасывает газ прямо в атмосферу, расстояние от плоскости до верхнего среза тоже должно составлять пять диаметров — таким образом, общая длина прямого участка получается десять диаметров. Отрезок до сечения должен быть длиннее отрезка после него; конкретное соотношение берут по графику пособия.
Абсолютный минимум. Если выдержать семь диаметров невозможно, остаётся нижняя граница: не менее четырёх-пяти эквивалентных диаметров газохода. При этом количество точек измерений удваивают — компенсируют короткий участок более подробной разведкой сечения. Для прямоугольного газохода эквивалентный диаметр считают по сторонам сечения, а не по диагонали.
Что рядом. Сечение должно быть удалено от мест, где меняется направление потока (колена, отводы) или площадь сечения (задвижки, дросселирующие устройства). Формально это требование к расстоянию, фактически — к однородности потока: именно она делает пробу представительной.
Ориентация. Вертикальный участок предпочтительнее. В горизонтальной трубе точки располагают в верхней части и учитывают осадки на дне: концентрация вверху, посередине и внизу может существенно различаться, поэтому пробы отбирают как минимум в этих трёх положениях.
Если сечение не соответствует
Идеального места на действующем производстве часто нет. Пособие предлагает три последовательных решения, и применять их нужно именно в этом порядке.
Первое — удвоить число точек. Короткий прямой участок компенсируют более частой сеткой: если по таблице для диаметра нужно четыре точки на линии, берут восемь. Это не исправляет скошенный поток, но позволяет увидеть его и осреднить результат по площади.
Второе — перенести плоскость. Если подходящего сечения нет, измерения допускается проводить на прямолинейном участке, разбив его в соотношении примерно 3:1 в направлении движения газа: ближе к началу участка, где поток ещё не успел перестроиться после возмущения.
Третье — дооборудовать место. Когда ни то, ни другое невозможно, лаборатория информирует руководство предприятия (главного инженера) о том, как нужно оборудовать газоход: штуцера, подвод электричества, обогреваемую площадку. Ответственность за организацию мест отбора пособие прямо возлагает на руководителя предприятия.
Проверить пригодность сечения можно и по кислороду. Пособие требует измерять O2 по сечению минимум в трёх точках — в центре и по краям. Если разница между точками превышает 2 % при содержании кислорода от 1 до 12 % или 1 % при содержании от 12 до 20 %, сечение считается неоднородным: нужно выбирать другое место или устранять подсосы по газоходу. Такой тест заодно выявляет негерметичные штуцера и неплотности газохода.
Сколько точек и как их разметить
Число точек зависит от диаметра. Для круглых газоходов пособие даёт минимальные значения: до 0,20 м — одна точка с центральной или две при чётной разбивке (всего 1 или 4 на сечении); 0,20–0,50 м — три или две (5 или 4); 0,50–1,00 м — пять или четыре (9 или 8); 1,00–1,40 м — семь или шесть (13 или 12); 1,40–2,00 м — девять или восемь (17 или 16); 2,00–3,00 м — одиннадцать или десять (21 или 20); более 3,00 м — тринадцать или двенадцать (24 или 25).
Для круглого газохода возможны две схемы: с чётным числом точек и с нечётным, когда одна точка стоит в центре. Точки располагают так, чтобы каждая соответствовала равной площади кольца, а не равному расстоянию от стенки. Для четырёх точек на линии расстояния от стенки составляют 6,7; 25; 75 и 93,3 % диаметра, для двух — 14,6 и 85,4 %. Разметку ведут по двум взаимно перпендикулярным диаметрам, через два штуцера.
В прямоугольном газоходе плоскость делят линиями, параллельными сторонам, на равные области, а точки ставят в центрах этих областей. Если отношение сторон больше двух, длинную сторону делят на большее число частей так, чтобы каждая область была вытянута не более чем вдвое. Эквивалентный диаметр прямоугольного сечения считают по площади и периметру.
Штуцера: размер, материал, уплотнение
Штуцер для отбора проб — отверстие в трубе в конце линии отбора, куда вставляется пробоотборный зонд. Пособие задаёт его размеры: длина 20–100 мм, внутренний диаметр 60–100 мм. Этого должно хватать, чтобы свободно внести и вынуть зонд, не задев стенки.
Штуцера закрывают завинчивающимися крышками. На практике крышка на резьбе при высокой температуре и агрессивной среде «прикипает». Поэтому пособие допускает другие исполнения: газоплотные «стаканы» без резьбы (при отсутствии избыточного давления в трубе) или фланцы на болтах и шпильках. Уплотнение — паранит или аналогичная термостойкая прокладка.
Главное требование к узлу — герметичность в обе стороны: не должно быть ни утечки газа, ни подсоса воздуха. Подсос опасен тем, что разбавляет пробу и занижает концентрацию, а по кислороду выглядит как обогащение пробы воздухом. При монтаже щадят теплоизоляцию и покрытие и следят, чтобы кромка отверстия не создавала завихрение.
Материал выбирают по температуре и составу газа: коррозионно-стойкая сталь, титан, кварц, стекло. Если планируется анализ пыли на тяжёлые металлы, части, контактирующие с пробой, из нержавеющей стали не делают.
Площадка для отбора
Площадка должна вмещать двух человек и аппаратуру, а также давать место для перемещения длинных газонапорных трубок и зондов. Пособие перечисляет минимум: место для хранения и размещения измерительной аппаратуры, розетки 220 В для электроаспиратора и других приборов, а при использовании эжектора — линию сжатого воздуха давлением 0,6 МПа.
Для газоходов диаметром более 3 м, расположенных вне зданий цехов, рекомендуется обогреваемый бокс с электричеством, освещением и местом под оборудование. Высота бокса должна позволять выполнять измерения скорости по всей высоте газохода: если труба высокая, а бокс низкий, верхние точки останутся недоступными, и сечение будет обследовано частично.
Доступ, лестницы, ограждения и освещение — зона ответственности предприятия, но лаборатория проверяет их заранее. Зимой добавляются обледенение, ветер и мороз, от которых зависит и работа расходомеров. Если площадка не готова, выезд лучше перенести.
Схема разметки: пример с числами
Разметка начинается с измерения газохода. Для круглой трубы измеряют расстояние от конца штуцера до ближней внутренней стенки (Q) и до дальней (F), а диаметр получают как разность: D = F − Q. В примере пособия F = 92 см, Q = 12 см, значит D = 80 см.
По таблице минимального числа точек для диаметра 0,80 м подходят четыре точки на линии (чётная схема) или пять (с центральной). Выбираем четыре. По таблице расстояний для N = 4 получаем: 6,7 % · 80 = 5,4 см; 25 % · 80 = 20 см; 75 % · 80 = 60 см; 93,3 % · 80 = 74,6 см. Сумма отрезков даёт те же 80 см.
Газонапорную трубку размечают не от стенки, а от конца штуцера: к каждому расстоянию прибавляют Q. Метки получаются 17,4; 32; 72 и 86,6 см. Наносят их термостойким скотчем или другим способом, который выдержит температуру, и при измерении совмещают метку с концом штуцера. Ту же разметку переносят на зонд для отбора пыли, а затем повторяют её по второму, перпендикулярному штуцеру.
Ошибка в диаметре уходит во все расстояния сразу, поэтому его проверяют по нескольким направлениям и учитывают толщину изоляции: наружный размер трубы и внутренний диаметр газохода — разные величины.
Что проверить перед выездом
Чек-лист ниже не заменяет проект производства работ, но закрывает те пункты, из-за которых выезд чаще всего заканчивается повторным.
| Что проверить | Как проверить | Чем грозит |
|---|---|---|
| Схема газохода и высота штуцеров | запросить у предприятия, сверить с фактической разметкой и отметками на трубе | точки окажутся не в том сечении, разметка зонда не сойдётся |
| Внутренний диаметр и толщина стенки | измерить F и Q, пересчитать D = F − Q, проверить по чертежу | сдвиг всех точек, неверная площадь сечения и расход |
| Число и расположение штуцеров | два взаимно перпендикулярных штуцера на круглом газоходе, свободный проход зонда | невозможно обследовать сечение по двум диаметрам |
| Состояние крышек и прокладок | открыть и закрыть на месте, взять запасные прокладки | прикипевшая крышка, срыв графика отбора |
| Электропитание 220 В | уточнить розетку, её нагрузку и удаление от штуцеров | аспиратор не запустить, отбор сорван |
| Сжатый воздух для эжектора | уточнить давление 0,6 МПа и точку подключения | эжектор не работает, объём пробы не набран |
| Площадка и доступ | два человека, место под аппаратуру, освещение, ограждения, свободный проход с зондом | работа с нарушением безопасности и процедуры |
| Температура и агрессивность газа | сверить с паспортом источника, подобрать материал зонда и насадки | деформация зонда, разрушение фильтра |
| Аппаратура и поверка | газонапорная трубка с коэффициентом, зонды, набор насадок, фильтры, весы | измерение без прослеживаемости |
| Погода и режим предприятия | прогноз, ветер, гололёд; согласовать стабильный режим работы | отбор при нестационарном процессе |
Типичные ошибки
Отбор сразу за отводом. Формально штуцер есть, фактически поток скошен, и точка на оси даёт завышенную или заниженную скорость в зависимости от того, с какой стороны поворота она оказалась. Лечение одно — переносить сечение на прямой участок или удваивать число точек.
Завихрение. Его видно по скачущему динамическому давлению и точкам, где показания меняют знак. Если трубка стоит не по оси потока или насадка повёрнута, скорость считается неверно, а вместе с ней и объёмный расход. Перед отбором проверяют ориентацию насадки и повторяют измерение в реперной точке.
Негерметичный штуцер. Подсос воздуха через неплотность разбавляет пробу: концентрация пыли падает, кислород растёт. Признак — расхождение O2 по сечению больше допустимого. Уплотнение проверяют до и после отбора, а лучше — контролируют концентрацию O2 или CO2 в газоходе и в линии отбора одновременно.
Точка в пограничном слое. Первая и последняя точки всегда ближе к стенке, и соблазн «поставить на 10 см от стенки» велик. Но расстояния рассчитывают по диаметру и числу точек, а не по удобству: в пограничном слое скорость занижена, и точка перестаёт быть представительной. Для газоходов малого диаметра лучше выбрать схему с центральной точкой, чем добавлять произвольную точку у стенки.
Неверно измеренный диаметр. Толщина стенки, изоляция, окалина — и вот уже площадь сечения завышена на несколько процентов, а расход и выброс посчитаны с систематической ошибкой. Диаметр измеряют по внутренней стенке и сверяют с паспортом газохода.