低碳時代的流量測量

李傳經 郭愛華

(上海工業自動化儀表研究院，上海 200233)

0 引言

中國國家氣象局氣候中心副主任羅勇表示，據科學家預測，未來50～100年人類將生活在一個持續變暖的世界。由于人類活動的影響，21世紀溫室氣體和硫化物氣溶膠的濃度增加很快，未來100年內全球溫度將迅速上升，全球平均地表溫度將上升1.4～5.8 ℃，導致海平面上升0.8 ～2.0 m。據估計，到2050年，我國平均氣溫將可能上升2.2℃，上海地區和東部沿海的部分地區將成為一片澤國。各國只有切實按照1997年在聯合國框架下通過的《京都議定書》執行溫室氣體的減排，自覺進入低碳生活方式，才能避免環境災難的發生。

在經濟活動中，發達國家有更多的義務去大幅度降低溫室氣體的排放。為了保持經濟發展進程，發達國家不可避免地要從不發達國家購買他們有盈余的碳排放指標，事實上碳排放交易市場已經形成。目前，碳排放交易的計價和交易額主要是根據化學反應計算的，而具有貿易計量性質的碳排放計量必將成為交易的重要依據;同時，為了降低碳排放，在節能減排技術領域中流量計量的重要性將進一步提高。

1 無所不在的碳足跡

碳足跡指人類生活、經濟活動、產品和服務在運行周期內的“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量(CO2e)。對于碳耗用量的計算，目前已經開發了基于Android或其他操作系統的計算軟件，目的是提醒人們在日常生活中有意識地降低碳排放量。大宗碳排放交易以流量計量為依據。本文將主要討論高耗能工業如化工、冶金、發電領域的碳足跡定量及相關技術。

2 世界碳排放的現狀

目前，大部分碳排放量源自化石燃料的燃燒，主要分布在發電、供熱、交通和制造業，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年來我國經濟發展迅速，但主要以大量消耗能源和犧牲環境品質為代價取得。

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，我國產出的單位能耗指標仍然遠遠落后于日本、美國等先進工業國家，總體上還是以粗放型經濟為主。雖然節能減排是世界各國的共同任務，但對我國具有特殊的重要性和迫切性。

3 流量學科將面臨的新技術領域

流量學科將面臨的新技術領域主要包括:碳捕捉和封存(carbon capture and storage，CCS);強化采油(enhanced oil recovery，EOR);煙道氣流量計量(flow measurement of stack gas);火炬氣流量計量(flow measurement of flare gas);適用于碳排放的流量計量儀表;適用于碳排放的流量儀表的試驗和標定。

4 碳捕捉和封存

碳捕捉和封存(CCS)過程由三級組成，即捕捉、輸送和封存。為了確定有關流量測量的對策，在此先簡單介紹CO2的物理性質，進而對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。在此需要特別說明的是少見的超臨界流態(super critical fluid，SCF)。在超臨界流態下，CO2既不是液體也不是氣體，而是不穩定的介于氣、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過程中應盡量避免超臨界狀態(SCF)。

4.1 碳捕捉

簡言之，碳捕捉就是從高耗能產業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。碳捕捉工藝會導致總成本的提高，因此企業常常在碳捕捉和花錢購買排放指標間舉棋不定。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估中扮演重要角色。我國已經在上海石洞口第二電熱廠、北京熱電廠和內蒙神華煤液化公司等八個項目中開展了CCS研發或演示裝置建設。

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，這將導致煙道氣處理成本提高10% ～30%(成本因使用溶劑的價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電廠。煤制氣中的CO經歷加水反應成為CO2，并從甲烷中分離出來，提取率高達90% ～95%。剩下的只有純凈的甲烷，在燃燒時不產生CO2。燃燒前捕捉的缺點為前期投資很高，只適用于以天然氣或煤制氣為燃料的發電過程——整體煤氣化聯合循環發電系統(integrated gasification combined cycle，IGCC)，而且需投資昂貴的雜質洗滌設備，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100%)均可滿足成本核算的要求，即經濟上是合算的，然而，初期投資也較高且技術復雜。據估計，工業化規模的碳捕捉在2020～2025年期間才可能實現。

4.2 碳輸送

管道輸送氣態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技術方面發展領先，其北海廢棄油井提供了理想的CO2封存地點。由于在輸送途中CO2狀態將隨溫度、壓力的變化而轉換，因此長輸管線必須配置大量壓縮和測控設備，不言而喻，投資是巨大的。據估計，今后10年CCS的投資將達1000億美元;2010～2050年期間投資可能高達50000億美元。這給流量測量帶來新的挑戰，也帶來前所未有的機遇。

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上千年內無泄漏。常用的封存點有以下三種:廢棄油氣井、深層鹽礦含水層、無開采價值的深煤層。

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

5 CCS對流量測量的新挑戰

5.1 流量測量的重要性

CCS過程的各個環節必然涉及大量流量測量技術問題，僅就經濟方面考慮，流量測量也是至關重要的。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年期間碳交易價格預計為每噸30英鎊，流量測量不確定度相差1%，每年碳交易價格就約660萬英鎊。

目前，英國已經制定了較完善的CCS計劃，預計到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標準煤，碳排放量為英國的12倍，CCS工作可以說僅在起步階段，包括流量測量在內的過程測控行業既存在巨大的發展空間，又面臨嚴峻的挑戰。

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，現有技術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、壓縮系數等物理參數，流量測量的精確性會受到很大影響，因此需要對實際的CO2流體建立準確的物性模型，以得到真實的三相圖。據此可以選擇合適的流量計并予以正確設定，方可獲得盡可能高的測量精度。

5.2.2 聲學衰減

對于在CCS過程中普遍應用的超聲流量計，CO2的聲學衰減不但影響液體流量的測量，而且嚴重影響氣體流量的測量。本質上，聲學衰減源于分子弛豫現象，其影響程度取決于流體的相、密度、溫度及壓力等參數。流量學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，但實際流體中含有氮氧化物(NOx)、硫化氫(H2S)和二氧化硫(SO2)等雜質。這些組分會在不同程度上對管道、設備和流量計產生腐蝕，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的本質是流體在高于其臨界溫度和臨界壓力下的特殊狀態。在較低溫度下，SCF的性狀接近液態;在高于臨界壓力而低于臨界溫度時，液態的CO2轉變為“密相液”狀態;當溫度上升時，流體變為氣體相似物;同樣，當壓力上升時，密相流也會從氣體相似物變為液體相似物。三相圖顯示SCF與包含氣液的兩相流體有清晰的界限。當流體處于SCF相且正好在臨界邊緣時，會出現一種均相的SCF和密相液體的混合物。這種處于超臨界區的均相流體可以進行流量測量，但迄今人們對于適于SCF的流量計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DN300，甚至DN1000，這使得流量計的選取余地變得很有限。

5.2.6 測試及校準設備

雖然適用于CCS過程的測試及校準裝置與普通流量測試設備沒有本質區別，但是有必要考慮測量介質的物性差別所引起的測量誤差［4］。目前，采用氣態或液態 CO2，甚至SCF作為介質的測試設備尚未出現，但為了更準確地復現CO2的物性，偶有采用輕質油的裝置校準CO2流量儀表。鑒于CCS過程中經常出現兩相流，油-氣兩相流裝置也用于校準兩相流流量儀表。

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，包括速度-面積法流量計(如皮托管、熱膜式等)、非插入式流量計(如夾裝式超聲流量計)、互相關流量計(如光流量傳感式)等。這些儀表的校準必須采用計量風洞。目前，許多國家都建立了高精度的計量風洞，如美國NIST、德國PTB、英國NEL以及我國NIM等國家級權威試驗室都有基于激光多普勒測速(laser Doppler anemometry，LDA 或稱 laser Doppler velocimetry，LDV)技術的校準裝置。常用的計量風洞有“開環”和“閉環”兩類，基準多數為LDA裝置，最高風速很少超過40 m/s。

5.2.7 CCS過程中采用的流量儀表

①差壓式流量計

孔板，具有至少50年的使用實踐和30年的強化采油技術(EOR)領域應用經驗，還有成熟的國際標準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到1%;當已知溫度、壓力等條件時，即使測量超臨界流也可以取得可接受的測量結果?？装宓膯栴}仍然在于較大的壓損，這可能導致在測量超臨界流(SCF)時析出氣相物，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點。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，由于有成熟的技術規范和使用經驗，至今仍被廣泛應用于各個領域，包括CCS過程。由于有國際標準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流速測量的局限性，已經有各種皮托管改進型投入使用，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，被認為是文丘里管的變型設計，具有與文丘里管近似的優缺點。該流量計有測量兩相流的記錄，但在CCS中還沒有應用。使用V-錐流量計前必須逐臺標定，且標定導致成本上升，但即便如此它也不可能達到孔板的測量精度。

②速度式流量計

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

③科里奧利質量流量計

位于德克薩斯州西部的Yates油田積累了科里奧利質量流量計(Coriolis mass flowmenter，CMF)用于CCS過程的成功經驗，在EOR工藝和碳交易計量中發揮了優勢。CMF最突出的優點是可以直接獲得質量流量測量結果，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到DN300，在測量大口徑管流時不得不采取并聯的布局，增加了測量成本。

5.2.8 CCS流量測量的技術要求和規范

歐盟排放交易計劃(EU emissions trading scheme，ETS)規定，各國必須對碳排放量進行報告、數據認證和排放管理，其流量測量的性質為貿易計量，因此對測量不確定度要求較嚴格。由于以“噸”進行交易，需同時測量溫度、壓力、密度、組分等參數;同時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量成為本學科中的難題。歐盟、加拿大和美國已經立法執行十分嚴格的碳排放計劃，特別是ETS已經從2008年起進入第二階段，意味著更嚴厲的CO2排放計量文件《監管及報告導則》(monitoring and reporting guidelines，MRG)已經付諸實施，碳排放計量更具法制計量色彩。導則規定，年排放量在50～500 kt的大型燃燒企業屬B類排放企業，監督及報告排放總量的測量不確定度不得劣于12.5%(k=2)。這個要求看似不高，但導則又規定，B類企業應該盡可能提高其碳排放計量的水平，以達到最高等級。所謂“最高等級”是指總排放量計量的不確定度要達到7.5%，而CO2計量的不確定度應不劣于2.5%。美國環境保護協會(US Environmental Protection Agency，EPA)會同美國海洋能源管制局(Bureau of Ocean Energy Management，Regulation and Enforcement，BOEMRE)發布了強制性的條令CFR30和CFR40，要求企業定期上報溫室氣體的排放量，包括 CO2、N2O、CH4等;CFR30還要求墨西哥灣日產超過2000桶的采油平臺以不確定度優于5%的計量裝置測量火炬和放空燃氣的排放量?？傊寂欧诺牧髁坑嬃恳呀洺蔀楸緦W科的熱點，各國計量權威機構(如歐盟 ETS、英國 BSI、美國 API等)被委托介入這一法制計量的新領域，代表政府執行環境保護的有關法令［5］。

5.3 煙道氣和火炬氣的流量測量［6］

5.3.1 具有挑戰性的流量測量技術要求

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不理想的流量計安裝條件:在工廠設計初期，管流的測量有時并未被考慮，安裝流量計時常常不能滿足前后直管段要求。

③沒有流量計安裝位置:工藝管道上不允許為流量計安裝進行改建，只能考慮采用非插入式安裝的流量計。雖然超聲流量計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成了唯一選擇。

④低流速:常常發生特低流速，以致某些流量計不能正常工作。

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

⑥氣體中多粉塵和雜質:過程工藝產生的雜質導致流量計工作失常甚至損毀。

5.3.2 流量測量技術和流量儀表的選取

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

①采用互相關原理的流量測量。在多相流流量測量中，互相關技術早有應用，但迄今市場上很少有相應產品。究其原因，互相關技術僅僅是諸多流量測量原理之一，其技術較為復雜，應用條件多種多樣，幾乎不可能開發出像孔板、渦街那樣的通用流量儀表。但在CCS應用和碳排放測量中，互相關技術卻有獨特的適用空間。

②非插入測量技術。如前所述，很多高耗能企業在設計初期并未考慮排放管流的測量，以致流量計無法安裝，管外安裝型的超聲流量計或伽馬射線流量計等成為僅有的選擇。目前，美國 GE(相關法)和Siemens(寬波束法，wide beam)集團都有超聲式產品。當然，并非所有應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，還有基于核輻射、聲納、聲學、斷層掃描等原理的傳感方法。利用這些方法，再結合互相關技術，可形成多種非插入式流量測量儀表。非插入式流量計選型如表1所示。表1中的點數表示適用程度。

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

③示蹤法標定技術。多數大口徑流量計安裝后就不能拆卸，更不可能安裝標準表，導致今后的周期檢定無法解決?；贗SO 4053的示蹤法標定技術可發揮不可替代的作用。擴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、化學性質穩定的六氟化硫氣體(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)計算，即可獲得煙道氣體的總流量(Qm):

式中:k為修正系數。

英國NEL認為，如果仔細控制各項影響量，示蹤法測量不確定度可達4%，可以標定煙道流量計。示蹤法中的標記法原理更為簡單，即在已知距離內測量示蹤物的傳導時間差，得到流速;然后乘以管道面積，即可獲得煙道總流量。

④采用互相關原理的光傳感器方法［7-8］。眾所周知，互相關原理簡言之就是測量沿管道方向兩個距離已知的兩點之間的流體特征物的渡越時間，然后計算得到流速，再乘以管道截面積，即可獲得總流量。采用互相關原理的關鍵是如何最大化流體特征物在兩個測點的信號的相關度。光傳感器互相關流量計是美國一家公司近年推出的產品，其原理基于光學閃爍場現象，即當平行光束以90°入射角從管道一側通過被測流體時，在另一側接收到的是隨機擾動的閃爍場信號。在自然界，接近沙漠地平線處可看到擾動的“閃爍光場”;夏天的瀝青公路表面也可以發現這個因空氣溫度及密度變化引起的氣體擾動現象。“閃爍光場”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)互相關流量計的原理如下。光接收器A和B的閃爍信號形態有很小的差異，對閃爍光場A和B的信號建立數學模型，繼而建立互相關數學模型并求解相關函數，得出它們的相關度。經過多次采樣和計算，找到相關度的最大值，此時可將一個像場“定位”，并測出流體流經A、B兩個接收器的渡越時間，然后算出流速，再乘以管道截面積即可得到管道總流量。該流量計的原理如圖5所示。

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

采用互相關原理的光傳感器流量計具有以下特點:與被測氣體的溫度、壓力、密度、濕度和阻光度無關;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;經美國NIST檢定，儀表準確度可達±2%;光源和接收器的安裝位置精度不影響測量結果;無可動部件，結構堅固，沒有防爆要求。

6 結束語

我國行政及計量部門應對碳排放的貿易計量特性予以重視，應預見到十年內碳排放計量將和石油、天然氣等能源的貿易計量同樣重要。雖然發達國家對溫室氣體的減排有更大的義務，但CCS應用和碳排放計量有利于我國本身的可持續發展，與發達國家減排工作的優劣沒有直接關系。不存在專用于CCS過程和碳排放的流量儀表，所有現存的流量儀表在測量條件適合時，都可以用于CCS過程和碳排放計量。在CCS過程和碳排放計量應用中，主要難點在于特殊的工況，而不是尋求專用的“碳排放流量儀表”，因此開展CCS流量測量應用技術研究遠比新型流量計的開發研制重要。其實，“重開發，輕應用”也是檢測儀表行業中長期存在的問題。由于歐盟在“控碳”方面有很多實踐及嚴格的要求，因此加強對歐盟所屬國際組織及相關技術規范的了解十分必要。美國在CCS和EOR技術方面有較豐富的經驗，并已取得實在的經濟效益，借鑒他們已取得的經驗和教訓有助于提升我國在節能減排領域的流量測量技術水平。

［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.

［3］Leslie G.CCS metering challenges and options［C］//TüV NEL，Oil＆ Gas Seminar，2009.

［4］Espina P.Report of special test of air speed instrument［R］.United States Department Commerce，National Institute of Standards ＆Technology，Gaithersburg Maryland，2001.

［5］Fré R D，Deun J V，Swaans W.Measuring diffuse emissions from industrial buildings:volume flow measurement［EB/OL］.［2012-08-15］.http://www.vito.be/VITO/OpenWoDocument.aspx?wovitoguid=11C22DAA-0B1B-4F2F-B452-609D4085510C.

［6］Hunter L，Smelt F.A review of flow measurement devices for use in stack emissions monitoring［J］.National Measuring Office，2009.

［7］Wang T.A new approach to combustion air monitoring［R］.Optical Scientific Report 0306，USA.

［8］Wang T I，Williams D.Optical flow sensing for flare stack and process controlapplications［EB/OL］.［2012-08-10］.http://freedownloadb.com/pdf/optical-flow-sensing-for-flare-stack-andprocess-control-applications-18461476.html.