I fumaioli delle centrali elettriche a carbone hanno sensori che monitorano continuamente le loro emissioni misurando il flusso di gas come l'anidride carbonica, mercurio, diossido di zolfo, e ossidi di azoto. Per legge federale, questi sensori devono essere calibrati ogni anno. Sono calibrati con piccoli, dispositivi portatili di misurazione del flusso chiamati tubi di Pitot.

Ma gli scienziati sospettano che ci siano incertezze piuttosto elevate sulle misurazioni di calibrazione condotte con i tubi di Pitot. E le incertezze saranno un problema per le aziende se le centrali elettriche saranno addebitate per le loro emissioni in base a politiche cap-and-trade.

In previsione dell'eventuale necessità di aumentare la precisione di queste misurazioni, e lavorando in consultazione con l'Electric Power Research Institute (EPRI), i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno ora misurato le incertezze dei diversi tipi di tubi di Pitot ora utilizzati per calibrare i sensori di emissione del camino.

"Lo scopo di questo studio è fornire opzioni al settore, " ha detto Aaron Johnson del NIST. "Possiamo migliorare le misurazioni? Quanto meglio? E possiamo farlo a buon mercato?"

Combattere il vortice

La misurazione delle emissioni delle ciminiere richiede due cose:conoscere la concentrazione di inquinanti all'interno di un gas di scarico e conoscere la velocità di flusso del gas.

I ricercatori sono stati in grado di misurare con precisione la concentrazione degli inquinanti emessi per decenni. Ma ottenere misurazioni accurate del flusso è stato più complicato. Questo perché prima di essere emessa, i fumi di solito viaggiano intorno a una curva stretta. La curva crea vortici e vortici complicati che non vanno via nemmeno in alte ciminiere.

"Il vortice persiste mentre sali, " Johnson ha detto. "Ai misuratori di portata non piace. Funzionano molto male quando si hanno questi componenti a flusso incrociato."

Proprio adesso, misurare il flusso, le ciminiere sono installate con un sistema ad ultrasuoni chiamato Continuous Emission Monitoring System (CEMS), che consiste in una coppia di dispositivi che a turno inviano impulsi ultrasonici l'uno all'altro da su e giù per il camino. In una direzione, l'ultrasuono viaggia con il flusso e accelera leggermente. Nell'altra direzione, viaggia contro di essa e rallenta leggermente. Il calcolo della velocità del gas richiede la misurazione del tempo impiegato dagli ultrasuoni per viaggiare in ciascuna direzione.

I tubi di Pitot sono piccoli dispositivi portatili che misurano quanto bene questo sistema ad ultrasuoni CEMS sta facendo il suo lavoro. Ogni anno, i tecnici utilizzano i tubi di Pitot per condurre quello che viene chiamato Relative Accuracy Test Audit (RATA). Per condurre l'audit, inseriscono orizzontalmente un tubo di pitot nella ciminiera. Il tubo ha piccoli fori o porte. Una porta si affaccia direttamente sul flusso del gas e rileva la pressione che si accumula nel tubo. Più veloce è il flusso, maggiore è la pressione; la misurazione della pressione consente loro di calcolare la velocità del flusso.

Se il tubo di Pitot misura lo stesso flusso del dispositivo CEMS a ultrasuoni, la centrale supera il test sulle emissioni. Ma non ci sono regole che richiedono la calibrazione dei tubi di Pitot stessi. Di conseguenza, non è certo esattamente quanto siano accurati i metodi CEMS o il tubo di Pitot.

Risparmiare soldi

Il tubo di Pitot più comunemente usato è chiamato "s-probe". Ha due porte che puntano in direzioni opposte. Una porta punta direttamente nel flusso. Gli altri puntano direttamente lontano dal flusso. La pressione è maggiore nella porta a monte che nella porta a valle. I tecnici misurano questa differenza di pressione e la usano per calcolare la velocità del flusso di gas.

I ricercatori del NIST hanno testato questo tipo di tubo di Pitot e altri due, la "sonda a prisma" e la "sonda sferica, " entrambi hanno cinque porte invece di due.

Iosif Shinder del NIST sta testando le tre sonde in una galleria del vento, in cui il flusso viene misurato con elevata precisione.

Dopo essere stato calibrato in galleria del vento, i tubi di Pitot vengono anche testati nel simulatore di ciminiere orizzontali del NIST, che produce vortici e vortici simili a quelli delle ciminiere industriali.

Per utilizzare i tubi di Pitot S-probe in una ciminiera, un tecnico RATA si assicura che uno dei fori sia rivolto nella vera direzione del flusso. In pratica, ciò significa ruotare la sonda per determinare la direzione della differenza di pressione più alta. Il processo, chiamato "annullamento dell'imbardata, " deve essere ripetuto decine di volte durante un test RATA.

"È piuttosto laborioso, " ha detto Johnson. È così intenso che una calibrazione annuale in loco può richiedere giorni per essere completata. "E la centrale elettrica perde denaro tutto il tempo che i tester RATA sono lì, quindi vogliono che i tecnici entrino e escano il più velocemente possibile".

Adattando un processo utilizzato in altri settori, Shinder sta sviluppando una tecnica che elimina la necessità di annullare l'imbardata. Richiede una taratura più complessa dei tubi di Pitot in laboratorio, ma Johnson e Shinder affermano di essere fiduciosi che i risparmi derivanti dall'accorciamento dei test RATA compenseranno le spese di calibrazione extra.

Johnson e Shinder erano anche interessati a migliorare il metodo a ultrasuoni CEMS stesso e stanno misurando quanto sarebbero migliori le misurazioni con una seconda coppia di trasmettitori-ricevitori a ultrasuoni. Hanno testato un'installazione x-pattern utilizzando due coppie di dispositivi a ultrasuoni invece di uno, ha detto Johnson. "Con il modello x, compensi il flusso incrociato."

I ricercatori stanno organizzando di testare i loro risultati in una ciminiera funzionante quest'estate. Oltre alle centrali a carbone, Johnson ha affermato che anche le industrie di produzione di cemento e carta potrebbero essere in grado di utilizzare le nuove informazioni.