電站鍋爐煙氣流量測(cè)量常用流量計(jì)的選擇

引言
　　目前國(guó)內(nèi)外的大型燃煤機(jī)組，多采用選擇性催化還原法，俗稱(chēng)氨氣脫硝。是把NH3作為還原劑，經(jīng)噴氨格柵噴入煙道的脫硝方法。SCR(selectivecatalyticreduction)的原理，是利用氨氣與煙氣充分混合后，進(jìn)入催化劑層，在催化劑的作用下，把NOx還原為N2和H2O。
　　在SCR工藝中，需要根據(jù)煙氣流量，計(jì)算和調(diào)節(jié)噴入煙道的NH3量，以達(dá)到脫硝效率的要求。煙氣流量一般可通過(guò)鍋爐燃料成分分析結(jié)果，以及鍋爐燃燒的空氣流量、燃料量等進(jìn)行計(jì)算得出。但隨著各地環(huán)保局對(duì)脫硝重視力度的加大，個(gè)別地區(qū)環(huán)保局要求脫硝反應(yīng)器入、出口煙氣流量以及NOx、O2均要上傳至環(huán)保局實(shí)時(shí)監(jiān)視，因此通過(guò)計(jì)算得出煙氣量的方式無(wú)法滿足環(huán)保局要求，取而代之的是利用流量計(jì)進(jìn)行反應(yīng)器入、出口煙氣量的測(cè)量。
　　 目前脫硝反應(yīng)器大部分采用高塵布置，即布置在鍋爐省煤器和空預(yù)器之間，鍋爐除塵器之前。其布置位置的特殊性，決定了測(cè)量介質(zhì)煙氣具有高溫、高塵、高腐蝕的特性，而設(shè)備布置的局限性，也直接導(dǎo)致了反應(yīng)器入、出口煙道直管段較短，給流量計(jì)的正確選型帶來(lái)更大的困難。不合理的測(cè)量方式，會(huì)使得流量計(jì)使用壽命變短、導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。實(shí)際操作中，脫硝反應(yīng)器入口煙道流量測(cè)量值，受不同的測(cè)量方式和流量計(jì)的影響較大。選擇合適的測(cè)量方式，可以在煙氣含塵量高、測(cè)量直管短的客觀條件下，突破儀表堵塞、磨損嚴(yán)重瓶頸，獲取精確的煙道流量數(shù)據(jù)。因此，電站鍋爐大型煙風(fēng)道流速測(cè)量方式的選擇非常重要。
　　常用煙氣流量計(jì)的分類(lèi)和性能
　　質(zhì)量互變規(guī)律是事物聯(lián)系發(fā)展的基本規(guī)律，流量測(cè)量是研究物質(zhì)量變的科學(xué)。鍋爐煙風(fēng)道煙氣流量計(jì)種類(lèi)很多，型式各異。筆者根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合目前的文獻(xiàn)資料，按照目前最流行、最廣泛的分類(lèi)法,來(lái)分別闡述各種流量計(jì)的原理、特點(diǎn)。
　　2.1分類(lèi)
　　目前已投入使用的流量計(jì)已超過(guò)l00多種。從不同的角度出發(fā)，流量計(jì)有不同的分類(lèi)方法。傳統(tǒng)的流量計(jì)分類(lèi)方法有兩種。
　　2.1.1按流量計(jì)采用的測(cè)量原理進(jìn)行歸納分類(lèi)
　?、倭W(xué)原理：利用伯努利定理的差壓式、轉(zhuǎn)子式；利用動(dòng)量定理的沖量式、可動(dòng)管式；②利用牛頓第二定律的直接質(zhì)量式；③利用流體動(dòng)員原理的靶式；④利用角動(dòng)員定理的渦輪式；⑤利用流體振蕩原理的漩渦式、渦街式；⑥利用總靜壓力差的皮托管式以及容積式和堰、槽式等等；⑦電學(xué)原理：電磁式、差動(dòng)電容式、電感式、應(yīng)變電阻式等。⑧聲學(xué)原理：利用聲學(xué)原理的有超聲波式、聲學(xué)式(沖力波式)等。⑨熱學(xué)原理：利用熱學(xué)原理的有熱量式、直接顯熱式、間接量熱式等。
　　2.1.2按流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分類(lèi)
　　①容積式流量計(jì)；②葉輪式流量計(jì)；③差壓式流量計(jì)(變壓降式流量計(jì))④變面積式流量計(jì)(等壓降式流量計(jì))；⑤動(dòng)量式流量計(jì)等。
　　筆者根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)人們平時(shí)對(duì)流量計(jì)分類(lèi)和命名，是本著便利上口和視覺(jué)習(xí)慣，并沒(méi)有嚴(yán)格按照某種規(guī)則來(lái)劃分，而且存在很大的交叉和兼容性。本文以流量計(jì)在鍋爐煙道測(cè)量方式的不同為研究對(duì)象。選擇該測(cè)量方式中一種常見(jiàn)而有代表性的流量計(jì)為例，分別闡述各種流量計(jì)的特點(diǎn)。
　　2.2常見(jiàn)煙氣流量計(jì)的測(cè)量方式和特點(diǎn)
　　2.2.1點(diǎn)式煙氣流量計(jì)
　　2.2.1.1皮托管流量計(jì)
　　皮托管流量計(jì)利用差壓原理來(lái)工作，由法國(guó)H.皮托發(fā)明而得名。其結(jié)構(gòu)組成主要由一個(gè)垂直在支桿上的圓筒形流量頭組成的管狀裝置。采用單點(diǎn)測(cè)量方式，監(jiān)測(cè)煙氣的流速。
　　 ①技術(shù)性能
　　優(yōu)點(diǎn)：阻力損失小; 缺點(diǎn)：是不能直接測(cè)出平均速度，且壓差讀數(shù)小，常要放大才讀得準(zhǔn)確。探頭容易腐蝕，需定期檢查并涂抹防腐材料，維修能耗高。易堵塞取壓孔。測(cè)量誤差大。
　?、诎惭b要求
　　必須保證測(cè)量點(diǎn)位于穩(wěn)定均勻流段，前后段有約等于管路直徑50倍長(zhǎng)度的直管距離，最少也應(yīng)在8-12倍；必須保證皮托管截面嚴(yán)格垂直于流動(dòng)方向；皮托管直徑d0應(yīng)小于管徑d的1/50，即d0 < (d/50)。
　　2.2.1.2熱式流量計(jì)
　　熱擴(kuò)散式流量計(jì)是采用熱傳導(dǎo)原理測(cè)量氣體的質(zhì)量流量，即放在流體中的熱源，在流體經(jīng)過(guò)時(shí)，熱源本身的熱量將會(huì)損失，流體的質(zhì)量流量越大，熱源損失的熱量越大。其典型傳感元件包括兩個(gè)帶熱套管保護(hù)的電阻式溫度傳感器（RTD），其中一個(gè)為參比元件，測(cè)量介質(zhì)的溫度作為參比溫度；另一個(gè)為測(cè)量元件，測(cè)量流體流過(guò)加熱器帶走熱量之后的溫度。損失的熱量與流體的質(zhì)量流量成函數(shù)關(guān)系，即可測(cè)量氣體的質(zhì)量流量。通常熱式流量計(jì)可分為恒溫差和恒功率兩種類(lèi)型。
　　 ①技術(shù)性能
　　優(yōu)點(diǎn)：壓損小、響應(yīng)快、靈敏度高、量程比寬；測(cè)量值為質(zhì)量流量，不受被測(cè)介質(zhì)溫度、壓力、密度、粘度的影響；較好的解決了煙氣含塵量高，引起的取樣管堵塞問(wèn)題；克服了脫硝煙道大、煙氣流速低等流量測(cè)量的難點(diǎn)。缺點(diǎn)：點(diǎn)式測(cè)量，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性稍差；探頭易腐蝕；直管段要求高；煙氣濕度對(duì)該測(cè)量方式的準(zhǔn)確性也稍有影響。
　　 ②安裝要求：
　　 前后直管段要求為：前10后5倍煙道直徑；熱式流量計(jì)插深應(yīng)為管道內(nèi)徑的1/2+管厚。
　　2.2.2線式煙氣流量計(jì)（勻速管）
　　均速管流量測(cè)量裝置是基于皮托管測(cè)速原理發(fā)展而來(lái)的一種流量傳感器。均速管流量測(cè)量裝置是由一根中空的細(xì)金屬管和兩根引壓管及管接頭組成。在其前部產(chǎn)生一個(gè)高壓分布區(qū)，高壓分布區(qū)的壓力略高于管道的靜壓。根據(jù)伯努利方程原理，流體流過(guò)探頭時(shí)速度加快，在探頭后部產(chǎn)生一個(gè)低壓分布區(qū)，低壓分布區(qū)的壓力略低于管道的靜壓。流體從探頭流過(guò)后在探頭后部產(chǎn)生部分真空，并在探頭的兩側(cè)出現(xiàn)旋渦。均速管流量測(cè)量裝置探頭在高、低壓區(qū)有按一定準(zhǔn)則排布的多對(duì)取壓孔，使準(zhǔn)確測(cè)平均流速成為可能，探頭能精確地檢測(cè)到由流體的平均速度所產(chǎn)生的平均差壓。常見(jiàn)的均速管有威力巴、阿牛巴、超利巴、德?tīng)査偷龋疚囊酝Π蜑槔M(jìn)行說(shuō)明。
　　在火力發(fā)電廠中，威力巴流量測(cè)量裝置適用于大多數(shù)風(fēng)量的測(cè)量，對(duì)于風(fēng)道截面積大、流速較低的風(fēng)量測(cè)量，可采用多點(diǎn)測(cè)量求平均值的方法，消除測(cè)量偏差，達(dá)到測(cè)量目的。子彈頭截面形狀的探頭能產(chǎn)生精確的壓力分布，固定的流體分離點(diǎn)，位于探頭側(cè)后兩邊、流體分離點(diǎn)之前的低壓取壓孔，其開(kāi)孔位置避開(kāi)了雜質(zhì)聚集區(qū)，在一定程度上有效的減少了堵塞。前表面粗糙處理減小流體牽引力，提高低流速時(shí)的測(cè)量精度。 
　　圖1 威力巴測(cè)量中流體分布示意圖
　　 ①技術(shù)性能
　　優(yōu)點(diǎn)：阻力損失?。唤Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕；安裝、拆卸非常簡(jiǎn)單；維護(hù)方便；精度高，
　　量程比大。缺點(diǎn)：探頭容易腐蝕；其次雖然對(duì)探頭低壓取樣孔的設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，但在此高塵環(huán)境下仍不可避免的存在堵塞取壓孔的問(wèn)題；探頭安裝直管段要求高，在反應(yīng)器入、出口煙道處測(cè)量無(wú)法滿足直管段要求。
　?、诎惭b要求
　　必須保證測(cè)量點(diǎn)位于穩(wěn)定均勻流段，前后段要求前7后5倍煙道直徑。
　　2.2.3面式煙氣流量計(jì)（橫截面）
　　自清灰面式煙氣流量計(jì)基于差壓法測(cè)量原理，采用在煙道截面多點(diǎn)陣列布置的方式，將多個(gè)探頭動(dòng)壓側(cè)相互連接，靜壓側(cè)相互連接，動(dòng)壓、靜壓側(cè)綜合后引至變送器，經(jīng)溫壓補(bǔ)償后獲得流量值。通過(guò)增大裝置有效測(cè)量面積，確保測(cè)量的準(zhǔn)確。另外取壓探頭中的自清灰裝置，可將流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，敲打管壁，防止探頭堵灰。
　　
　　 圖2 自清灰面式流量計(jì)測(cè)點(diǎn)分布示意圖
　　技術(shù)性能
　　優(yōu)點(diǎn)：適用管型范圍廣，性能穩(wěn)定好；無(wú)直管段要求，自身具有整流功能，較好解決脫硝反應(yīng)器煙道無(wú)直管段的問(wèn)題；測(cè)量靈敏度及準(zhǔn)確性好；利用流體動(dòng)能自動(dòng)清灰，無(wú)需吹掃裝置，較好解決煙塵堵塞的問(wèn)題。缺點(diǎn)：在大截面煙道需根據(jù)煙道尺寸多組布置，設(shè)備費(fèi)用相對(duì)較高。另外安裝較其他流量計(jì)相對(duì)復(fù)雜。
　　安裝要求
　　測(cè)量裝置斜剖口正對(duì)迎風(fēng)側(cè)；安裝位置直管段長(zhǎng)度必須大于管道的當(dāng)量直徑；流量計(jì)相對(duì)于待測(cè)管道中心軸線永遠(yuǎn)垂直安裝。測(cè)量裝置中心線與管道中心線一致。
　　三、煙道流量計(jì)的選擇與評(píng)價(jià)
　　 3.1流量計(jì)方式選型原則
　　流量計(jì)測(cè)量方式及型式的選擇是指按照不同煙風(fēng)道及流速要求，從流量計(jì)的性能及企業(yè)經(jīng)濟(jì)的實(shí)際情況出發(fā)，綜合地考慮測(cè)量的安全、準(zhǔn)確和經(jīng)濟(jì)性，并根據(jù)脫硝煙氣的性質(zhì)及煙氣流動(dòng)情況，確定測(cè)量?jī)x表的型式和規(guī)格。
　　3.1.1測(cè)量方式安全可靠原則
　　采用可靠的測(cè)量方式。保證流量計(jì)在運(yùn)行中不會(huì)發(fā)生機(jī)械強(qiáng)度或電氣回路故障而引起事故；其次是測(cè)量?jī)x表無(wú)論在正常生產(chǎn)或故障情況下都不致影響脫硝生產(chǎn)系統(tǒng)的安全。例如，大型燃煤機(jī)組脫硝反應(yīng)器入口的煙氣測(cè)量流量計(jì)，必須安裝牢固，定期維護(hù)，以確保在強(qiáng)腐蝕、濃煙塵氣流中不發(fā)生機(jī)構(gòu)損壞。
　　3.1.2測(cè)量方式準(zhǔn)確節(jié)能原則
　　在保證流量計(jì)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，力求根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的特點(diǎn)選擇合理的測(cè)量方式，提高儀表測(cè)量的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性。為此，流量計(jì)不僅要選用最佳的測(cè)量方式，還應(yīng)該選擇合適的規(guī)格（量程），以保證滿足準(zhǔn)確度要求。
　　 3.1.3 測(cè)量?jī)x表易于維護(hù)原則
　　根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的要求，選擇的流量計(jì)理應(yīng)方便改進(jìn)和維護(hù)。比如允許增加相應(yīng)的輔助措施，如增加吹灰系統(tǒng)以防止堵塞，增加耐磨涂層以防止測(cè)量元件的磨損等。
　　3.2煙道測(cè)量方式（流量計(jì)型式）選擇
　　勤勞智慧的人們，在生產(chǎn)應(yīng)用中總結(jié)了各種長(zhǎng)處和不足，并積極的進(jìn)行改進(jìn)。隨著工業(yè)生產(chǎn)的需求和科技的發(fā)展，新式流量計(jì)的不斷開(kāi)發(fā)并廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)意義上對(duì)流量計(jì)分類(lèi)和評(píng)價(jià)，已經(jīng)無(wú)法準(zhǔn)確定義新式流量計(jì)的性能。
　　比如中科天融（北京）科技有限公司生產(chǎn)的新式皮托管流量計(jì)，其組成主要由皮托管檢測(cè)頭﹑差壓變送器﹑信號(hào)采集單元、反吹控制單元等部件構(gòu)成。
　　
　　
　　圖3 皮托管流速單元探頭管安裝
　　
　　圖4 新式皮托管系統(tǒng)連接圖
　　測(cè)量時(shí)將皮托管流速計(jì)探頭插入管路中，并使全壓和背壓探頭中心軸線處于過(guò)流斷面中心且與流線方向一致，全壓探頭測(cè)孔正面應(yīng)對(duì)來(lái)流，檢測(cè)流體總壓，并將其傳遞給差壓變送器；同時(shí)背壓探頭測(cè)孔拾取節(jié)流靜壓也將其傳遞給變送器，變送器讀取動(dòng)﹑靜壓差值并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的流速比例電流（4～20mA）傳送給顯示儀表或計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
　　新式皮托管流量計(jì)裝置自身配有內(nèi)置和外置自清灰防堵裝置，徹底改變?cè)瓉?lái)粉塵堵塞過(guò)濾器局限，利用皮托管反吹箱能實(shí)時(shí)清灰，其清潔功能可以同時(shí)清潔外部粉塵和內(nèi)部粉塵，無(wú)需空氣吹掃，免維護(hù)。使長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可靠的煙氣測(cè)量成為可能。
　　3.3維護(hù)
　　 日常維護(hù)是保證設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的前提條件，特別是大型的大型燃煤機(jī)組，應(yīng)有專(zhuān)門(mén)的工作人員負(fù)責(zé)設(shè)備的日常維護(hù)工作。流量計(jì)的日常維護(hù)工作主要包括：流量計(jì)的巡視、檢查；更換、及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并排除等等。
　　小結(jié)
　　 總之，沒(méi)有一種測(cè)量方式或流量計(jì)對(duì)各種煙道結(jié)構(gòu)及煙氣流動(dòng)情況都能適應(yīng)的．不同的測(cè)量方式和結(jié)構(gòu)，要求不同的測(cè)量操作、使用方法和使用條件。每種型式都有它特有的優(yōu)缺點(diǎn)。因此，應(yīng)在對(duì)各種測(cè)量方式和儀表特性作全面比較的基礎(chǔ)上，選擇適于具體的煙道結(jié)構(gòu)和流量測(cè)量方式，滿足既安全可靠又經(jīng)濟(jì)耐用的要求。