烟道气体流量计

        大气污染防治是我国环保工作的重点。烟尘浓度及烟气（气态和固态组成）的含量观察、分析其变化和对环境影响的过程， 是冶金企业、化工企业及其他工业企业污染源监测的主要监测项目之一。烟道气监测的目的是：（1）检查烟气中的各种污染物的排放浓度和排放量是否符合国家规定的排放标准；（2）检查烟气净化装置及污染防治措施的行能和使用情况；（3）为大气环境管理和大气环境质量评价提供依据。确定污染物排放量的关键是烟道气流速，而测点位置和布置对于测量结果的影响很大。本文首先是归纳了各种流量计在烟道气测量上的方式、效果及其不足之处。从而能引出本文阐述的论点：使用均速管 – 质量流量计组合测量来确定企业排放烟气体流量。

烟道气是有毒有害气体和烟尘的混合物，是污染大气的重要原因。烟气的成分很复杂，气体中包括 SO2、CO、CO2 碳氢化合物以及氮氧化合物等，烟尘包括燃料的灰分、煤尘、油滴以及高温裂解产物等。因此烟道气对环境的污染是多种有毒物质的复合污染。
显而易见，控制烟道气流量的排放是至关重要的，传统的烟道气流量测量方法有：（1）超声波流量计；（2）单一的均速管流量计；（3） 热式气体质量流量计。
二、问题的提出
虽然烟道气的测量方式有多种多样，但是通常的测量方法均存在一定的问题。
（1） 超声波流量计：超声波气体流量计是利用超声波在流体中顺流和逆流传播的速度差与流体的流速成正比的原理测量流量的。运用此方法测量的缺点是造价昂贵，测量精度不高，通常只有 ±2 ～ 5%。
（2） 单一的均速管流量计：均速管流量计是采用皮托管测量原理测量流体的全压与静压，从而达到测量流量的目的。均速管流量计具有结构简单、安装维修方便、运行及制造成本低等优点，广泛应用于大管径、允许压损小的场合。由均速管流量计的测量原理可知其测量的是体积流量，而烟气是变组分的介质，密度是变化的。因此要得到烟气的质量流量仅仅通过单一的均速管流量计是无法实现的。
（3） 热式气体质量流量计：热式流量计是利用传热原理检测流量仪表，即流动中的流体与热源之间热量交换关系来测量流量的仪表。该仪表的传感器由两个基准级热电阻 RTD 组成。一个是质量速度传感器T1，一个是测量气体、温度变化的温度传感器 T2。当这两个 RTD 置于被测气体中时，其中传感器 T1 被加热到气体温度以上的一个恒定的温差， 另一个传感器 T2 用于感应被测气体温度。随着气体质量流速的增加， 气体带走更多热量，传感器 T1 的温度下降，要维持 T1、T2 恒定的温度差，T1 的加热功率就要增大。根据热效应的金氏定律，加热功率 P、温差△ T=（T1-T2）与质量流量 Q 有确定的数学关系式。但是和均速管流量计一样，热式流量计在测量气体组分变化较大的场所，因 CP 值和热导率的变化，测量值会有较大的变化，从而产生较大的误差。
由此可见，以上三种测量方法均不适合用于在烟道气质量流量的测量。

三、解决方法
运用均速管流量计、科里奥利质量流量计组合测量的方法就可以很好地解决以上三种测量方式的不足之处。
科里奥利质量流量计是利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。基于此原理，该流量计可以测得流体的密度。
上文已介绍过均速管流量计的测量原理，其测量的是流体的体积流量。采用科里奥利质量流量计测量烟气密度，均速管流量计测量烟气体积流量， 两者结合，利用平均值补偿，就可以推算出整个烟道气管道的流量了。

四、安装要求
质量流量计和均速管流量计的安装位置和安装方式将会直接影响到整个测量精度。首先应确定均速管流量计的安装位置，烟道气的测量是在烟囱管道内部进行测定或采试样测定，为了使测量点具有代表性，测
量点的位置尽可能选在烟道气气流均匀而稳定的管段上，应避开弯头、阀门和变径管等容易产生涡流的阻力构件，原则是：以烟气流向为准， 测定断面与其上游方向阻力构件的距离，最好大于烟道气测量管直径的10 倍，与其下游方向阻力构件的距离，最好大于烟道气测量管直径的
10 倍，与其下游方向阻力构件的距离大于烟道气测量管直径的 5 倍。此外，由于水平管道中气流速度分布和粒状物浓度分布不如垂直管道内均匀，所以选择测量点时，应优先选取垂直管段。

均速管流量计安装位置确定后，再确定质量流量计的安装位置。在均速管流量计的前端另开一侧。斜向 30°侧开一个口，引出一段为 1 寸大小的分支测量管（图 1），把质量流量计安装在导管上，把质量流量计另一端连接在烟道气管道上形成一个环路（图 2）。
 
图 1 图 2
质量流量计的位置取舍是至关重要的，如果测量点的位置必须位于均速管流量计前端，引出一段分支测量管深入烟道气管道内侧，深入的长度约为管道内径的 1/8D 之处，如若调整深入长度的话，可运用在线插拔装置调整深入长度，此处位置点的取舍是根据流体力学得出的—— 流体力学是连续介质力学的一门分支，是研究流体（包含气体及液体） 现象以及相关力学行为的科学。分支测量管的角度为与烟道气管道成30°安装。分支测量管的大小为 1 寸左右。详见图 2 所示。
分支测量管安装完成后把质量流量计安装在分支测量管上即可。另外一端使用相同口径的测量管连接到主管测量管上即可（安装位置必须在均速管流量计开孔处后侧位置）。
安装完质量流量计后，在质量流量计两侧开孔的中心位置上，安装均速管流量计，此流量计必须处于此两侧开孔之间。
安装完质量流量计和均速管流量计后，使用电缆把信号传输到积算仪上即可使用测量。
此测量方式的原理在于：运用质量流量计，测出烟道气管道中的介质的密度及流速（V1）：即判断出整个烟道气管道中的介质即为质量流量计测得的密度。根据此得到介质的密度与均速管流量计测得的体积量， 运用积算仪或 PLC 等，处理从而得到整个烟道气管道的质量流量。
五、取得的效果（效益）
使用此方案测量的好处在于：其安装过程中非常的方便也可不停产在线安装，只需在管段上开四个取压孔即可，大大地减少了安装时间， 节省了大量的人力。
其测量的效果与使用超声波流量计相比其价格便宜，测量精度相比高于单一的均速管流量计。其测量方式又不受限于介质的组合成分，密度的变化。
以传统的测量方法加上密度的组合而成的质量流量。

1大管道烟风测量
1.1常用大管道气体流量测量装置
根据工作原理不同，流量测量仪表主要分为以下 6种：差压式流量计、叶轮式流量计、电磁流量计、超声 波流量计、涡街流量计、容积流量计¹。目前，工业上 风量的测量介质是含有一定杂质/烟尘的空气或者烟 气，常用的风量测量仪表是热线风速仪、皮托管、气体 超声波流量计、风量罩和均速管等。
热线风速仪利用热耗散原理，将一根通以电流而 被加热的细金属丝感测元件置于管道中。当气体流过 它时，将带走一定的热量，此热量与流体的速度存在一 定关系。其最大特点是只能测量单点的流速，不能实 现连续监测，流体成分会影响测量结果，响应时间大于 1 s, 一般要求所测气体温度不高于350 °C ²。
皮托管通过测量气流全压和静压来确定气体的流 速。其特点是只能测单点流速，不能实现连续监测，管 道中流速分布对其影响较大。同时，皮托管操作要求 高、消耗工时较多，适用于标准试验，可作为工业现场 风量测量校验的仪器。
气体超声波流量计利用流体的流动速度对超声波 的传动信号所造成干扰，通过测量电信号的变化来获 得流速回。采用便携式超声波流量计进行流量测量 时，只需将其安装在测量管道的外表面，不与被测流体 接触，没有压力损失,操作十分方便，但测量精度不高， 并且大部分超声波流量计不适用于对含粉尘气体流量 的测量。
风量罩主要用来测量管道出口处的气体流量仪 器，其测量原理是利用速度矩阵中心测量差压，获得截 面平均流速。风量罩质量轻便、操作简单，但它局限于 对风口处的测量，不适用于封闭烟风管道的气体流量 测量。
均速管流量计是一种差压式流量计，通过测量管 道同一截面径向不同点的全压与静压之差，计算出该 截面的平均流速。均速管不适用于小流量的测量，在 大流量测量中具有优势。均速管因其结构简单、价格 低廉、稳定性好、动力消耗少、安装方便、维护量小、压 力损失小、准确度好和适用测量管径范围广等优点，其 应用的范围越来越广泛可。
1.2风量测量存在的主要问题
工业大型烟风管道中的流体多为紊流，要准确地 测量流量，必须具有较长的直管段，而实际测量现场往 往无法满足此要求国。
烧结余热烟风系统中的风量测量特点如下。
① 烟风直管段较短（直管段仅有0. 5D ~2D，D为 管道内径），同时风管通道测点的上游可能存在调节 风门、弯头、各种加强支撑件等阻力件，造成管道内测 点所在截面上的流场分布很不均匀，甚至有漩涡存在。 流场的不稳定，将导致测量精确度降低。
② 管道中烟气含有一定湿度、粉尘等不利因素，容 易造成传感器堵塞，从而使得测量不准确或者无法 测量。
③ 烟风管道内压力低、差压小，若采用灵敏度不高 的差压测量仪器，将导致所测参数不准确，甚至导致测 量的数据无意义。
④ 测量环境恶劣，由于环冷机烟风罩处密封不 严密，同时烟风罩常常未采取保温措施，这就使得在 所要测量位置常常有高温烟尘。人员因此不易或者 无法靠近烟风管道，自然也无法采用手持仪器进行 现场热工测量。
针对这些问题，只有在环境条件具有可操作性的 情况下，才可将插入式热线风速仪或皮托管作为现场 风量测量校验的仪器。
在检测大管道气体流量时，均速管因具有安装稳 定、运行可靠、压力损失小、准确度高和适用测量管径 范围广等优点，常作为首选仪表。针对烧结余热烟风 测量中存在的问题，均速管能较好地实现准确测量，新 型均速管测量系统就是基于此设计的。

这些区域中各点流体的流速相等。通过测量每一个区 域中某个特征点的流速，计算出整个管道截面的平均 流速，进而得到通过管道截面的流体流量值⁷。
均速管测速原理图如图2所示。

 

图2均速管测速原理图
Fig. 2 Principle of velocity measurement of Annubar
 
本装置主要是对烧结余热风量进行测量，所测介 质是热空气，可近似为不可压缩的理想定常流体，符合 不可压缩流体伯努利方程国。截面选取如图2中截面 1 -1与2 -2所示,可得：
2 2
pVi Q%
P1 + 2 + （人a – 人）X （名2 -名1） = P2 + 2 + P1 – ² 式中 :P₁、P₂分别为截面^{1 -1}、2 ^{– 2}的静压，Pa； p为空 气密度,kg/m³:V1、2分别为截面1 -1P – 2流体的平 均流速,m/s,（A_a —人）X （z₂ — z₁）为截面 1 – 1、2 — 2 的 位压差，Pa；P1和P2分别为截面1 -1P – 2间的压力 损失，Pa。
根据稳定不可压缩流体连续性方程，有：
A₁ v₁ = A₂ v₂ （1）
式中:A₁P₂为截面1 -1、2 -2的有效通风面积。
由此可推得均速管流量传感器的流量计算公式为:
X
［）^{+ Y}
式中：Ap为与均速管连接的差压测量装置所测得的差 压，Pa；丫为均速管检测杆局部阻力系数；K为均速管 流量系数。
3装置在项目上的应用实例
3.1烧结余热烟风系统
目前,烧结余热烟气系统主要利用环冷机的烟气 余热资源。高温烧结矿经过破碎后落入环冷机，通过 环冷机底部的鼓风机鼓入冷空气来进行逐步冷却。冷 空气被高温烧结矿加热产生高温热空气，将温度在 250 -450 T的高温热空气引入余热锅炉加热给水，产 生过热蒸汽推动汽轮发电机组进行发电，从而达到烧 结余热资源回收利用的目的。在此烟风系统中，为了 进一步提高余热锅炉的进口烟气温度，常常将余热锅 炉排放的100 – 150 °C低温烟气通过循环风机输送回 环冷机的前段风箱，从而进一步提高余热烟温和余热 利用率⁹。
3.2均速管布置情况及烟道参数
烧结余热锅炉有2段入口烟风管道,新型均速管布 置的2个测点所在烟道相关参数如表1所示。均速管 所安装位置的管道前后直管段总长度约为2D，直管段 较短，同时所测烟风中含有一定粉尘，容易造成测量装 置堵塞和磨损问题。因此,新型均速管检测杆配置了反 吹装置，防止检测杆测量孔堵塞，从而保证测量准确性。
表1烟道相关参数
Tab. 1 Pipeline parameters of the flue pipe

 
3.3风量测量系统设计方案
新型均速管测量系统由新型均速管、微差压/压力 变送器、铠装热电偶、温度传感器、数据采集处理系统、 定时防堵反吹装置组成。均速管测量孔所测得的压力 经均值腔平均之后，通过引压管引至差压变送器和压 力变送器，再通过数据电缆线将变送器信号传送至数 据采集处理系统；通过PC对该信号进行连续实时监 测和处理，计算出所测点的烟风流量。
微差压/压力变送器采用的是精度高的罗斯蒙特 变送器。铠装热电偶采用热电偶冷端自动补偿技术， 从而提高温度测量精度。
定时防堵反吹装置可根据现场的需要设定吹扫时 间、压力和间隔时间，定期对均速管和引压管路进行吹 扫，防止粉尘堵塞造成测量不准确。吹扫时将自动关闭 测量阀门，以保证不影响测量数据。吹扫气源直接引自 钢铁厂内的压缩空气，通过过滤器来保证气源清洁、减压 阀来控制吹扫压力，从而得到稳定清洁的防堵反吹动力。
3.4风量测量系统实际测量效果
2011年10月初，该套风量测量系统在钢铁厂烧 结余热发电烟风系统中投入使用，经过一个月运行工 作，风量测量系统工作平稳正常，测量烟气流量效果理 想，达到了预期目标。
测量结果显示，新型均速管所测风量参数与皮托 管、热式风速仪所测风量参数十分吻合,满足了工程可 接受的测量误差范围和准确度要求。