電站鍋爐煙氣流量測量常用流量計的選擇

引言
　　目前國內(nèi)外的大型燃煤機(jī)組，多采用選擇性催化還原法，俗稱氨氣脫硝。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)行計算得出。但隨著各地環(huán)保局對脫硝重視力度的加大，個別地區(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)保局實時監(jiān)視，因此通過計算得出煙氣量的方式無法滿足環(huán)保局要求，取而代之的是利用流量計進(jìn)行反應(yīng)器入、出口煙氣量的測量。
　　 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，給流量計的正確選型帶來更大的困難。不合理的測量方式，會使得流量計使用壽命變短、導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。實際操作中，脫硝反應(yīng)器入口煙道流量測量值，受不同的測量方式和流量計的影響較大。選擇合適的測量方式，可以在煙氣含塵量高、測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)道流速測量方式的選擇非常重要。
　　常用煙氣流量計的分類和性能
　　質(zhì)量互變規(guī)律是事物聯(lián)系發(fā)展的基本規(guī)律，流量測量是研究物質(zhì)量變的科學(xué)。鍋爐煙風(fēng)道煙氣流量計種類很多，型式各異。筆者根據(jù)實際工作經(jīng)驗，結(jié)合目前的文獻(xiàn)資料，按照目前最流行、最廣泛的分類法,來分別闡述各種流量計的原理、特點。
　　2.1分類
　　目前已投入使用的流量計已超過l00多種。從不同的角度出發(fā)，流量計有不同的分類方法。傳統(tǒng)的流量計分類方法有兩種。
　　2.1.1按流量計采用的測量原理進(jìn)行歸納分類
　　①力學(xué)原理：利用伯努利定理的差壓式、轉(zhuǎn)子式；利用動量定理的沖量式、可動管式；②利用牛頓第二定律的直接質(zhì)量式；③利用流體動員原理的靶式；④利用角動員定理的渦輪式；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按流量計的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分類
　　①容積式流量計；②葉輪式流量計；③差壓式流量計(變壓降式流量計)④變面積式流量計(等壓降式流量計)；⑤動量式流量計等。
　　筆者根據(jù)實際工作經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)人們平時對流量計分類和命名，是本著便利上口和視覺習(xí)慣，并沒有嚴(yán)格按照某種規(guī)則來劃分，而且存在很大的交叉和兼容性。本文以流量計在鍋爐煙道測量方式的不同為研究對象。選擇該測量方式中一種常見而有代表性的流量計為例，分別闡述各種流量計的特點。
　　2.2常見煙氣流量計的測量方式和特點
　　2.2.1點式煙氣流量計
　　2.2.1.1皮托管流量計
　　皮托管流量計利用差壓原理來工作，由法國H.皮托發(fā)明而得名。其結(jié)構(gòu)組成主要由一個垂直在支桿上的圓筒形流量頭組成的管狀裝置。采用單點測量方式，監(jiān)測煙氣的流速。
　　 ①技術(shù)性能
　　優(yōu)點：阻力損失小; 缺點：是不能直接測出平均速度，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。測量誤差大。
　　②安裝要求
　　必須保證測量點位于穩(wěn)定均勻流段，前后段有約等于管路直徑50倍長度的直管距離，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
　　熱擴(kuò)散式流量計是采用熱傳導(dǎo)原理測量氣體的質(zhì)量流量，即放在流體中的熱源，在流體經(jīng)過時，熱源本身的熱量將會損失，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帶熱套管保護(hù)的電阻式溫度傳感器（RTD），其中一個為參比元件，測量介質(zhì)的溫度作為參比溫度；另一個為測量元件，測量流體流過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，即可測量氣體的質(zhì)量流量。通常熱式流量計可分為恒溫差和恒功率兩種類型。
　　 ①技術(shù)性能
　　優(yōu)點：壓損小、響應(yīng)快、靈敏度高、量程比寬；測量值為質(zhì)量流量，不受被測介質(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題；克服了脫硝煙道大、煙氣流速低等流量測量的難點。缺點：點式測量，測量結(jié)果準(zhǔn)確性稍差；探頭易腐蝕；直管段要求高；煙氣濕度對該測量方式的準(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（勻速管）
　　均速管流量測量裝置是基于皮托管測速原理發(fā)展而來的一種流量傳感器。均速管流量測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，流體流過探頭時速度加快，在探頭后部產(chǎn)生一個低壓分布區(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。均速管流量測量裝置探頭在高、低壓區(qū)有按一定準(zhǔn)則排布的多對取壓孔，使準(zhǔn)確測平均流速成為可能，探頭能精確地檢測到由流體的平均速度所產(chǎn)生的平均差壓。常見的均速管有威力巴、阿牛巴、超利巴、德爾塔巴等，本文以威力巴為例進(jìn)行說明。
　　在火力發(fā)電廠中，威力巴流量測量裝置適用于大多數(shù)風(fēng)量的測量，對于風(fēng)道截面積大、流速較低的風(fēng)量測量，可采用多點測量求平均值的方法，消除測量偏差，達(dá)到測量目的。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，位于探頭側(cè)后兩邊、流體分離點之前的低壓取壓孔，其開孔位置避開了雜質(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，提高低流速時的測量精度。 
　　圖1 威力巴測量中流體分布示意圖
　　 ①技術(shù)性能
　　優(yōu)點：阻力損失小；結(jié)構(gòu)簡單、重量輕；安裝、拆卸非常簡單；維護(hù)方便；精度高，
　　量程比大。缺點：探頭容易腐蝕；其次雖然對探頭低壓取樣孔的設(shè)計進(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題；探頭安裝直管段要求高，在反應(yīng)器入、出口煙道處測量無法滿足直管段要求。
　　②安裝要求
　　必須保證測量點位于穩(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（橫截面）
　　自清灰面式煙氣流量計基于差壓法測量原理，采用在煙道截面多點陣列布置的方式，將多個探頭動壓側(cè)相互連接，靜壓側(cè)相互連接，動壓、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。通過增大裝置有效測量面積，確保測量的準(zhǔn)確。另外取壓探頭中的自清灰裝置，可將流體的動能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，敲打管壁，防止探頭堵灰。
　　
　　 圖2 自清灰面式流量計測點分布示意圖
　　技術(shù)性能
　　優(yōu)點：適用管型范圍廣，性能穩(wěn)定好；無直管段要求，自身具有整流功能，較好解決脫硝反應(yīng)器煙道無直管段的問題；測量靈敏度及準(zhǔn)確性好；利用流體動能自動清灰，無需吹掃裝置，較好解決煙塵堵塞的問題。缺點：在大截面煙道需根據(jù)煙道尺寸多組布置，設(shè)備費(fèi)用相對較高。另外安裝較其他流量計相對復(fù)雜。
　　安裝要求
　　測量裝置斜剖口正對迎風(fēng)側(cè)；安裝位置直管段長度必須大于管道的當(dāng)量直徑；流量計相對于待測管道中心軸線永遠(yuǎn)垂直安裝。測量裝置中心線與管道中心線一致。
　　三、煙道流量計的選擇與評價
　　 3.1流量計方式選型原則
　　流量計測量方式及型式的選擇是指按照不同煙風(fēng)道及流速要求，從流量計的性能及企業(yè)經(jīng)濟(jì)的實際情況出發(fā)，綜合地考慮測量的安全、準(zhǔn)確和經(jīng)濟(jì)性，并根據(jù)脫硝煙氣的性質(zhì)及煙氣流動情況，確定測量儀表的型式和規(guī)格。
　　3.1.1測量方式安全可靠原則
　　采用可靠的測量方式。保證流量計在運(yùn)行中不會發(fā)生機(jī)械強(qiáng)度或電氣回路故障而引起事故；其次是測量儀表無論在正常生產(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)器入口的煙氣測量流量計，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測量方式準(zhǔn)確節(jié)能原則
　　在保證流量計安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，力求根據(jù)被測介質(zhì)的特點選擇合理的測量方式，提高儀表測量的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性。為此，流量計不僅要選用最佳的測量方式，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 測量儀表易于維護(hù)原則
　　根據(jù)被測介質(zhì)的要求，選擇的流量計理應(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量元件的磨損等。
　　3.2煙道測量方式（流量計型式）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，新式流量計的不斷開發(fā)并廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)意義上對流量計分類和評價，已經(jīng)無法準(zhǔn)確定義新式流量計的性能。
　　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，其組成主要由皮托管檢測頭﹑差壓變送器﹑信號采集單元、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
　　測量時將皮托管流速計探頭插入管路中，并使全壓和背壓探頭中心軸線處于過流斷面中心且與流線方向一致，全壓探頭測孔正面應(yīng)對來流，檢測流體總壓，并將其傳遞給差壓變送器；同時背壓探頭測孔拾取節(jié)流靜壓也將其傳遞給變送器，變送器讀取動﹑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算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
　　新式皮托管流量計裝置自身配有內(nèi)置和外置自清灰防堵裝置，徹底改變原來粉塵堵塞過濾器局限，利用皮托管反吹箱能實時清灰，其清潔功能可以同時清潔外部粉塵和內(nèi)部粉塵，無需空氣吹掃，免維護(hù)。使長期、穩(wěn)定、可靠的煙氣測量成為可能。
　　3.3維護(hù)
　　 日常維護(hù)是保證設(shè)備長期穩(wěn)定工作的前提條件，特別是大型的大型燃煤機(jī)組，應(yīng)有專門的工作人員負(fù)責(zé)設(shè)備的日常維護(hù)工作。流量計的日常維護(hù)工作主要包括：流量計的巡視、檢查；更換、及時發(fā)現(xiàn)故障并排除等等。
　　小結(jié)
　　 總之，沒有一種測量方式或流量計對各種煙道結(jié)構(gòu)及煙氣流動情況都能適應(yīng)的．不同的測量方式和結(jié)構(gòu)，要求不同的測量操作、使用方法和使用條件。每種型式都有它特有的優(yōu)缺點。因此，應(yīng)在對各種測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)和流量測量方式，滿足既安全可靠又經(jīng)濟(jì)耐用的要求。