电站锅炉烟气流量测量常用流量计的选择

电站锅炉烟气流量测量常用流量计的选择

引言
　　目前国内外的大型燃煤机组，多采用选择性催化还原法，俗称氨气脱硝。是把NH3作为还原剂，经喷氨格栅喷入烟道的脱硝方法。SCR(selectivecatalyticreduction)的原理，是利用氨气与烟气充分混合后，进入催化剂层，在催化剂的作用下，把NOx还原为N2和H2O。
　　在SCR工艺中，需要根据烟气流量，计算和调节喷入烟道的NH3量，以达到脱硝效率的要求。烟气流量一般可通过锅炉燃料成分分析结果，以及锅炉燃烧的空气流量、燃料量等进行计算得出。但随着各地环保局对脱硝重视力度的加大，个别地区环保局要求脱硝反应器入、出口烟气流量以及NOx、O2均要上传至环保局实时监视，因此通过计算得出烟气量的方式无法满足环保局要求，取而代之的是利用流量计进行反应器入、出口烟气量的测量。
　　 目前脱硝反应器大部分采用高尘布置，即布置在锅炉省煤器和空预器之间，锅炉除尘器之前。其布置位置的特殊性，决定了测量介质烟气具有高温、高尘、高腐蚀的特性，而设备布置的局限性，也直接导致了反应器入、出口烟道直管段较短，给流量计的正确选型带来更大的困难。不合理的测量方式，会使得流量计使用寿命变短、导致数据失真。实际操作中，脱硝反应器入口烟道流量测量值，受不同的测量方式和流量计的影响较大。选择合适的测量方式，可以在烟气含尘量高、测量直管短的客观条件下，突破仪表堵塞、磨损严重瓶颈，获取精确的烟道流量数据。因此，电站锅炉大型烟风道流速测量方式的选择非常重要。
　　常用烟气流量计的分类和性能
　　质量互变规律是事物联系发展的基本规律，流量测量是研究物质量变的科学。锅炉烟风道烟气流量计种类很多，型式各异。笔者根据实际工作经验，结合目前的文献资料，按照目前最流行、最广泛的分类法,来分别阐述各种流量计的原理、特点。
　　2.1分类
　　目前已投入使用的流量计已超过l00多种。从不同的角度出发，流量计有不同的分类方法。传统的流量计分类方法有两种。
　　2.1.1按流量计采用的测量原理进行归纳分类
　　①力学原理：利用伯努利定理的差压式、转子式；利用动量定理的冲量式、可动管式；②利用牛顿第二定律的直接质量式；③利用流体动员原理的靶式；④利用角动员定理的涡轮式；⑤利用流体振荡原理的漩涡式、涡街式；⑥利用总静压力差的皮托管式以及容积式和堰、槽式等等；⑦电学原理：电磁式、差动电容式、电感式、应变电阻式等。⑧声学原理：利用声学原理的有超声波式、声学式(冲力波式)等。⑨热学原理：利用热学原理的有热量式、直接显热式、间接量热式等。
　　2.1.2按流量计的结构原理进行分类
　　①容积式流量计；②叶轮式流量计；③差压式流量计(变压降式流量计)④变面积式流量计(等压降式流量计)；⑤动量式流量计等。
　　笔者根据实际工作经验，发现人们平时对流量计分类和命名，是本着便利上口和视觉习惯，并没有严格按照某种规则来划分，而且存在很大的交叉和兼容性。本文以流量计在锅炉烟道测量方式的不同为研究对象。选择该测量方式中一种常见而有代表性的流量计为例，分别阐述各种流量计的特点。
　　2.2常见烟气流量计的测量方式和特点
　　2.2.1点式烟气流量计
　　2.2.1.1皮托管流量计
　　皮托管流量计利用差压原理来工作，由法国H.皮托发明而得名。其结构组成主要由一个垂直在支杆上的圆筒形流量头组成的管状装置。采用单点测量方式，监测烟气的流速。
　　 ①技术性能
　　优点：阻力损失小; 缺点：是不能直接测出平均速度，且压差读数小，常要放大才读得准确。探头容易腐蚀，需定期检查并涂抹防腐材料，维修能耗高。易堵塞取压孔。测量误差大。
　　②安装要求
　　必须保证测量点位于稳定均匀流段，前后段有约等于管路直径50倍长度的直管距离，最少也应在8-12倍；必须保证皮托管截面严格垂直于流动方向；皮托管直径d0应小于管径d的1/50，即d0 < (d/50)。
　　2.2.1.2热式流量计
　　热扩散式流量计是采用热传导原理测量气体的质量流量，即放在流体中的热源，在流体经过时，热源本身的热量将会损失，流体的质量流量越大，热源损失的热量越大。其典型传感元件包括两个带热套管保护的电阻式温度传感器（RTD），其中一个为参比元件，测量介质的温度作为参比温度；另一个为测量元件，测量流体流过加热器带走热量之后的温度。损失的热量与流体的质量流量成函数关系，即可测量气体的质量流量。通常热式流量计可分为恒温差和恒功率两种类型。
　　 ①技术性能
　　优点：压损小、响应快、灵敏度高、量程比宽；测量值为质量流量，不受被测介质温度、压力、密度、粘度的影响；较好的解决了烟气含尘量高，引起的取样管堵塞问题；克服了脱硝烟道大、烟气流速低等流量测量的难点。缺点：点式测量，测量结果准确性稍差；探头易腐蚀；直管段要求高；烟气湿度对该测量方式的准确性也稍有影响。
　　 ②安装要求：
　　 前后直管段要求为：前10后5倍烟道直径；热式流量计插深应为管道内径的1/2+管厚。
　　2.2.2线式烟气流量计（匀速管）
　　均速管流量测量装置是基于皮托管测速原理发展而来的一种流量传感器。均速管流量测量装置是由一根中空的细金属管和两根引压管及管接头组成。在其前部产生一个高压分布区，高压分布区的压力略高于管道的静压。根据伯努利方程原理，流体流过探头时速度加快，在探头后部产生一个低压分布区，低压分布区的压力略低于管道的静压。流体从探头流过后在探头后部产生部分真空，并在探头的两侧出现旋涡。均速管流量测量装置探头在高、低压区有按一定准则排布的多对取压孔，使准确测平均流速成为可能，探头能精确地检测到由流体的平均速度所产生的平均差压。常见的均速管有威力巴、阿牛巴、超利巴、德尔塔巴等，本文以威力巴为例进行说明。
　　在火力发电厂中，威力巴流量测量装置适用于大多数风量的测量，对于风道截面积大、流速较低的风量测量，可采用多点测量求平均值的方法，消除测量偏差，达到测量目的。子弹头截面形状的探头能产生精确的压力分布，固定的流体分离点，位于探头侧后两边、流体分离点之前的低压取压孔，其开孔位置避开了杂质聚集区，在一定程度上有效的减少了堵塞。前表面粗糙处理减小流体牵引力，提高低流速时的测量精度。 
　　图1 威力巴测量中流体分布示意图
　　 ①技术性能
　　优点：阻力损失小；结构简单、重量轻；安装、拆卸非常简单；维护方便；精度高，
　　量程比大。缺点：探头容易腐蚀；其次虽然对探头低压取样孔的设计进行了改进，但在此高尘环境下仍不可避免的存在堵塞取压孔的问题；探头安装直管段要求高，在反应器入、出口烟道处测量无法满足直管段要求。
　　②安装要求
　　必须保证测量点位于稳定均匀流段，前后段要求前7后5倍烟道直径。
　　2.2.3面式烟气流量计（横截面）
　　自清灰面式烟气流量计基于差压法测量原理，采用在烟道截面多点阵列布置的方式，将多个探头动压侧相互连接，静压侧相互连接，动压、静压侧综合后引至变送器，经温压补偿后获得流量值。通过增大装置有效测量面积，确保测量的准确。另外取压探头中的自清灰装置，可将流体的动能转换为机械能，敲打管壁，防止探头堵灰。
　　
　　 图2 自清灰面式流量计测点分布示意图
　　技术性能
　　优点：适用管型范围广，性能稳定好；无直管段要求，自身具有整流功能，较好解决脱硝反应器烟道无直管段的问题；测量灵敏度及准确性好；利用流体动能自动清灰，无需吹扫装置，较好解决烟尘堵塞的问题。缺点：在大截面烟道需根据烟道尺寸多组布置，设备费用相对较高。另外安装较其他流量计相对复杂。
　　安装要求
　　测量装置斜剖口正对迎风侧；安装位置直管段长度必须大于管道的当量直径；流量计相对于待测管道中心轴线永远垂直安装。测量装置中心线与管道中心线一致。
　　三、烟道流量计的选择与评价
　　 3.1流量计方式选型原则
　　流量计测量方式及型式的选择是指按照不同烟风道及流速要求，从流量计的性能及企业经济的实际情况出发，综合地考虑测量的安全、准确和经济性，并根据脱硝烟气的性质及烟气流动情况，确定测量仪表的型式和规格。
　　3.1.1测量方式安全可靠原则
　　采用可靠的测量方式。保证流量计在运行中不会发生机械强度或电气回路故障而引起事故；其次是测量仪表无论在正常生产或故障情况下都不致影响脱硝生产系统的安全。例如，大型燃煤机组脱硝反应器入口的烟气测量流量计，必须安装牢固，定期维护，以确保在强腐蚀、浓烟尘气流中不发生机构损坏。
　　3.1.2测量方式准确节能原则
　　在保证流量计安全运行的基础上，力求根据被测介质的特点选择合理的测量方式，提高仪表测量的准确性和经济性。为此，流量计不仅要选用最佳的测量方式，还应该选择合适的规格（量程），以保证满足准确度要求。
　　 3.1.3 测量仪表易于维护原则
　　根据被测介质的要求，选择的流量计理应方便改进和维护。比如允许增加相应的辅助措施，如增加吹灰系统以防止堵塞，增加耐磨涂层以防止测量元件的磨损等。
　　3.2烟道测量方式（流量计型式）选择
　　勤劳智慧的人们，在生产应用中总结了各种长处和不足，并积极的进行改进。随着工业生产的需求和科技的发展，新式流量计的不断开发并广泛应用。传统意义上对流量计分类和评价，已经无法准确定义新式流量计的性能。
　　比如中科天融（北京）科技有限公司生产的新式皮托管流量计，其组成主要由皮托管检测头﹑差压变送器﹑信号采集单元、反吹控制单元等部件构成。
　　
　　
　　图3 皮托管流速单元探头管安装
　　
　　图4 新式皮托管系统连接图
　　测量时将皮托管流速计探头插入管路中，并使全压和背压探头中心轴线处于过流断面中心且与流线方向一致，全压探头测孔正面应对来流，检测流体总压，并将其传递给差压变送器；同时背压探头测孔拾取节流静压也将其传递给变送器，变送器读取动﹑静压差值并将其转换成相应的流速比例电流（4～20mA）传送给显示仪表或计算机进行数据处理。
　　新式皮托管流量计装置自身配有内置和外置自清灰防堵装置，彻底改变原来粉尘堵塞过滤器局限，利用皮托管反吹箱能实时清灰，其清洁功能可以同时清洁外部粉尘和内部粉尘，无需空气吹扫，免维护。使长期、稳定、可靠的烟气测量成为可能。
　　3.3维护
　　 日常维护是保证设备长期稳定工作的前提条件，特别是大型的大型燃煤机组，应有专门的工作人员负责设备的日常维护工作。流量计的日常维护工作主要包括：流量计的巡视、检查；更换、及时发现故障并排除等等。
　　小结
　　 总之，没有一种测量方式或流量计对各种烟道结构及烟气流动情况都能适应的．不同的测量方式和结构，要求不同的测量操作、使用方法和使用条件。每种型式都有它特有的优缺点。因此，应在对各种测量方式和仪表特性作全面比较的基础上，选择适于具体的烟道结构和流量测量方式，满足既安全可靠又经济耐用的要求。