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行反應器入、出口煙氣量的測量。
　　 目前脫硝反應器大部分采用高塵布置，即布置在鍋爐省煤器和空預器之間，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，也直接導致了反應器入、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、導致數(shù)據(jù)失真。實際操作中，脫硝反應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。鍋爐煙風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行歸納分類
　　①力學原理：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電學原理：電磁式、差動電容式、電感式、應變電阻式等。⑧聲學原理：利用聲學原理的有超聲波式、聲學式(沖力波式)等。⑨熱學原理：利用熱學原理的有熱量式、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慣，并沒有嚴格按照某種規(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，最少也應在8-12倍；必須保證皮托管截面嚴格垂直于流動方向；皮托管直徑d0應小于管徑d的1/50，即d0 < (d/50)。
　　2.2.1.2熱式流量計
　　熱擴散式流量計是采用熱傳導原理測量氣體的質(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)有按一定準則排布的多對取壓孔，使準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)風量的測量，對于風道截面積大、流速較低的風量測量，可采用多點測量求平均值的方法，消除測量偏差，達到測量目的。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)計進行了改進，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，較好解決脫硝反應器煙道無直管段的問題；測量靈敏度及準確性好；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)備費用相對較高。另外安裝較其他流量計相對復雜。
　　安裝要求
　　測量裝置斜剖口正對迎風側(cè)；安裝位置直管段長度必須大于管道的當量直徑；流量計相對于待測管道中心軸線永遠垂直安裝。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道及流速要求，從流量計的性能及企業(yè)經(jīng)濟的實際情況出發(fā)，綜合地考慮測量的安全、準確和經(jīng)濟性，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。保證流量計在運行中不會發(fā)生機械強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，大型燃煤機組脫硝反應器入口的煙氣測量流量計，必須安裝牢固，定期維護，以確保在強腐蝕、濃煙塵氣流中不發(fā)生機構(gòu)損壞。
　　3.1.2測量方式準確節(jié)能原則
　　在保證流量計安全運行的基礎(chǔ)上，力求根據(jù)被測介質(zhì)的特點選擇合理的測量方式，提高儀表測量的準確性和經(jīng)濟性。為此，流量計不僅要選用最佳的測量方式，還應該選擇合適的規(guī)格（量程），以保證滿足準確度要求。
　　 3.1.3 測量儀表易于維護原則
　　根據(jù)被測介質(zhì)的要求，選擇的流量計理應方便改進和維護。比如允許增加相應的輔助措施，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)應用中總結(jié)了各種長處和不足，并積極的進行改進。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)并廣泛應用。傳統(tǒng)意義上對流量計分類和評價，已經(jīng)無法準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)換成相應的流速比例電流（4～20mA）傳送給顯示儀表或計算機進行數(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。使長期、穩(wěn)定、可靠的煙氣測量成為可能。
　　3.3維護
　　 日常維護是保證設(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組，應有專門的工作人員負責設(shè)備的日常維護工作。流量計的日常維護工作主要包括：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)濟耐用的要求。