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煙道氣體流量計

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大氣污染防治是我國環保工作的重點。煙塵濃度及煙氣（氣態和固態組成）的含量觀察、分析其變化和對環境影響的過程，是冶金企業、化工企業及其他工業企業污染源監測的主要監測項目之一。煙道氣監測的目的是：（1）檢查煙氣中的各種污染物的排放濃度和排放量是否符合國家規定的排放標準；（2）檢查煙氣凈化裝置及污染防治措施的行能和使用情況；（3）為大氣環境管理和大氣環境質量評價提供依據。確定污染物排放量的關鍵是煙道氣流速，而測點位置和布置對于測量結果的影響很大。本文首先是歸納了各種流量計在煙道氣測量上的方式、效果及其不足之處。從而能引出本文闡述的論點：使用均速管 - 質量流量計組合測量來確定企業排放煙氣體流量。

煙道氣是有毒有害氣體和煙塵的混合物，是污染大氣的重要原因。煙氣的成分很復雜，氣體中包括 SO2、CO、CO2 碳氫化合物以及氮氧化合物等，煙塵包括燃料的灰分、煤塵、油滴以及高溫裂解產物等。因此煙道氣對環境的污染是多種有毒物質的復合污染。
顯而易見，控制煙道氣流量的排放是至關重要的，傳統的煙道氣流量測量方法有：（1）超聲波流量計；（2）單一的均速管流量計；（3）熱式氣體質量流量計。
二、問題的提出
雖然煙道氣的測量方式有多種多樣，但是通常的測量方法均存在一定的問題。
（1）超聲波流量計：超聲波氣體流量計是利用超聲波在流體中順流和逆流傳播的速度差與流體的流速成正比的原理測量流量的。運用此方法測量的缺點是造價昂貴，測量精度不高，通常只有 ±2 ～ 5%。
（2）單一的均速管流量計：均速管流量計是采用皮托管測量原理測量流體的全壓與靜壓，從而達到測量流量的目的。均速管流量計具有結構簡單、安裝維修方便、運行及制造成本低等優點，廣泛應用于大管徑、允許壓損小的場合。由均速管流量計的測量原理可知其測量的是體積流量，而煙氣是變組分的介質，密度是變化的。因此要得到煙氣的質量流量僅僅通過單一的均速管流量計是無法實現的。
（3）熱式氣體質量流量計：熱式流量計是利用傳熱原理檢測流量儀表，即流動中的流體與熱源之間熱量交換關系來測量流量的儀表。該儀表的傳感器由兩個基準級熱電阻 RTD 組成。一個是質量速度傳感器T1，一個是測量氣體、溫度變化的溫度傳感器 T2。當這兩個 RTD 置于被測氣體中時，其中傳感器 T1 被加熱到氣體溫度以上的一個恒定的溫差，另一個傳感器 T2 用于感應被測氣體溫度。隨著氣體質量流速的增加，氣體帶走更多熱量，傳感器 T1 的溫度下降，要維持 T1、T2 恒定的溫度差，T1 的加熱功率就要增大。根據熱效應的金氏定律，加熱功率 P、溫差△ T=（T1-T2）與質量流量 Q 有確定的數學關系式。但是和均速管流量計一樣，熱式流量計在測量氣體組分變化較大的場所，因 CP 值和熱導率的變化，測量值會有較大的變化，從而產生較大的誤差。
由此可見，以上三種測量方法均不適合用于在煙道氣質量流量的測量。

三、解決方法
運用均速管流量計、科里奧利質量流量計組合測量的方法就可以很好地解決以上三種測量方式的不足之處。
科里奧利質量流量計是利用流體在直線運動的同時處于一旋轉系中，產生與質量流量成正比的科里奧利力原理制成的一種直接式質量流量儀表?；诖嗽恚摿髁坑嬁梢詼y得流體的密度。
上文已介紹過均速管流量計的測量原理，其測量的是流體的體積流量。采用科里奧利質量流量計測量煙氣密度，均速管流量計測量煙氣體積流量，兩者結合，利用平均值補償，就可以推算出整個煙道氣管道的流量了。

四、安裝要求
質量流量計和均速管流量計的安裝位置和安裝方式將會直接影響到整個測量精度。首先應確定均速管流量計的安裝位置，煙道氣的測量是在煙囪管道內部進行測定或采試樣測定，為了使測量點具有代表性，測
量點的位置盡可能選在煙道氣氣流均勻而穩定的管段上，應避開彎頭、閥門和變徑管等容易產生渦流的阻力構件，原則是：以煙氣流向為準，測定斷面與其上游方向阻力構件的距離，大于煙道氣測量管直徑的10 倍，與其下游方向阻力構件的距離，大于煙道氣測量管直徑的
10 倍，與其下游方向阻力構件的距離大于煙道氣測量管直徑的 5 倍。此外，由于水平管道中氣流速度分布和粒狀物濃度分布不如垂直管道內均勻，所以選擇測量點時，應優先選取垂直管段。

均速管流量計安裝位置確定后，再確定質量流量計的安裝位置。在均速管流量計的前端另開一側。斜向 30°側開一個口，引出一段為 1 寸大小的分支測量管（圖 1），把質量流量計安裝在導管上，把質量流量計另一端連接在煙道氣管道上形成一個環路（圖 2）。

圖 1 圖 2
質量流量計的位置取舍是至關重要的，如果測量點的位置必須位于均速管流量計前端，引出一段分支測量管深入煙道氣管道內側，深入的長度約為管道內徑的 1/8D 之處，如若調整深入長度的話，可運用在線插拔裝置調整深入長度，此處位置點的取舍是根據流體力學得出的—— 流體力學是連續介質力學的一門分支，是研究流體（包含氣體及液體）現象以及相關力學行為的科學。分支測量管的角度為與煙道氣管道成30°安裝。分支測量管的大小為 1 寸左右。詳見圖 2 所示。
分支測量管安裝完成后把質量流量計安裝在分支測量管上即可。另外一端使用相同口徑的測量管連接到主管測量管上即可（安裝位置必須在均速管流量計開孔處后側位置）。
安裝完質量流量計后，在質量流量計兩側開孔的中心位置上，安裝均速管流量計，此流量計必須處于此兩側開孔之間。
安裝完質量流量計和均速管流量計后，使用電纜把信號傳輸到積算儀上即可使用測量。
此測量方式的原理在于：運用質量流量計，測出煙道氣管道中的介質的密度及流速（V1）：即判斷出整個煙道氣管道中的介質即為質量流量計測得的密度。根據此得到介質的密度與均速管流量計測得的體積量，運用積算儀或 PLC 等，處理從而得到整個煙道氣管道的質量流量。
五、取得的效果（效益）
使用此方案測量的好處在于：其安裝過程中非常的方便也可不停產在線安裝，只需在管段上開四個取壓孔即可，大大地減少了安裝時間，節省了大量的人力。
其測量的效果與使用超聲波流量計相比其價格便宜，測量精度相比高于單一的均速管流量計。其測量方式又不受限于介質的組合成分，密度的變化。
以傳統的測量方法加上密度的組合而成的質量流量。

1大管道煙風測量
1.1常用大管道氣體流量測量裝置
根據工作原理不同，流量測量儀表主要分為以下 6種：差壓式流量計、葉輪式流量計、電磁流量計、超聲波流量計、渦街流量計、容積流量計¹。目前，工業上風量的測量介質是含有一定雜質/煙塵的空氣或者煙氣，常用的風量測量儀表是熱線風速儀、皮托管、氣體超聲波流量計、風量罩和均速管等。
熱線風速儀利用熱耗散原理，將一根通以電流而被加熱的細金屬絲感測元件置于管道中。當氣體流過它時，將帶走一定的熱量，此熱量與流體的速度存在一定關系。其特點是只能測量單點的流速，不能實現連續監測，流體成分會影響測量結果，響應時間大于 1 s, 一般要求所測氣體溫度不高于350 °C ²。
皮托管通過測量氣流全壓和靜壓來確定氣體的流速。其特點是只能測單點流速，不能實現連續監測，管道中流速分布對其影響較大。同時，皮托管操作要求高、消耗工時較多，適用于標準試驗，可作為工業現場風量測量校驗的儀器。
氣體超聲波流量計利用流體的流動速度對超聲波的傳動信號所造成干擾，通過測量電信號的變化來獲得流速回。采用便攜式超聲波流量計進行流量測量時，只需將其安裝在測量管道的外表面，不與被測流體接觸，沒有壓力損失,操作十分方便，但測量精度不高，并且大部分超聲波流量計不適用于對含粉塵氣體流量的測量。
風量罩主要用來測量管道出口處的氣體流量儀器，其測量原理是利用速度矩陣中心測量差壓，獲得截面平均流速。風量罩質量輕便、操作簡單，但它局限于對風口處的測量，不適用于封閉煙風管道的氣體流量測量。
均速管流量計是一種差壓式流量計，通過測量管道同一截面徑向不同點的全壓與靜壓之差，計算出該截面的平均流速。均速管不適用于小流量的測量，在大流量測量中具有優勢。均速管因其結構簡單、價格低廉、穩定性好、動力消耗少、安裝方便、維護量小、壓力損失小、準確度好和適用測量管徑范圍廣等優點，其應用的范圍越來越廣泛可。
1.2風量測量存在的主要問題
工業大型煙風管道中的流體多為紊流，要準確地測量流量，必須具有較長的直管段，而實際測量現場往往無法滿足此要求國。
燒結余熱煙風系統中的風量測量特點如下。
① 煙風直管段較短（直管段僅有0. 5D ~2D，D為管道內徑），同時風管通道測點的上游可能存在調節風門、彎頭、各種加強支撐件等阻力件，造成管道內測點所在截面上的流場分布很不均勻，甚至有漩渦存在。流場的不穩定，將導致測量精確度降低。
② 管道中煙氣含有一定濕度、粉塵等不利因素，容易造成傳感器堵塞，從而使得測量不準確或者無法測量。
③ 煙風管道內壓力低、差壓小，若采用靈敏度不高的差壓測量儀器，將導致所測參數不準確，甚至導致測量的數據無意義。
④ 測量環境惡劣，由于環冷機煙風罩處密封不嚴密，同時煙風罩常常未采取保溫措施，這就使得在所要測量位置常常有高溫煙塵。人員因此不易或者無法靠近煙風管道，自然也無法采用手持儀器進行現場熱工測量。
針對這些問題，只有在環境條件具有可操作性的情況下，才可將插入式熱線風速儀或皮托管作為現場風量測量校驗的儀器。
在檢測大管道氣體流量時，均速管因具有安裝穩定、運行可靠、壓力損失小、準確度高和適用測量管徑范圍廣等優點，常作為儀表。針對燒結余熱煙風測量中存在的問題，均速管能較好地實現準確測量，新型均速管測量系統就是基于此設計的。

2均速管結構設計和原理
2.1新型均速管結構設計
均速管是基于皮托管測速原理發展起來的一種差壓式流量傳感器，其主要部件是流量檢測桿。檢測桿常見截面形狀有圓形、菱形、機翼型、頭型、德爾塔巴型和威力巴型⁶³。新型均速管的流量檢測桿由一根菱形外管中內套圓形管的雙管組成，內管測量全壓，外管測量靜壓。其結構主要由以下6個部分組成。
① 全壓測量孔。全壓孔主要測量與迎面風速相關的壓力值，作為全壓。本檢測桿按等環面積法共選取 8個全壓孔,在檢測桿的迎風面側沿被測管道中軸線上下對稱分布鉆取。
② 全壓均值腔。本檢測桿內管是全壓均值腔，其連接了所有全壓孔，將全壓孔獲取的壓力值進行穩定平均。
③ 靜壓測量孔。靜壓孔主要是用于測量靜壓。本檢測桿同樣按等環面積法選取8個靜壓孔，在檢測桿外管的背風側與被測管道軸線相交處鉆取，與全壓孔位置相對應。
④ 靜壓均值腔。本檢測桿外管是靜壓均值腔，將所有靜壓孔獲取的壓力值進行穩定平均。
⑤ 全壓引壓管。全壓引壓管與全壓均值腔連接，將測得的全壓均值傳至二次儀表。
⑥ 靜壓引壓管。靜壓引壓管與靜壓均值腔連接，將測得的靜壓均值傳至二次儀表。
新型均速管結構設計圖如圖1所示。

圖1新型均速管結構設計圖
Fig. 1 Structure design of the new type of Annubar

2.2測速原理及計算方法
一般情況下，管道中流體的流速分布是不均勻的。為了測得管道中流體平均流速，通常采用等環面積法將管道橫截面分割成若干個面積相等區域，近似認為

這些區域中各點流體的流速相等。通過測量每一個區域中某個特征點的流速，計算出整個管道截面的平均流速，進而得到通過管道截面的流體流量值⁷。
均速管測速原理圖如圖2所示。

圖2均速管測速原理圖
Fig. 2 Principle of velocity measurement of Annubar

本裝置主要是對燒結余熱風量進行測量，所測介質是熱空氣，可近似為不可壓縮的理想定常流體，符合不可壓縮流體伯努利方程國。截面選取如圖2中截面 1 -1與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分別為截面^{1 -1}、2 ^{- 2}的靜壓，Pa； p為空氣密度,kg/m³:V1、2分別為截面1 -1P - 2流體的平均流速,m/s,（A_a —人）X （z₂ — z₁）為截面 1 - 1、2 — 2 的位壓差，Pa；P1和P2分別為截面1 -1P - 2間的壓力損失，Pa。
根據穩定不可壓縮流體連續性方程，有：
A₁ v₁ = A₂ v₂ （1）
式中:A₁P₂為截面1 -1、2 -2的有效通風面積。
由此可推得均速管流量傳感器的流量計算公式為:
X
［）⁺^Y
式中：Ap為與均速管連接的差壓測量裝置所測得的差壓，Pa；丫為均速管檢測桿局部阻力系數；K為均速管流量系數。
3裝置在項目上的應用實例
3.1燒結余熱煙風系統
目前,燒結余熱煙氣系統主要利用環冷機的煙氣余熱資源。高溫燒結礦經過破碎后落入環冷機，通過環冷機底部的鼓風機鼓入冷空氣來進行逐步冷卻。冷空氣被高溫燒結礦加熱產生高溫熱空氣，將溫度在 250 -450 T的高溫熱空氣引入余熱鍋爐加熱給水，產生過熱蒸汽推動汽輪發電機組進行發電，從而達到燒結余熱資源回收利用的目的。在此煙風系統中，為了進一步提高余熱鍋爐的進口煙氣溫度，常常將余熱鍋爐排放的100 - 150 °C低溫煙氣通過循環風機輸送回環冷機的前段風箱，從而進一步提高余熱煙溫和余熱利用率⁹。
3.2均速管布置情況及煙道參數
燒結余熱鍋爐有2段入口煙風管道,新型均速管布置的2個測點所在煙道相關參數如表1所示。均速管所安裝位置的管道前后直管段總長度約為2D，直管段較短，同時所測煙風中含有一定粉塵，容易造成測量裝置堵塞和磨損問題。因此,新型均速管檢測桿配置了反吹裝置，防止檢測桿測量孔堵塞，從而保證測量準確性。
表1煙道相關參數
Tab. 1 Pipeline parameters of the flue pipe

測點	位置	管道截面內徑/mm	流體介質	溫度/C
Q1	入口煙道1段	3 320	熱空氣	350 ?450
	入口煙道2段	3 320	熱空氣	250 ?350

3.3風量測量系統設計方案
新型均速管測量系統由新型均速管、微差壓/壓力變送器、鎧裝熱電偶、溫度傳感器、數據采集處理系統、定時防堵反吹裝置組成。均速管測量孔所測得的壓力經均值腔平均之后，通過引壓管引至差壓變送器和壓力變送器，再通過數據電纜線將變送器信號傳送至數據采集處理系統；通過PC對該信號進行連續實時監測和處理，計算出所測點的煙風流量。
微差壓/壓力變送器采用的是精度高的羅斯蒙特變送器。鎧裝熱電偶采用熱電偶冷端自動補償技術，從而提高溫度測量精度。
定時防堵反吹裝置可根據現場的需要設定吹掃時間、壓力和間隔時間，定期對均速管和引壓管路進行吹掃，防止粉塵堵塞造成測量不準確。吹掃時將自動關閉測量閥門，以保證不影響測量數據。吹掃氣源直接引自鋼鐵廠內的壓縮空氣，通過過濾器來保證氣源清潔、減壓閥來控制吹掃壓力，從而得到穩定清潔的防堵反吹動力。
3.4風量測量系統實際測量效果
2011年10月初，該套風量測量系統在鋼鐵廠燒結余熱發電煙風系統中投入使用，經過一個月運行工作，風量測量系統工作平穩正常，測量煙氣流量效果理想，達到了預期目標。
測量結果顯示，新型均速管所測風量參數與皮托管、熱式風速儀所測風量參數十分吻合,滿足了工程可接受的測量誤差范圍和準確度要求。

關鍵詞：流量計均速管質量流量計超聲波流量計均速管流量計

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