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多点矩阵测量在环保设施中应用研究

包文运 李鹏飞 沈德魁
摘 要：烟气流速和烟气流量属于环保监测的重要参数，环保部门对电力企业烟气排放总量的精确测量提出了越来越高的要求。本文介绍了传统烟气流速和烟气流量的监测方法，分析了传统技术方法存在的问题。同时介绍了矩阵测量装置的原理和优势，并对烟气流速、烟气流量监测技术的发展进行了展望。
关键词：烟气流速 烟气流量 矩阵测量装置
：F270.7 ：A ：1672-3791（2018）03（a）-0000-00
燃煤电厂中，烟气流速测量的准确性关系到污染物排放量的计算和监测，然而烟气在烟道内的流动情况十分复杂，烟气流速分布情况也受到各种因素的影响，烟道截面内烟气流速分布通常是不均匀的。目前，大部分燃煤电厂中烟气流速、烟气流量监测装备采用的是单点或多点测量技术。由于测点数太少，导致流速、流量测量数据不精确，无法准确反应测量断面的烟气流量以及污染物排放情况，给环保部门的监测和执法带来了诸多障碍与问题，同时也会导致企业无法真实完成减排任务，或者生产过度投放过量药剂导致资源浪费等一系列问题。
在过去几年的时间里国内一部分燃煤机组已经安装了多点矩阵测量装置，其在应用中相对于传统的测量方法有了很大的改进，同时随着差压变送器以及微电子技术和计算机技术的飞跃发展，极大的提高了其测量精度。多点矩阵测量技术可以让差压流量计可以准确应用于大截面流量的测量，因此极大的提高了大截面烟道流速的测量准确度。
1 传统烟气流速、流量测量装备
目前，国内外大型烟道的烟气流量测量主要采用以下方法：
1.1 S型皮托管
S型皮托管流速测量技术是一种传统的气体流速测量技术。装置由两根管子组成，在测量端，两根管子的头部开有大小相等方向相反的开口，朝向气流来流方向的开口测量的是气流的全压，背向气流来流方向的开口测量的为气流的静压。根据全压和静压的压差，计算出测量点的烟气流速情况。S型皮托管由于结构限制，只能测量烟道内某一点的烟气流速。同时由于烟道中烟气含有大量飞灰及腐蚀性气体，测量取样环境较差，容易出现堵塞等问题，影响测量精度。
1.2 热线（热球）式风速仪
热线（热球）式风速仪原理是，将一根通电加热的细金属丝（称热线）置于气流中，热线在气流中的散热量与流速有关，而散热量导致热线温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号。仪器根据根据探头结构分为热线和热球两种形式。热线（热球）式风速仪常温下在较清洁的空气中使用，在高温的烟道中使用时，气体温度与导热率均与环境空气不同，必须用皮托管在相同条件下标定后方可使用。
1.3 阿牛巴管
阿牛巴管法是S型皮托管法的变形，它是通过管道的平均流速及管道的有效截面积的乘积来确定流量。为了准确计量，将整个圆截面分面多个单元面积相等的多个半圆及多个半环。传感器的检测杆是由一根中空的金属管组成，迎流面钻多对总压孔，它们分别处于各单元面积的中央，分别反应了各单元面积内的流速大小。由于各总压孔是相通的，传至检测杆中的各点总压值平均后，由总压引出管引至高压接头，送到传感器的正压室。当传感器正确安装在有足够长的直管段的工艺管道上时，流量截面上应没有旋涡，整个截面的静压可认为是常数，在传感器的背面或侧面设有检测孔，代表了整个截面的静压。经静压引出管由低压接头引至传感器的负压室。正、负压室压差的平方与流量截面的平均流速成正比，丛而获得差压与流量成正比的关系。阿巴牛管安装在烟道中，测量的为一条直径线上烟气的平均流速，也不能代表整个监测截面的流速情况。
2 矩阵测量装置
针对传统流速测量装备在监测大截面、高灰环境烟道截面时产生的数据不精确难题，采用在烟道截面上平均等分多点测量，将各个测量点的结果取平均的方法，逐渐开发出相关的矩阵式流速测量装备。
结合待测截面的烟道尺寸以及测点前后直管段长度等因素，确定待测截面测点分布情况，然后将矩阵布置的测点通过管路连接起来，正压侧与正压侧相连，负压侧与负压侧相连，正、负压侧个引出一根总的引压管，分别于差压变速器相连，形成一套自动获取被测截面平均全压和平均静压的装置。利用全压和静压之间的压差关系，准确的计算出截面平均风速。该套装备的流速计算模型为：
式中：
—矩阵测速装置流速系数
—矩阵测速装置输出压差，单位
—被测烟气温度，单位
—当地大气压，单位
—被测烟道内压力，单位
被测截面流量计算公式为：
式中：
—被测烟道截面面积，单位
多点矩阵测量装置在取压管外层喷涂耐磨涂料，可以有效减轻装置在烟道内的磨损问题。同时，为了解决高灰环境的堵塞问题，装置通常配备有自清灰装置，即在垂直段内悬挂了自清灰棒，该棒在管内气流的冲击下作无规则摆动，起到自清灰作用。
矩阵测量装置的安装解决了以下几个方面的问题：
1）有效解决了含尘气流流速、流量测量装置的信号堵塞问题，装置本身具有利用气流动能进行自清灰防堵塞的功能，不需要外加压缩气体进行吹扫，无论气体含尘浓度多大，完全可以做到长期运行免维护。
2）矩阵插入式风量测量装置性能稳定，调节线性好。
3）由于风道截面大，流速在截面上容易分布不均匀，为了确保测量精度，可以将多个风量测量探头进行等截面多点布置，然后将各测量装置的正压与正压、负压与负压相互连接，最终引出一组信号到变送器，这样的组合风量测量装置对风道的直管段没有太多要求，一般只要求直管段長度不小于管道的当量直径即可。
4）装置采用插入式布置，对于整个大风道来说，组合风量测量装置的挡风面积几乎可以忽略不计，因此，其对整个风道流体的压力损失几乎没有，节能效果十分显著。
5）矩阵测量装置采用316L为材质，可保证1-2个大修期内不被腐蚀.
3 结论与展望
1）相比传统的烟气流速监测手段，矩阵测量装置可以明显改善单个测点测量或多个测点测量中出现的大偏差问题，测量结果可以有效代表整个监测断面的流速、流量情况，从而能够保障污染物的排放量监测的真实性和准确性。因此矩阵测量装置存在明显的优势，会逐步取代传统流速、流量监测方式。
2）基于皮托管原理的矩阵测量装置能够有效监测待测截面的平均烟气流速情况，但对于特殊烟道截面，需要实时获取区域流速分布情况。例如在SCR催化剂前截面，需要通过获取区域的流速分布情况，有效的分析区域的NH3和NOx通量，指导合理的喷氨。此时，采用基于皮托管原理的矩阵测量装置不能满足使用要求。未来需要发展能够准确监测整个被测截面流速分布情况的测量技术，实时提供被测截面的流速分布云图。
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科技资讯2018年7期
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