新型均速管的設(shè)計與應(yīng)用

肖衍黨

(陜西燃氣集團新能源發(fā)展有限公司，陜西 西安 710016)

新型均速管的設(shè)計與應(yīng)用

肖衍黨

(陜西燃氣集團新能源發(fā)展有限公司，陜西 西安 710016)

常用的大型管道風量測量裝置無法準確測量燒結(jié)余熱煙風量。針對燒結(jié)余熱風量測量中存在管徑大、直管段短、含粉塵多和差壓低等問題，設(shè)計了一套新型均速管測量系統(tǒng)。詳細闡述了關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作原理及系統(tǒng)組成。實際應(yīng)用結(jié)果驗證了該系統(tǒng)具有測量精度高的特點，完全滿足工程測量要求，為燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與運行提供了科學依據(jù)。

超聲波流量計; 電磁流量計; 均速管; 熱電偶; 流量測量; 余熱發(fā)電; 風量

0 引言

目前，燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。余熱煙風設(shè)計參數(shù)主要依靠設(shè)計經(jīng)驗來選取，容易造成煙風設(shè)計參數(shù)與實際煙風量相差較大，從而造成余熱資源浪費，電站經(jīng)濟效益不理想。因此，余熱煙風參數(shù)的準確測量非常重要。燒結(jié)余熱煙風測量參數(shù)主要是溫度和風量。溫度比較容易實現(xiàn)準確測量，而風量測量存在管道截面大、直管段短、差壓低、含粉塵多和測量環(huán)境惡劣等問題，從而導(dǎo)致測量裝置所測得的風量參數(shù)不準確、不穩(wěn)定。鑒于此，本文設(shè)計了一種新型均速管測量裝置，以解決燒結(jié)余熱煙風測量不準確問題。

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(jù)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(yè)上風量的測量介質(zhì)是含有一定雜質(zhì)/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(guān)系。其最大特點是只能測量單點的流速，不能實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，流體成分會影響測量結(jié)果，響應(yīng)時間大于1s，一般要求所測氣體溫度不高于350 ℃[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(xiàn)連續(xù)監(jiān)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(yè)現(xiàn)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[3]。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(zhì)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(yōu)勢。均速管因其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、穩(wěn)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(yōu)點，其應(yīng)用的范圍越來越廣泛[4]。

1.2 風量測量存在的主要問題

工業(yè)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(xiàn)場往往無法滿足此要求[5]。

燒結(jié)余熱煙風系統(tǒng)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(nèi)徑)，同時風管通道測點的上游可能存在調(diào)節(jié)風門、彎頭、各種加強支撐件等阻力件，造成管道內(nèi)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(wěn)定，將導(dǎo)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(nèi)壓力低、差壓小，若采用靈敏度不高的差壓測量儀器，將導(dǎo)致所測參數(shù)不準確，甚至導(dǎo)致測量的數(shù)據(jù)無意義。

④測量環(huán)境惡劣，由于環(huán)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(xiàn)場熱工測量。

針對這些問題，只有在環(huán)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(xiàn)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(wěn)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(yōu)點，常作為首選儀表。針對燒結(jié)余熱煙風測量中存在的問題，均速管能較好地實現(xiàn)準確測量，新型均速管測量系統(tǒng)就是基于此設(shè)計的。

2 均速管結(jié)構(gòu)設(shè)計和原理

2.1 新型均速管結(jié)構(gòu)設(shè)計

均速管是基于皮托管測速原理發(fā)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、子彈頭型、德爾塔巴型和威力巴型[6]。新型均速管的流量檢測桿由一根菱形外管中內(nèi)套圓形管的雙管組成，內(nèi)管測量全壓，外管測量靜壓。其結(jié)構(gòu)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(guān)的壓力值，作為全壓。本檢測桿按等環(huán)面積法共選取8個全壓孔，在檢測桿的迎風面?zhèn)妊乇粶y管道中軸線上下對稱分布鉆取。

②全壓均值腔。本檢測桿內(nèi)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(wěn)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(huán)面積法選取8個靜壓孔，在檢測桿外管的背風側(cè)與被測管道軸線相交處鉆取，與全壓孔位置相對應(yīng)。

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(wěn)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(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 新型均速管結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

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(huán)面積法將管道橫截面分割成若干個面積相等區(qū)域，近似認為這些區(qū)域中各點流體的流速相等。通過測量每一個區(qū)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

本裝置主要是對燒結(jié)余熱風量進行測量，所測介質(zhì)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[8]。截面選取如圖2中截面1-1與2-2所示，可得:

式中：p1、p2分別為截面1-1、2-2的靜壓，Pa；ρ為空氣密度，kg/m3；v1、v2分別為截面1-1、2-2流體的平均流速，m/s；(λa-λ)×(z2-z1)為截面1-1、2-2的位壓差，Pa；p1和p2分別為截面1-1、2-2間的壓力損失，Pa。

根據(jù)穩(wěn)定不可壓縮流體連續(xù)性方程，有:

A1v1=A2v2

(1)

式中：A1、A2為截面1-1、2-2的有效通風面積。

(2)

式中：Δp為與均速管連接的差壓測量裝置所測得的差壓，Pa;γ為均速管檢測桿局部阻力系數(shù);K為均速管流量系數(shù)。

3 裝置在項目上的應(yīng)用實例

3.1 燒結(jié)余熱煙風系統(tǒng)

目前，燒結(jié)余熱煙氣系統(tǒng)主要利用環(huán)冷機的煙氣余熱資源。高溫燒結(jié)礦經(jīng)過破碎后落入環(huán)冷機，通過環(huán)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(jié)礦加熱產(chǎn)生高溫熱空氣，將溫度在250～450 ℃的高溫熱空氣引入余熱鍋爐加熱給水，產(chǎn)生過熱蒸汽推動汽輪發(fā)電機組進行發(fā)電，從而達到燒結(jié)余熱資源回收利用的目的。在此煙風系統(tǒng)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 ℃低溫煙氣通過循環(huán)風機輸送回環(huán)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(shù)

燒結(jié)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(guān)參數(shù)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(guān)參數(shù)

3.3 風量測量系統(tǒng)設(shè)計方案

新型均速管測量系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、定時防堵反吹裝置組成。均速管測量孔所測得的壓力經(jīng)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(shù)據(jù)電纜線將變送器信號傳送至數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)；通過PC對該信號進行連續(xù)實時監(jiān)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(shù)，從而提高溫度測量精度。

定時防堵反吹裝置可根據(jù)現(xiàn)場的需要設(shè)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(guān)閉測量閥門，以保證不影響測量數(shù)據(jù)。吹掃氣源直接引自鋼鐵廠內(nèi)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(wěn)定清潔的防堵反吹動力。

3.4 風量測量系統(tǒng)實際測量效果

2011年10月初，該套風量測量系統(tǒng)在鋼鐵廠燒結(jié)余熱發(fā)電煙風系統(tǒng)中投入使用，經(jīng)過一個月運行工作，風量測量系統(tǒng)工作平穩(wěn)正常，測量煙氣流量效果理想，達到了預(yù)期目標。

測量結(jié)果顯示，新型均速管所測風量參數(shù)與皮托管、熱式風速儀所測風量參數(shù)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。

4 結(jié)束語

目前，對于工業(yè)工程應(yīng)用來說，準確測量大型管道氣體流量，仍是一個較大的難題。工業(yè)大口徑管道流量的準確檢測對工業(yè)技術(shù)應(yīng)用和運行有著重要意義。

新型均速管和風量測量系統(tǒng)充分考慮了燒結(jié)煙風系統(tǒng)中管徑大、直管段短、煙氣含粉塵多和差壓低等特點。經(jīng)過實際應(yīng)用檢測，系統(tǒng)具有良好的準確性和測量效果，解決了燒結(jié)余熱煙風量無法準確測量的問題。該系統(tǒng)能及時地反映余熱風量的變化規(guī)律，為燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與運行提供了科學依據(jù)，具有良好的應(yīng)用推廣價值。

[1] 王力勇.均速管流量計的現(xiàn)狀與發(fā)展[J] .航空計測技術(shù),2001,21(4):34-36.

[2] 王益祥,王聿彪,周勇.新型風速測量裝置設(shè)計[J].自動化儀表,2008,29(3):63-65.

[3] 王飛,官龍騰,張福春,等.數(shù)字式時差法超聲流量計的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化儀表,2014,35(9):80-83.

[4] 毛新業(yè).火電大管道風量測量系統(tǒng)[J].工業(yè)計量,2010,20(6):16-19.

[5] 毛新業(yè).均速管流量計的應(yīng)用與發(fā)展[J].自動化儀表,1996,17(1):2-6.

[6] 劉堒,劉德宇.大型風管道的流量測量系統(tǒng)設(shè)計與實踐[J].自動化與儀表,2010(6):52-56.

[7] 毛新業(yè),李偉建.大管道氣體流量檢測儀表[J].電力設(shè)備,2008,9(12):8-11.

[8] 張迎春,蘇中地,熊玉亭.均速管流量計流量系數(shù)的修正方法研究[J].中國計量學院學報,2010,21(1):20-25.

[9] 肖衍黨,李晨飛,韓濤.燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)及系統(tǒng)的優(yōu)化分析[J].燒結(jié)球團,2011,36(3):47-53.

DesignandApplicationoftheNewTypeofAnnubarMeasurementSystem

XIAOYandang

(ShanxiGasGroupNewEnergyDevelopmentCo.,Ltd.,Xi’an710016,China)

Themostcommonlyusedgasflowmeasuringdevicesforlarge-scalepipelinesareunabletoaccuratelymeasurethevolumeofsinteringwasteheatfluegas.Formeasuringthesinteringwasteheatairvolume,becauseofthefeaturesoflargediameters,shortstraightsection,containingmoredustandlowdifferentpressure,anewtypeofannularmeasuringsystemhasbeendesigned.Thestructuraldesignandoperationalprincipleofthekeycomponentsaswellasthesystemcompositionaredescribedindetail.Theresultofpracticalapplicationsverifiesthatthemeasurementaccuracyofsystemishighenoughtomeettheengineeringrequirements,itprovidesscientificbasistooptimaldesignandoperationofsinteringwasteheatpowergenerationsystems.

Ultrasonicflowmeter;Electromagneticflowmeter;Annubar;Thermocouple;Flowmeasurement;Wasteheatpowergeneration;Airvolume

肖衍黨(1983—)，男，碩士，工程師，主要從事分布式能源和工業(yè)節(jié)能技術(shù)的研究。E-mail：xydjx21@163.com。

TH814;TP

ADOI: 10686/j.cnki.issn1000-0380.201701021

修改稿收到日期:2016-06-30