多點矩陣測量在環(huán)保設(shè)施中應(yīng)用研究

包文運 李鵬飛 沈德魁

摘 要：煙氣流速和煙氣流量屬于環(huán)保監(jiān)測的重要參數(shù)，環(huán)保部門對電力企業(yè)煙氣排放總量的精確測量提出了越來越高的要求。本文介紹了傳統(tǒng)煙氣流速和煙氣流量的監(jiān)測方法，分析了傳統(tǒng)技術(shù)方法存在的問題。同時介紹了矩陣測量裝置的原理和優(yōu)勢，并對煙氣流速、煙氣流量監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展進行了展望。

關(guān)鍵詞：煙氣流速 煙氣流量 矩陣測量裝置

中圖分類號：F270.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）03（a）-0000-00

燃煤電廠中，煙氣流速測量的準(zhǔn)確性關(guān)系到污染物排放量的計算和監(jiān)測，然而煙氣在煙道內(nèi)的流動情況十分復(fù)雜，煙氣流速分布情況也受到各種因素的影響，煙道截面內(nèi)煙氣流速分布通常是不均勻的。目前，大部分燃煤電廠中煙氣流速、煙氣流量監(jiān)測裝備采用的是單點或多點測量技術(shù)。由于測點數(shù)太少，導(dǎo)致流速、流量測量數(shù)據(jù)不精確，無法準(zhǔn)確反應(yīng)測量斷面的煙氣流量以及污染物排放情況，給環(huán)保部門的監(jiān)測和執(zhí)法帶來了諸多障礙與問題，同時也會導(dǎo)致企業(yè)無法真實完成減排任務(wù)，或者生產(chǎn)過度投放過量藥劑導(dǎo)致資源浪費等一系列問題。

在過去幾年的時間里國內(nèi)一部分燃煤機組已經(jīng)安裝了多點矩陣測量裝置，其在應(yīng)用中相對于傳統(tǒng)的測量方法有了很大的改進，同時隨著差壓變送器以及微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛躍發(fā)展，極大的提高了其測量精度。多點矩陣測量技術(shù)可以讓差壓流量計可以準(zhǔn)確應(yīng)用于大截面流量的測量，因此極大的提高了大截面煙道流速的測量準(zhǔn)確度。

1 傳統(tǒng)煙氣流速、流量測量裝備

目前，國內(nèi)外大型煙道的煙氣流量測量主要采用以下方法：

1.1 S型皮托管

S型皮托管流速測量技術(shù)是一種傳統(tǒng)的氣體流速測量技術(shù)。裝置由兩根管子組成，在測量端，兩根管子的頭部開有大小相等方向相反的開口，朝向氣流來流方向的開口測量的是氣流的全壓，背向氣流來流方向的開口測量的為氣流的靜壓。根據(jù)全壓和靜壓的壓差，計算出測量點的煙氣流速情況。S型皮托管由于結(jié)構(gòu)限制，只能測量煙道內(nèi)某一點的煙氣流速。同時由于煙道中煙氣含有大量飛灰及腐蝕性氣體，測量取樣環(huán)境較差，容易出現(xiàn)堵塞等問題，影響測量精度。

1.2 熱線（熱球）式風(fēng)速儀

熱線（熱球）式風(fēng)速儀原理是，將一根通電加熱的細金屬絲（稱熱線）置于氣流中，熱線在氣流中的散熱量與流速有關(guān)，而散熱量導(dǎo)致熱線溫度變化而引起電阻變化，流速信號即轉(zhuǎn)變成電信號。儀器根據(jù)根據(jù)探頭結(jié)構(gòu)分為熱線和熱球兩種形式。熱線（熱球）式風(fēng)速儀常溫下在較清潔的空氣中使用，在高溫的煙道中使用時，氣體溫度與導(dǎo)熱率均與環(huán)境空氣不同，必須用皮托管在相同條件下標(biāo)定后方可使用。

1.3 阿牛巴管

阿牛巴管法是S型皮托管法的變形，它是通過管道的平均流速及管道的有效截面積的乘積來確定流量。為了準(zhǔn)確計量，將整個圓截面分面多個單元面積相等的多個半圓及多個半環(huán)。傳感器的檢測桿是由一根中空的金屬管組成，迎流面鉆多對總壓孔，它們分別處于各單元面積的中央，分別反應(yīng)了各單元面積內(nèi)的流速大小。由于各總壓孔是相通的，傳至檢測桿中的各點總壓值平均后，由總壓引出管引至高壓接頭，送到傳感器的正壓室。當(dāng)傳感器正確安裝在有足夠長的直管段的工藝管道上時，流量截面上應(yīng)沒有旋渦，整個截面的靜壓可認為是常數(shù)，在傳感器的背面或側(cè)面設(shè)有檢測孔，代表了整個截面的靜壓。經(jīng)靜壓引出管由低壓接頭引至傳感器的負壓室。正、負壓室壓差的平方與流量截面的平均流速成正比，叢而獲得差壓與流量成正比的關(guān)系。阿巴牛管安裝在煙道中，測量的為一條直徑線上煙氣的平均流速，也不能代表整個監(jiān)測截面的流速情況。

2 矩陣測量裝置

針對傳統(tǒng)流速測量裝備在監(jiān)測大截面、高灰環(huán)境煙道截面時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不精確難題，采用在煙道截面上平均等分多點測量，將各個測量點的結(jié)果取平均的方法，逐漸開發(fā)出相關(guān)的矩陣式流速測量裝備。

結(jié)合待測截面的煙道尺寸以及測點前后直管段長度等因素，確定待測截面測點分布情況，然后將矩陣布置的測點通過管路連接起來，正壓側(cè)與正壓側(cè)相連，負壓側(cè)與負壓側(cè)相連，正、負壓側(cè)個引出一根總的引壓管，分別于差壓變速器相連，形成一套自動獲取被測截面平均全壓和平均靜壓的裝置。利用全壓和靜壓之間的壓差關(guān)系，準(zhǔn)確的計算出截面平均風(fēng)速。該套裝備的流速計算模型為：

式中：

—矩陣測速裝置流速系數(shù)

—矩陣測速裝置輸出壓差，單位

—被測煙氣溫度，單位

—當(dāng)?shù)卮髿鈮?，單?/p>

—被測煙道內(nèi)壓力，單位

被測截面流量計算公式為：

式中：

—被測煙道截面面積，單位

多點矩陣測量裝置在取壓管外層噴涂耐磨涂料，可以有效減輕裝置在煙道內(nèi)的磨損問題。同時，為了解決高灰環(huán)境的堵塞問題，裝置通常配備有自清灰裝置，即在垂直段內(nèi)懸掛了自清灰棒，該棒在管內(nèi)氣流的沖擊下作無規(guī)則擺動，起到自清灰作用。

矩陣測量裝置的安裝解決了以下幾個方面的問題：

1）有效解決了含塵氣流流速、流量測量裝置的信號堵塞問題，裝置本身具有利用氣流動能進行自清灰防堵塞的功能，不需要外加壓縮氣體進行吹掃，無論氣體含塵濃度多大，完全可以做到長期運行免維護。

2）矩陣插入式風(fēng)量測量裝置性能穩(wěn)定，調(diào)節(jié)線性好。

3）由于風(fēng)道截面大，流速在截面上容易分布不均勻，為了確保測量精度，可以將多個風(fēng)量測量探頭進行等截面多點布置，然后將各測量裝置的正壓與正壓、負壓與負壓相互連接，最終引出一組信號到變送器，這樣的組合風(fēng)量測量裝置對風(fēng)道的直管段沒有太多要求，一般只要求直管段長度不小于管道的當(dāng)量直徑即可。

4）裝置采用插入式布置，對于整個大風(fēng)道來說，組合風(fēng)量測量裝置的擋風(fēng)面積幾乎可以忽略不計，因此，其對整個風(fēng)道流體的壓力損失幾乎沒有，節(jié)能效果十分顯著。

5）矩陣測量裝置采用316L為材質(zhì)，可保證1-2個大修期內(nèi)不被腐蝕.

3 結(jié)論與展望

1）相比傳統(tǒng)的煙氣流速監(jiān)測手段，矩陣測量裝置可以明顯改善單個測點測量或多個測點測量中出現(xiàn)的大偏差問題，測量結(jié)果可以有效代表整個監(jiān)測斷面的流速、流量情況，從而能夠保障污染物的排放量監(jiān)測的真實性和準(zhǔn)確性。因此矩陣測量裝置存在明顯的優(yōu)勢，會逐步取代傳統(tǒng)流速、流量監(jiān)測方式。

2）基于皮托管原理的矩陣測量裝置能夠有效監(jiān)測待測截面的平均煙氣流速情況，但對于特殊煙道截面，需要實時獲取區(qū)域流速分布情況。例如在SCR催化劑前截面，需要通過獲取區(qū)域的流速分布情況，有效的分析區(qū)域的NH3和NOx通量，指導(dǎo)合理的噴氨。此時，采用基于皮托管原理的矩陣測量裝置不能滿足使用要求。未來需要發(fā)展能夠準(zhǔn)確監(jiān)測整個被測截面流速分布情況的測量技術(shù)，實時提供被測截面的流速分布云圖。

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