脫硝系統(tǒng)中常用流量儀表的選型及應(yīng)用研究

摘""要：在脫硝系統(tǒng)中，流量儀表發(fā)揮著重要作用。通過分析流量測量儀表選型的原則及要素，結(jié)合脫硝系統(tǒng)中不同介質(zhì)的流量測量需求，探討了不同類型流量儀表的選型，介紹了各種介質(zhì)分別適用的流量儀表的測量原理與特點(diǎn)，總結(jié)了在實(shí)際工程的應(yīng)用與常見的問題，分析原因并提出解決思路。流量儀表的合理選型及應(yīng)用，有助于提高脫硝工程的運(yùn)行效率及環(huán)保效益。

關(guān)鍵詞：脫硝系統(tǒng)"""流量儀表"""測量原理"""儀表選型

中圖分類號(hào)：TM62

Research"on"the"Selection"and"Application"of"Commonly"Used"Flow"Meters"in"Denitration"Systems

WANG"Jing""GAO"Wei

Dongfang"Boiler"Co.，"Ltd.，"Dongfang"Electric"Corporation，"Chengdu，"Sichuan"Province，"611731"China

Abstract："Flow"meters"play"an"important"role"in"denitration"systems."By"analyzing"the"principles"and"elements"of"flow"measurement"instrument"selection，"combined"with"the"flow"measurement"requirements"of"different"media"in"denitration"systems，"this"papernbsp;explores"the"selection"of"different"types"of"flow"instruments，"introduces"the"measurement"principles"and"characteristics"of"flow"instruments"applicable"for"various"media，"summarizes"their"application"and"common"problems"in"practical"projects，"analyzes"the"reasons，"and"proposes"solutions."The"reasonable"selection"andnbsp;application"of"flow"meters"can"help"improve"the"operational"efficiency"and"environmental"benefits"of"denitration"projects.

Key"Words："Denitration"system;"Flow"meter;"Measuring"principle;"Instrument"selection

在工業(yè)系統(tǒng)中，流量參數(shù)占據(jù)著至關(guān)重要的地位，它不僅是關(guān)鍵的過程參數(shù)，還是精確控制的核心變量。例如：脫硝系統(tǒng)氨流量的精準(zhǔn)控制，直接關(guān)乎整個(gè)工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行與高效性能。流量測量的復(fù)雜性、其原理的多樣性要求我們?cè)谶x擇和使用流量測量儀表時(shí)，必須深入考量測量介質(zhì)的特性、實(shí)際工況條件、性能要求、儀表使用的環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)性與維護(hù)。

1""脫硝系統(tǒng)中流量測量儀表選型

在脫硝工藝系統(tǒng)中，流量測量儀表的選型是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，選型時(shí)需充分考慮、綜合選擇。

首先，明確被測介質(zhì)，包括其溫度、壓力、密度、黏度、腐蝕性、導(dǎo)電性等物理和化學(xué)特性，當(dāng)介質(zhì)溫度高的必須選擇高溫型儀表，腐蝕性介質(zhì)需選擇耐腐蝕的儀表。其次，了解工況條件，如流體的流動(dòng)狀態(tài)、是否有氣泡、固體顆粒或雜質(zhì)，是否存在脈動(dòng)流和振動(dòng)等。脈動(dòng)流和振動(dòng)可能對(duì)某些類型的儀表的測量結(jié)果產(chǎn)生影響[1]。再次，對(duì)儀表進(jìn)行性能評(píng)估和精度分析也必不可少，不同場景對(duì)流量儀表的精確度、重復(fù)性、線性度、范圍、壓力損失和響應(yīng)時(shí)間等有不同的要求。此外，需要考慮儀表的安裝位置、空間限制、電磁干擾情況，以及是否需要防爆等，保證儀表能夠在實(shí)際應(yīng)用中穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。最后，在選型過程中還需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和維護(hù)便利性。包括儀表的購置成本、安裝成本、運(yùn)行成本和維護(hù)成本等，同時(shí)，還需要考慮儀表的使用壽命、可靠性以及后續(xù)維護(hù)的便利性等因素。

脫硝系統(tǒng)中煙氣部分、稀釋風(fēng)部分、尿素溶液部分、計(jì)量分配部分等幾個(gè)部分都會(huì)有流量測量。主要用到的流量儀表有差壓式流量計(jì)、電磁流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)等。

2""脫硝系統(tǒng)中流量儀表的原理及應(yīng)用

2.1""稀釋風(fēng)流量測量

稀釋風(fēng)的主要作用是將還原劑氨稀釋到一定的比例，以確保氨氣濃度低于其爆炸下限，從而避免在煙道內(nèi)發(fā)生爆炸，保證系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。差壓式流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、適用范圍廣、成本低等特點(diǎn)，在該系統(tǒng)中得到了廣泛的運(yùn)用。

2.1.1""孔板流量計(jì)

孔板流量計(jì)主要基于伯努利定理和流體連續(xù)性方程，通過測量流體在孔板前后產(chǎn)生的壓力差來間接確定流體的流量。稀釋風(fēng)在管道中流動(dòng)，當(dāng)流經(jīng)孔板時(shí)，由于孔板的阻礙作用，流體速度在孔板處增加，同時(shí)壓力降低，差壓變送器通過前后取樣管測量流體在孔板前后的靜壓，得到上下游的壓力差（ΔP）。根據(jù)伯努利定理和流體連續(xù)性方程，流量計(jì)算單元將測量到的壓力差（ΔP）轉(zhuǎn)化為流量值。

由于稀釋風(fēng)為氣體，其密度受溫度和壓力的影響顯著，為了確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，須將稀釋風(fēng)的溫度和壓力引入流量轉(zhuǎn)換中去，也就是在測量孔板差壓時(shí)，同時(shí)測量出稀釋風(fēng)的壓力與溫度，將其引入流量轉(zhuǎn)換公式中進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，提高測量精度，減少溫度和壓力變化而引起的測量誤差。

孔板流量計(jì)雖然結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、便于維護(hù)，但要求流量計(jì)前需要10倍管道直徑，流量計(jì)后需要5倍管道直徑的直管段[2]，在工程實(shí)際中往往無法嚴(yán)格滿足安裝位置的要求。此外，由于孔板流量計(jì)的特性，其對(duì)稀釋風(fēng)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大的壓力損失，進(jìn)而可能會(huì)造成風(fēng)機(jī)選型的變化，使整個(gè)系統(tǒng)的成本增加。對(duì)于道管口徑大于DN300的稀釋風(fēng)系統(tǒng)，孔板本身的成本也會(huì)有較大的增加。

2.1.2""插入式橫截面流量計(jì)

在稀釋風(fēng)的含塵量不高、稀釋風(fēng)管道直徑較大（一般大于DN300）、對(duì)稀釋風(fēng)系統(tǒng)壓力損失較高、稀釋風(fēng)管道無足夠直管段的項(xiàng)目，孔板流量計(jì)就不太適用。需要選擇壓損小、安裝時(shí)對(duì)前后直管道段要求不高的經(jīng)濟(jì)適用的流量計(jì)。

插入式橫截面流量計(jì)是一種基于速度面積法原理而設(shè)計(jì)的流量測量裝置。它將測量流速的截面分割為許多小單元，總的流量就等于流過所有小單元面積流量之和，當(dāng)單元面積分割得愈多，所測的流量愈準(zhǔn)確。測量裝置的主要形式有矩形管道插入式和圓形管道插入式。它的安裝不需要嚴(yán)格的直管段，只要有250～300"mm長的安裝位置即可。插入式橫截面流量計(jì)流出系數(shù)穩(wěn)定，無須標(biāo)定，減少了維護(hù)成本和復(fù)雜性。相較于孔板流量計(jì)，插入式橫截面流量計(jì)的最大優(yōu)勢是體積小巧，便于安裝，測量裝置的壓力損失較小，測量精度也較高。

在稀釋風(fēng)系統(tǒng)中多采用圓形管道插入式橫截面流量計(jì)，它可以降低稀釋風(fēng)系統(tǒng)1"000～2"000"Pa壓力損失，提高風(fēng)機(jī)的效率，在稀釋風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)選型時(shí)最少可以降低1"000"Pa的壓頭。實(shí)際工程中，在某些余熱爐項(xiàng)目中高溫升壓風(fēng)機(jī)選型時(shí)，采用插入式橫截面流量計(jì)可降低壓損，避免了風(fēng)機(jī)選型時(shí)的跳檔，降低了風(fēng)機(jī)的投資成本，同時(shí)也減少了運(yùn)行電耗，達(dá)到了節(jié)能效果。

插入式橫截面流量計(jì)在安裝時(shí)應(yīng)避開渦流和湍流處，導(dǎo)管應(yīng)垂直或傾斜敷設(shè)，避免水平敷設(shè)以減少積液和堵塞的風(fēng)險(xiǎn)；流量計(jì)需設(shè)置反吹裝置，防止灰塵對(duì)流量計(jì)的堵塞。另外，設(shè)計(jì)時(shí)通常需要考慮溫度與壓力測量裝置，對(duì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，以獲得更加真實(shí)的流量數(shù)據(jù)。

2.2""計(jì)量分配系統(tǒng)流量測量

脫硝系統(tǒng)常用到的還原劑有液氨、氨水、尿素溶液、尿素水解產(chǎn)品氣。還原劑經(jīng)計(jì)量分配模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)參與對(duì)氮氧化物的脫除。計(jì)量分配模塊根據(jù)不同的還原劑介質(zhì)選擇不同的流量測量裝置。通常，尿素與氨水采用電磁流量計(jì)，水解產(chǎn)品氣采用科里奧利質(zhì)量流量計(jì)。

2.2.1""電磁流量計(jì)

在氨水熱解系統(tǒng)和尿素?zé)峤庀到y(tǒng)中，氨水和尿素溶液都是導(dǎo)電良好的液體，輸送的管道一般都DN50以下，在系統(tǒng)中氨水或尿素溶液的流量都會(huì)根據(jù)反應(yīng)器出口NOX含量進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)精度和穩(wěn)定性要求都較高，通常采用電磁流量計(jì)。

電磁流量計(jì)的工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體（液體）穿過磁場時(shí)，會(huì)在導(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)出電動(dòng)勢，其大小與液體的流速成正比，檢測線圈測量這個(gè)電動(dòng)勢的大小，并將其轉(zhuǎn)化為液體的流速信息，進(jìn)而計(jì)算出流量。電磁流量計(jì)主要由磁路系統(tǒng)、測量導(dǎo)管、電極、外殼、襯里和轉(zhuǎn)換器等部分組成。其中，電極用于檢測導(dǎo)電液體的感應(yīng)電動(dòng)勢，外殼用于保護(hù)電磁傳感器內(nèi)部的元件，襯里則用于防止被測介質(zhì)對(duì)測量管壁的腐蝕和磨損。

電磁流量計(jì)的測量及精度不受流體密度、黏度、溫壓等因素影響，對(duì)導(dǎo)電液體的測量精度高，能夠適用于腐蝕和高溫的液體，對(duì)系統(tǒng)不會(huì)造成壓力損失，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，維護(hù)方便，并且使用壽命長。

脫硝系統(tǒng)中電磁流量計(jì)的使用需要考慮被測介質(zhì)的腐蝕性、溫度、壓力、流速等因素，并根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的材質(zhì)、口徑和型號(hào)。當(dāng)測量介質(zhì)為氨水，或流量計(jì)安裝在有氨的環(huán)境中流量計(jì)需選用防爆型。電磁流量計(jì)應(yīng)避免如大電機(jī)、大變壓器等具有強(qiáng)磁場的環(huán)境，以防強(qiáng)磁場對(duì)電磁流量計(jì)的測量造成影響，電磁流量計(jì)在使用過程中應(yīng)良好接地以減少外界電磁干擾對(duì)測量的影響，對(duì)于易受干擾的環(huán)境時(shí)，可采取屏蔽措施提高測量的穩(wěn)定性[3]。

2.2.2""質(zhì)量流量計(jì)

脫硝尿素水解制氨工藝中，水解產(chǎn)品氣的流量測量既是控制需要，也是計(jì)量需要，常采用科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，它依據(jù)的是牛頓第二定律。當(dāng)流體在振動(dòng)管中流動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力。該力會(huì)導(dǎo)致管道入口段和出口段在振動(dòng)的時(shí)間上出現(xiàn)差異，即相位時(shí)間差。這種差異與流過管子的流體質(zhì)量流量的大小成正比。通過電路檢測這種時(shí)間差異的大小，就可以確定質(zhì)量流量的大小?？评飱W利質(zhì)量流量計(jì)具有很高的測量精確度，能夠直接測量質(zhì)量流量，減少了因密度變化而引起的誤差，除了測量質(zhì)量流量外，還可以同時(shí)測量密度，并由此派生出測量溶液中溶質(zhì)所含的濃度，根據(jù)這一特點(diǎn)，質(zhì)量流量計(jì)也常用于尿素溶液置中的尿素溶液密度的測量。雖然它的功能是測量質(zhì)量流量，但它通常也集成了溫度傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測流體的溫度。

在脫硝系統(tǒng)計(jì)量分配系統(tǒng)中采用科力奧利質(zhì)量流量計(jì)測量水解產(chǎn)品氣時(shí)，需要防止管道振動(dòng)和現(xiàn)場脈動(dòng)對(duì)測量產(chǎn)生影響，當(dāng)出現(xiàn)共振對(duì)測量結(jié)果造成影響時(shí)，可以采取減振措施，如使用減振支架或設(shè)置振動(dòng)衰減器[4]。安裝時(shí)應(yīng)按廠家的資料按介質(zhì)流向和傳感器方位正確安裝?？屏W利質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，初期投入成本較高，不能為了降低成本而大幅度地對(duì)管道進(jìn)行縮徑，增加管道阻力，造成出口的流量無法滿足設(shè)計(jì)流量，從而造成損失。科力奧利質(zhì)量流量計(jì)主要用于測量介質(zhì)質(zhì)量流量，但它也具備測量水解產(chǎn)氣的密度、溫度和壓力。在調(diào)試時(shí)還可能通過就地顯示屏檢測溫度、壓力、密度等參數(shù)，在總線系統(tǒng)的項(xiàng)目中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以省去產(chǎn)品氣管道上的壓力和溫度測點(diǎn)，就地可以通過顯示器進(jìn)行監(jiān)測，DCS只需要通過總線就可以將流量計(jì)中的所有參數(shù)全部讀取至DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)顯示、記錄和控制，降低系統(tǒng)成本。

2.3""煙氣流量測量

SCR的原理是利用還原劑與煙氣中的NOX在催化劑作用下反應(yīng)生成N2和H2O，從而實(shí)現(xiàn)脫硝。因此，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測量煙氣流量是確保脫硝效果、避免還原劑浪費(fèi)以及滿足環(huán)保要求的關(guān)鍵。脫硝系統(tǒng)煙氣流量測量主要基于流體力學(xué)和熱力學(xué)原理，通過測量煙道內(nèi)煙氣的流速、溫度、壓力等參數(shù)，結(jié)合煙道截面積，計(jì)算出煙氣流量。常用的測量原理包括差壓式、熱質(zhì)式等。

2.3.1""皮托管流量計(jì)

皮托管流量計(jì)是工程中最常見的差壓原理的煙氣流量計(jì)，是一種測量氣流總壓和?靜壓以確定氣流速度的管狀裝置。在皮托管頭部迎流方向開有一個(gè)小孔稱為總壓孔，在該處形成“駐點(diǎn)”，在距頭部一定距離處開有若干垂直于流體流向的靜壓孔。各靜壓孔所測靜壓在均壓室均壓后輸出，由于流體的總壓和靜壓之差與被測流體的流速有確定的數(shù)值關(guān)系，因此可以用皮托管測得流體流速從而計(jì)算出被測流量的大小[5]。

皮托管具有壓損小、成本低、體積小、便于安裝和測量等優(yōu)點(diǎn)，也可適用于中、大管徑管道的流量測量，可測量任意點(diǎn)的流體流速和流速分布。皮托管應(yīng)放置在流體的均勻流段，避免放在有渦流、回流或流速不均勻的區(qū)域。測量點(diǎn)的上下游應(yīng)有足夠的直管段距離，通常建議至少不低于8～12倍管道直徑的長度，以確保流體流動(dòng)的穩(wěn)定性和測量的準(zhǔn)確性。在脫硝系統(tǒng)中，由于煙道的直段的無法滿足皮托管流量計(jì)安裝直管段的要求，因此皮托管流量計(jì)所測得的流量與實(shí)際的流偏差較大，僅反應(yīng)煙氣的流量趨勢。

2.3.2""矩陣式煙氣流量計(jì)

?脫硝系統(tǒng)由于安裝位置的局限性與建設(shè)成本，其煙道不可能為流量測量設(shè)置足夠的直管段用于流量測量，矩陣式煙氣流量大幅度縮小了前后直管段要求，提高流量測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。矩陣式煙氣流量計(jì)的測量原理是通過在煙道截面上多個(gè)位置安裝傳感器，?構(gòu)成一個(gè)測量矩陣，?同時(shí)獲取多個(gè)點(diǎn)的風(fēng)速數(shù)據(jù)，?通過數(shù)據(jù)處理后計(jì)算出整個(gè)截面的平均風(fēng)速及總風(fēng)量。??這種設(shè)計(jì)使得測量結(jié)果更為準(zhǔn)確，?即使在風(fēng)速分布不均勻的情況下也能得到準(zhǔn)確的風(fēng)量數(shù)據(jù)。?矩陣式風(fēng)量測量裝置采用多點(diǎn)測量技術(shù)，?通過在風(fēng)道截面上布置多個(gè)傳感器，?這些傳感器能夠同時(shí)獲取多個(gè)點(diǎn)的風(fēng)速數(shù)據(jù)。?通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，?可以計(jì)算出整個(gè)截面的平均風(fēng)速和總風(fēng)量。?這種測量方法相比傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量技術(shù)，?能夠提供更準(zhǔn)確的測量結(jié)果，?特別是在風(fēng)速分布不均勻的情況下，?也能得到較為準(zhǔn)確的風(fēng)量數(shù)據(jù)。當(dāng)管道中有氣體流動(dòng)時(shí)，迎風(fēng)側(cè)受到氣流的沖擊，氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能。管道迎風(fēng)側(cè)的壓力很高，其壓力稱為“總壓”或者“動(dòng)壓”。由于背風(fēng)面不受氣流的影響，因此其在管道中的壓力很低，其壓力稱為“靜壓”，總壓與靜壓之差稱為壓差。壓差的大小與管道中的風(fēng)速成線性關(guān)系。風(fēng)速越大，壓差越大；風(fēng)速越小，壓差越小[6]。

在工程應(yīng)用中，矩陣式流量計(jì)具有測量精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。矩陣流量計(jì)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、取樣組件較多，所以安裝較為復(fù)雜，成本相對(duì)較高。矩陣流量計(jì)是基于差壓原理測量，它在小于一定流速的工況下無法準(zhǔn)確測量，選型時(shí)應(yīng)考慮煙氣的實(shí)際流速范圍。

2.3.3""熱式質(zhì)量流量計(jì)

熱式質(zhì)量流量計(jì)是利用流體流過外熱源加熱的管道時(shí)產(chǎn)生的溫度場變化來測量流體質(zhì)量流量，或利用加熱流體時(shí)流體溫度上升某一值所需的能量與流體質(zhì)量之間的關(guān)系來測量流體質(zhì)量流量的一種流量儀表。通過兩只帶有保護(hù)套管的鉑熱電阻（RTD）作為基本的測量元件，其中一只RTD"作為參考端，測量當(dāng)前的介質(zhì)溫度；另一只RTD上伴有一只獨(dú)立的加熱器（加熱功率恒定），作為測量端。當(dāng)傳感器置于無流量的介質(zhì)中時(shí)，由于加熱器的作用將在兩只RTD"間將形成一個(gè)溫度差值（△T）。隨著介質(zhì)的流動(dòng)，基于熱傳導(dǎo)原理，介質(zhì)分子將帶走測量端RTD"上的部分熱量，而參考端RTD"的溫度將保持不變，因此兩只RTD間的溫差將減小。溫差的變化與介質(zhì)的流量及介質(zhì)本身的熱特性有關(guān)，較高的流速或密度較大的介質(zhì)將加快兩RTD"間溫差的變化。

式（1）中：m為氣體質(zhì)量流量，即；H為補(bǔ)償功率；Cp為定壓比熱容（氣體不同數(shù)值不同）；ΔT為兩探頭間的溫差。

熱式質(zhì)量流量計(jì)能夠適應(yīng)煙道大截面，而且組成簡單、安裝便捷[7]。但存在響應(yīng)較慢、測量煙氣時(shí)容易堵塞的缺點(diǎn)。

3""結(jié)語

本文介紹了脫硝工程中常見介質(zhì)的流量測量儀表，闡述了其原理及在實(shí)際工程中的應(yīng)用，探討了應(yīng)用中的特點(diǎn)及常見問題。在實(shí)際工程中選擇流量儀表時(shí)，需要充分考慮工藝介質(zhì)、流體特性、流量范圍、安裝要求、儀表應(yīng)用場景及經(jīng)濟(jì)成本等因素，對(duì)于一些腐蝕性環(huán)境或者易燃易爆等危險(xiǎn)場合，還需要選擇具備防腐蝕及隔爆功能的儀表?？傊?，不同類型的流量儀表各有優(yōu)勢和適用場景，應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用需求合理選型以確保儀表的長期、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。?

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