烟道气体流量计

烟道气是有毒有害气体和烟尘的混合物，是污染大气的重要原因。烟气的成分很复杂，气体中包括 SO2、CO、CO2 碳氢化合物以及氮氧化合物等，烟尘包括燃料的灰分、煤尘、油滴以及高温裂解产物等。因此烟道气对环境的污染是多种有毒物质的复合污染。
显而易见，控制烟道气流量的排放是至关重要的，传统的烟道气流量测量方法有：（1）超声波流量计；（2）单一的均速管流量计；（3） 热式气体质量流量计。
二、问题的提出
虽然烟道气的测量方式有多种多样，但是通常的测量方法均存在一定的问题。
（1） 超声波流量计：超声波气体流量计是利用超声波在流体中顺流和逆流传播的速度差与流体的流速成正比的原理测量流量的。运用此方法测量的缺点是造价昂贵，测量精度不高，通常只有 ±2 ～ 5%。
（2） 单一的均速管流量计：均速管流量计是采用皮托管测量原理测量流体的全压与静压，从而达到测量流量的目的。均速管流量计具有结构简单、安装维修方便、运行及制造成本低等优点，广泛应用于大管径、允许压损小的场合。由均速管流量计的测量原理可知其测量的是体积流量，而烟气是变组分的介质，密度是变化的。因此要得到烟气的质量流量仅仅通过单一的均速管流量计是无法实现的。
（3） 热式气体质量流量计：热式流量计是利用传热原理检测流量仪表，即流动中的流体与热源之间热量交换关系来测量流量的仪表。该仪表的传感器由两个基准级热电阻 RTD 组成。一个是质量速度传感器T1，一个是测量气体、温度变化的温度传感器 T2。当这两个 RTD 置于被测气体中时，其中传感器 T1 被加热到气体温度以上的一个恒定的温差， 另一个传感器 T2 用于感应被测气体温度。随着气体质量流速的增加， 气体带走更多热量，传感器 T1 的温度下降，要维持 T1、T2 恒定的温度差，T1 的加热功率就要增大。根据热效应的金氏定律，加热功率 P、温差△ T=（T1-T2）与质量流量 Q 有确定的数学关系式。但是和均速管流量计一样，热式流量计在测量气体组分变化较大的场所，因 CP 值和热导率的变化，测量值会有较大的变化，从而产生较大的误差。
由此可见，以上三种测量方法均不适合用于在烟道气质量流量的测量。

三、解决方法
运用均速管流量计、科里奥利质量流量计组合测量的方法就可以很好地解决以上三种测量方式的不足之处。
科里奥利质量流量计是利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。基于此原理，该流量计可以测得流体的密度。
上文已介绍过均速管流量计的测量原理，其测量的是流体的体积流量。采用科里奥利质量流量计测量烟气密度，均速管流量计测量烟气体积流量， 两者结合，利用平均值补偿，就可以推算出整个烟道气管道的流量了。

四、安装要求
质量流量计和均速管流量计的安装位置和安装方式将会直接影响到整个测量精度。首先应确定均速管流量计的安装位置，烟道气的测量是在烟囱管道内部进行测定或采试样测定，为了使测量点具有代表性，测
量点的位置尽可能选在烟道气气流均匀而稳定的管段上，应避开弯头、阀门和变径管等容易产生涡流的阻力构件，原则是：以烟气流向为准， 测定断面与其上游方向阻力构件的距离，大于烟道气测量管直径的10 倍，与其下游方向阻力构件的距离，大于烟道气测量管直径的
10 倍，与其下游方向阻力构件的距离大于烟道气测量管直径的 5 倍。此外，由于水平管道中气流速度分布和粒状物浓度分布不如垂直管道内均匀，所以选择测量点时，应优先选取垂直管段。

均速管流量计安装位置确定后，再确定质量流量计的安装位置。在均速管流量计的前端另开一侧。斜向 30°侧开一个口，引出一段为 1 寸大小的分支测量管（图 1），把质量流量计安装在导管上，把质量流量计另一端连接在烟道气管道上形成一个环路（图 2）。
 
图 1 图 2
质量流量计的位置取舍是至关重要的，如果测量点的位置必须位于均速管流量计前端，引出一段分支测量管深入烟道气管道内侧，深入的长度约为管道内径的 1/8D 之处，如若调整深入长度的话，可运用在线插拔装置调整深入长度，此处位置点的取舍是根据流体力学得出的—— 流体力学是连续介质力学的一门分支，是研究流体（包含气体及液体） 现象以及相关力学行为的科学。分支测量管的角度为与烟道气管道成30°安装。分支测量管的大小为 1 寸左右。详见图 2 所示。
分支测量管安装完成后把质量流量计安装在分支测量管上即可。另外一端使用相同口径的测量管连接到主管测量管上即可（安装位置必须在均速管流量计开孔处后侧位置）。
安装完质量流量计后，在质量流量计两侧开孔的中心位置上，安装均速管流量计，此流量计必须处于此两侧开孔之间。
安装完质量流量计和均速管流量计后，使用电缆把信号传输到积算仪上即可使用测量。
此测量方式的原理在于：运用质量流量计，测出烟道气管道中的介质的密度及流速（V1）：即判断出整个烟道气管道中的介质即为质量流量计测得的密度。根据此得到介质的密度与均速管流量计测得的体积量， 运用积算仪或 PLC 等，处理从而得到整个烟道气管道的质量流量。
五、取得的效果（效益）
使用此方案测量的好处在于：其安装过程中非常的方便也可不停产在线安装，只需在管段上开四个取压孔即可，大大地减少了安装时间， 节省了大量的人力。
其测量的效果与使用超声波流量计相比其价格便宜，测量精度相比高于单一的均速管流量计。其测量方式又不受限于介质的组合成分，密度的变化。
以传统的测量方法加上密度的组合而成的质量流量。

2均速管结构设计和原理
2.1新型均速管结构设计
均速管是基于皮托管测速原理发展起来的一种 差压式流量传感器，其主要部件是流量检测杆。检 测杆常见截面形状有圆形、菱形、机翼型、头型、 德尔塔巴型和威力巴型⁶³。新型均速管的流量检测 杆由一根菱形外管中内套圆形管的双管组成，内管 测量全压，外管测量静压。其结构主要由以下6个 部分组成。
① 全压测量孔。全压孔主要测量与迎面风速相关 的压力值，作为全压。本检测杆按等环面积法共选取 8个全压孔,在检测杆的迎风面侧沿被测管道中轴线 上下对称分布钻取。
② 全压均值腔。本检测杆内管是全压均值腔，其 连接了所有全压孔，将全压孔获取的压力值进行稳定 平均。
③ 静压测量孔。静压孔主要是用于测量静压。本 检测杆同样按等环面积法选取8个静压孔，在检测杆 外管的背风侧与被测管道轴线相交处钻取，与全压孔 位置相对应。
④ 静压均值腔。本检测杆外管是静压均值腔，将 所有静压孔获取的压力值进行稳定平均。
⑤ 全压引压管。全压引压管与全压均值腔连接， 将测得的全压均值传至二次仪表。
⑥ 静压引压管。静压引压管与静压均值腔连接， 将测得的静压均值传至二次仪表。
新型均速管结构设计图如图1所示。

图1新型均速管结构设计图
Fig. 1 Structure design of the new type of Annubar
 
2.2测速原理及计算方法
一般情况下，管道中流体的流速分布是不均匀的。 为了测得管道中流体平均流速，通常采用等环面积法 将管道横截面分割成若干个面积相等区域，近似认为

图2均速管测速原理图
Fig. 2 Principle of velocity measurement of Annubar
 
本装置主要是对烧结余热风量进行测量，所测介 质是热空气，可近似为不可压缩的理想定常流体，符合 不可压缩流体伯努利方程国。截面选取如图2中截面 1 -1与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分别为截面^{1 -1}、2 ^{- 2}的静压，Pa； p为空 气密度,kg/m³:V1、2分别为截面1 -1P - 2流体的平 均流速,m/s,（Aa —人）X （z2 — z1）为截面 1 - 1、2 — 2 的 位压差，Pa；P1和P2分别为截面1 -1P - 2间的压力 损失，Pa。
根据稳定不可压缩流体连续性方程，有：
A1 v1 = A2 v2 （1）
式中:A1P2为截面1 -1、2 -2的有效通风面积。
由此可推得均速管流量传感器的流量计算公式为:
X
［）^+ Y
式中：Ap为与均速管连接的差压测量装置所测得的差 压，Pa；丫为均速管检测杆局部阻力系数；K为均速管 流量系数。
3装置在项目上的应用实例
3.1烧结余热烟风系统
目前,烧结余热烟气系统主要利用环冷机的烟气 余热资源。高温烧结矿经过破碎后落入环冷机，通过 环冷机底部的鼓风机鼓入冷空气来进行逐步冷却。冷 空气被高温烧结矿加热产生高温热空气，将温度在 250 -450 T的高温热空气引入余热锅炉加热给水，产 生过热蒸汽推动汽轮发电机组进行发电，从而达到烧 结余热资源回收利用的目的。在此烟风系统中，为了 进一步提高余热锅炉的进口烟气温度，常常将余热锅 炉排放的100 - 150 °C低温烟气通过循环风机输送回 环冷机的前段风箱，从而进一步提高余热烟温和余热 利用率⁹。
3.2均速管布置情况及烟道参数
烧结余热锅炉有2段入口烟风管道,新型均速管布 置的2个测点所在烟道相关参数如表1所示。均速管 所安装位置的管道前后直管段总长度约为2D，直管段 较短，同时所测烟风中含有一定粉尘，容易造成测量装 置堵塞和磨损问题。因此,新型均速管检测杆配置了反 吹装置，防止检测杆测量孔堵塞，从而保证测量准确性。
表1烟道相关参数
Tab. 1 Pipeline parameters of the flue pipe