从阿牛巴到AM气体流量计的技术发展及应用

陈缃雯

（中国石化集团上海工程有限公司，上海 200120）

1 前言

AM气体流量计的探头有效地解决了堵塞问题，流量计算机的出现更提高了测量精度与准确性，并在节能减排上作出了重大的贡献。

2 概述

阿牛巴流量计(又称笛形均速管流量计)是根据皮托管测速原理发展起来的一种新型差压流量检测元件，它输出为差压信号，与测量差压的仪器仪表配套使用，可准确测量圆形管道、矩形管道中的多种液体、气体和蒸汽(过热蒸汽和饱和蒸汽)的流量。在动力工业(包括核工业)、化学工业、石油和金属冶炼等工业中得到广泛应用。特别适用于各种方管或圆形管道的流体流量测量和要求直管段长度较短的大管径流体的大流量测量，在风量测量中运用更为广泛。

3 阿牛巴的测量原理

阿牛巴流量传感器，由其结构示意图所知，它是一根沿直径插入管道中的中空金属杆，在迎向流体流动方向有成对的测压孔，一般说来是两对，但也有一对或多对的，其外形似笛。迎流面的多点测压孔测量的是总压，与全压管相连通，引出平均全压p1，背流面的中心处一般开有一只孔，与静压管相通，引出静压p2。均速管利用测量流体的全压与静压之差Δp测量流速。根据经典的伯努利方程，均速管的输出差压（Δp）和流体平均速度（v）的关系可表示为：

图1 阿牛巴流量计结构

图2 测量原理图

式中：Δp —全压与静压之差，Pa

ρ—流体密度，kg/m3；

k —系数。

如果用流量来表示，其流量计算基本公式为：

式中：qv—流体的体积流量，m3/s；

qm—流体的质量流量，kg/s；

α —工作状态下均速管的流量系数；

ε—工作状态下流体流过检测杆时的流束膨胀系数；不可压缩性流体：ε=1； 可压缩性流体：ε< 1

A —工作状态下管道内截面面积，m2。全压孔的位置，可按等分面积法求取。这样，在流量变化的情况下均速管能有较好的适应能力，所反映的误差较小。所谓等分面积法，就是将管道截面分割成内圆和外环的等效平均流速点，这些点就是全压孔的位置，如图3所示。

图3 等分面积法示意图

全压孔的开孔位置可用切比雪夫数值积分法求得，如图4所示，图中r1=±0.4597R，r2=±0.8881R。r1，r2为取压孔中心距管道中心的距离，R为管道内半径。

对于这种选点方法，无论是数目还是位置，近年来学术界及国际标准化组织均提出异议，认为管内的流动应分为三个区域，选点按对数——切比雪夫（Log-Jchebycheff）法进行，因此，总压检测孔的位置应为：r1=±0.03754R；r2=±0.7252R；r3=± 0.9358R。这种方法已被国际标准化组织（ISO）封闭管道中的流量测量委员会（TC30）所确认，鉴于上述原因，通过人们的试验研究，均速管的总压孔数目还是建议采用二对或三对为宜。

图4 取压孔位置图

背压检测孔长期以来采用一个，是由于人们已经认识到均速管按规范是处于位势流中，而位势流的前提是管道横截面上各点静压均相等，没有横向流动。从这个角度来看，一个背压检测孔已足够，为了防止流体的流量在检测过程中阻塞背压检测孔，多孔的背压取压，已开始应用在均速管流量传感器上，总之，由流量的基本公式可知，只要有效地测出均速管的输出差压ΔP，就可测出流体的流量值，这就是阿牛巴流量传感器的测量原理。

4 AM气流流量计的改进

早期的均速流量探头，在截面设计上忽视了临界流体的流动情况和空气动力学原理，所以，其应用范围受到很大的限制。

其它截面类型探头的限制因素如下：

• 取压孔易堵塞

• 信号波动大

• 精度不高

• 受流体牵引力影响振动大

AM气流流量计对取压方式进行改进。表1是不同探头截面类型的气流特性比较。

5 AM气体流量计的系统组成及先进性

5.1 AM气流流量计传感器

AM气流流量计根据皮托－菲克亥尔摩Pitot－Fechheimer原理可准确侦测气流。

（1）原理 根据皮托管测速原理，通过测流体总静压之差推算流速，测点位置及数量按相关规范组成矩阵，充分反映管道中流速分布。

表1 各种探头气流特性比较

（2）流速计截面 采用圆管，当管径大于1 m，空气流速大于2 m/s时，雷诺数已超过106，采用圆截面管道已不存在“阻力危机”问题，而且还易于制造和降低成本。

（3）总压孔 总压孔加工了一个凹形槽，当气流偏斜±20%时，仍可准确测量差压。

（4）静压孔 根据菲克亥尔摩方法，圆管在迎向流向±30%处压力分布（图5），为理想静压孔的位置，因而流速系数等于1，可以避免压力分布带来的误差，但在相同流速下，输出差压将比均速管小50%。

菲克亥尔摩气流侦测方式(Fechheimer method)，用于侦测静压，它最适合应用在发电等行业。一般电厂的管段直线直径小而且往往有偏摇或螺距现象。

两个对立的静压孔所感应到的是方向相反，但是压力平等的静压，因为两个孔是由共同的连接装置连接的，所以两个数能取得平均值。在偏摇或螺距（波动）±30°的情况下，都能侦测出准确的静压。

准确的静压侦测能力加上独有的凹孔设计，使AM公司的气流仪器是市场上唯一能在高度偏摇或螺距（波动）在30度的环境内，照样可以保持高测试准确度的仪器。

任何装置装入含粉尘的空气内都可能会被堵塞。虽然AM公司的探头和其他厂家比，是比较不容易堵塞的，但是为了保证长期并有效使用，AM公司认为反吹或清除装置是必要，因为任何侦测孔都可能会进灰尘。而燃烧空气总是含有粉尘。

5.2 AM气体流量计直管段要求

在工程应用中，流量计的直管段长度是一个大问题，它不仅关系到成本，也关系到系统阻力，对节能也有影响。表2显示AM气体流量计传感器对直管段的要求。

图5 AM气体流量计探头原理图

表2 AM流量计传感器最短直管段要求

5.3 AM三维热态标定仪器及测试方法

美国AM公司打破了风量无法热态标定的观念，它采用先进设计理念，独特的方法开发出一整套高精度，自动生成三维立体数据的标定仪器，不管风量冷/热态都可以进行标定，例如，锅炉正常运行时也可以进行标定，不会影响生产过程正常运行。

三维实流热态在线标定系统需要三维传感器及配套在线流量计算机。由于皮托管不像标准孔板一样属于标准节流装置，可以用标准数据冷态标定。按规定对非标准节流装置应进行热态实流标定，所谓实流标定就是用被测的气体介质来标定，所谓热态标定就是在线标定。随着近年科技的发展，对非标准节流装置的热态实流标定也受到重视，并研究了不少应用方法。表3是AM气体流量计三维检测技术和传统L型皮托管的比较。

以下是3维 Probe AM 气体流量计独有的检测技术。

AM使用本公司的独有技术——三维传感器来保证其在线侦测系统的准确性。

表3 AM气体流量计3维检测技术与传统L型皮托管的比较

图6 3 –D探头实物图

图7 三维传感器原理图

5.4 自动及吹扫装置

火电厂的进风、二次风都难免含有粉尘，通过测差压来推算流量的仪表难免堵塞，长期制约了这类仪表（如：均速管）在火电厂的应用。为解决粉尘的堵塞，不少厂家采用了吹扫装置取得了较好的效果，确保了流量计长期可靠的工作。该装置可根据现场的需要设定吹扫的间隔时间（每小时、数小时或一天吹扫一次），而每次吹扫持续的时间也可在30～120 s范围内设定，吹扫时将自动关闭测量阀门，保证不影响测量数据，整个过程设定后均由计算机自动完成。

5.5 AM流量计算机

一些火电厂的进风管道管径达5 ～ 6 m，由于直管段只允许很短，因此，常用的流量计已难以采用。由于其流速分布极其复杂，必须采用插入式多点流速计。根据速度面积法在一个截面上测几十点流速，才可能充分反映管道中的流速分布，以确保流量测量的准确度。考虑到以下因素：每一个测点因流速不同差压值会有差异；温度、压力不等必须进行补偿；检测点位置不同，其加权系数不同（见IS03966）；……因此，计算十分复杂。所以，必须采用流量计算机。下面是AM流量计算机的主要功能：

（1）自动归零功能：当执行归零命令的时候，流量计算机内带的三通电磁阀会切断全压管，将静压管与变送器高、低端都联通，将此时测得的差压值作为零点，归零时输出保持原测量值，归零后用实测值减零点值作为新的输出。相当于变送器的人工调零，并且可以根据量程的大小在1 h－24 h的时间间隔内任意设置归零时间，这样使得多功能流量计算机在预订的时间内自动校正变送器的零点，极大的保证了变送器测量的长期准确和稳定；

（2）准确度±0.1%自然量程，包括：非线性、磁滞现象，静区现象和非反复性；

（3）自动情况的指令；

（4）温度补偿；

（5）压力补偿；

（6）密度补偿。

6 使用AM的显著效果及成就

6.1 AM气体流量计的技术成就

• 首部多探测点自动平均皮托管气流侦测仪器。

• 首部核能电厂的排气管等动力（Isokinetic）抽样系统。

• 首部工业等级的固态电子仪器，适用于气体侦流。

• 独有的皮托－菲克亥尔摩（Pitot-Fechheimer）多探测点自动平均气流侦测探测仪。

• 首部自动归零（AUTO-zero）超低范围差压气体流量计算机（自然量程低达0-12.7Pa，高达0-2540 Pa），计算机精度高达±0.1%。

• 研发合乎美国环保局40FR75号规定，适用于监测烟囱的废气或连续式废气排量的气流侦测仪器（现已有超过100个发电企业和超过50个工业企业应用此仪器）。

• 有多年的气流侦测工厂设计经验；可以降低氮氧化物（NOx）和改善工厂的能源效率，监测一次风（Primary Air）、二次风（Secondary Air）、顶棚二次风（Overfired Air, OFA）等风量测点。

• 研发出首部单独燃烧器气流侦测探测器，用来侦测燃烧器的二次风。

• 首部达到国际气体控制协会（AMCA）认证的气流侦测产品。

• 在美国发电行业中，首家推广煤粉流量侦测系统（Pf－FLO）的公司。

6.2 AM气体流量计的广泛应用及检验

AM的3维检测技术问世主要解决了三个方面的风量测量问题：

（1）在低于AM工况要求时，提供参考“3D标准”技术用于调整K系数。

（2）在检测困难二关键位置时，提供“3D标准”技术确认在线系统的准确性。

（3）在新机组试运行和锅炉技改项目完工，调试单位进行过滤风量测试标定时。

大管道气体流量测量系统在国外已应用了十余年，据称在美国火电已占有90%以上的市场。我国采用该技术仅数年，如：广东汕头电厂600 MW机组；福建湄洲湾电厂2×396MW机组； 辽源电厂2 ×300MW机组；绥中电厂2×1000MW机组。

6.3 AM准确气流检测增加能源效率

使用AM气流检测技术的操作员能够对实际气流量和检测流量放心。

（1）精确测量流量可达到风量与燃煤的最佳比值，减少风机功耗，提高锅炉热效率；

（2）插入式多点流速计的永久压损仅为满管流量计的十几分之一，且安装、维修简便；

（3）风量大小处于最佳状态，使煤粉得以充分燃烧，减少CO的排放；

（4）维持燃烧火焰的最佳位置，避免火焰贴近炉壁，提高锅炉的寿命；

（5）实现低氮燃烧，避免采用过于昂贵的SCR脱硝工艺，降低成本；

（6）实现空气量随锅炉负荷进行调整，确保有效燃烧。

把AM的主导产品应用于火力发电厂，将实现“优化燃烧、节能减排”放在首要位置。锅炉燃烧控制的关键就是根据载荷的变化控制燃烧过程中的“风煤比”。但由于历史的原因，目前国内风量检测的水平仍非常落后，很多地方仍在使用压损大、测量不准确的机翼、文丘里等测量装置。

图8 理论性锅炉效率线状图

在风量无法测准的情况下，大部分电厂将风量测量作为辅助参数，而将最后烟道检测的过氧量作为风量控制的标准，并采取“宁滥毋缺”的方式：给出过量的风，保证炉膛不会缺氧熄火。然而，目前的在线过氧量检测技术存在较大的误差和测量滞后性，造成炉膛内被吹入过量空气，大量的过量空气被加热，使得锅炉燃烧效率的快速下降（每1%的过氧量误差，就会有5%的过量空气被加热），同时，电厂的风机也浪费了大量的电能。因此，电厂针对风量控制优化燃烧的工作还有很多潜力可挖，可以实现节煤降耗。

AM公司研发独享专利权和使用权的产品包括：火力发电厂 “锅炉燃烧气流管理系统”（CAMS）、“燃烧器内部风量侦测系统”（IBAM）、“煤粉流量侦测系统”（Pf-FLO）、“烟囱流量侦测系统”（CEMS）等系列配套产品，为发电企业在提高燃烧效率及在燃烧过程中有效地避免废气的产生,提供了先进的检测设备和可靠的解决方案，得到了美国环保局、国际气体控制协会、自动化控制协会、空调暖通协会的首肯及认证。

参数文献：

[1] 许继刚，龙辉. 我国发电行业节能减排现状分析[J]. 世界自动化仪表, 2009, 4: 14.

[2] Air Monitor公司，皮托－菲克亥尔摩Pitot－Fechheimer原理可准确侦测气流，Air Monitor公司（美）技术资料，P151.

[3] 国际标准ISO 7145.圆形封闭管道中流体流量的测量在横截面上测一点流速的方法，1982年.

[4] 徐瑞华. 过程控制工程手册[M]. 北京：化学工业出版社，1993.

[5] 毛新业. 均速管流量计的应用与发展[J]. 自动化仪表，2005, 3: 27.

[6] AM 科洋科技发展有限公司. AM气体流量计技术资料.