FGD系统烟气流速测量仪表选型

闫国瑞

北京国电清新环保技术股份有限公司 内蒙古呼和浩特 010206

2004年前投入的机组脱硫系统一般都是在机组正常投产后新增加的， 因此脱硫系统面积狭小，烟道直管段较短且变径和弯头较多，烟道内气流不稳定和流速分布不均匀，造成烟气流速测量不准确甚至无法正常测量，以最常见的风流量计的选型应用为例，按时期先后大致如下：节流差压式流量计（标准节流孔板、 文丘里管、 多孔孔板平衡流量计等），涡街流量计，差压式流量计（均速管流量计、弯管流量计、 皮托管流量计、 防堵防腐阵列式流量计），热式质量流量计等。但是根据数年的工作经验判断，适用于湿法烟气脱硫系统烟气流量测量的流量计有皮托管流量计、阵列式流量计、热式质量流量计等，几种流量计各有优缺点，下面对它们进行一些分析探讨，以期合理选型正确使用。

1 防堵防腐阵列式流量计

防堵防腐阵列式流量测量装置的原理也是根据差压原理来进行工作，装置如图1所示，正压侧取压管上下两端做成斜剖面，取压管之间用联络管相连通，最终将压力引到引压管，引压管与变送器的正压侧连接，静压管在背向流体流向的一侧，整体形状与正压取样管相同，只是取压口改为在取压管的管壁上开的若干直径为5～8mm的小孔， 孔的方向指向流体去向， 静压引压管与变送器的负压侧连接。

本装置为插入式安装， 烟道施工不需预留空间，烟道施工完成后即可安装。 安装时装置应垂直于气流方向， 正压测斜剖面取压孔面向气流来向。直管段可按前4后1的比列适当调整。差压变送器的安装位置应高于测量装置，如果条件允许应将变送器安装在烟道顶部，这样可以有效避免仪表管内积灰。 测量装置到变送器之间的仪表管路应密封良好，否则灰尘回堵塞管路，无法准确测量。

烟气流量补偿公式如下：

图1 阵列式风量测量装置结构原理图

Q表示流量，单位为t/h；

K表示测量装置的系数，一般k=0.83；

P0表示当地大气压，单位为Pa；

P表示烟道内静压（表压），单位Pa；

T表示介质温度，单位为℃；

Pd表示测量装置产生的差压，单位为Pa；

推荐差压变送器上网量程为200Pa。

1）防堵防腐阵列式流量计的优点：

a、具有本质防堵功能，不需外加任何吹扫装置；

b、对烟道直管段要求不高，可按前4后1的比列适当调整；

c、节流损失小，几乎没有节流损失；

d、测量准确，维护费用低，响应速度快。

2）防堵防腐阵列式流量计的缺点：

a、价格昂贵；

b、体积较大，安装不方便。

因此该装置适用于烟道直管段较短，流速分布不均匀的脱硫吸收塔入口烟道烟气流速的测量。

2 热式质量流量计

热式气体质量流量计是利用热传导技术为基础，实现气体质量流量的测量。 流量计的测量探头带有两个铂电阻传感元件，分别为T1、T2(见图2)，它们被置于流体中，其中感温元件T1通过加热功率P，使其温度升至T1；另一个感温元件T2不加热，用于检测介质温度，设为T2。 于是两个传感元之间产生温差△T=T1-T2。在流量为零时，△T最大，随着流量Q的增大，传感元件T1的热量被带走，T1下降，△T减小。 故上述加热功率P、温差△T与质量流量Q之间将会产生一定的关系。 根据热力学第一定律，得出下列方程式： 可用下式表示：

P/△T＝K1+K2（Qm）

上式中K1、K2、K3是与气体物理性质有关的常数。 从上式可看出通过测量加热功率P，温差△T的变化即可求得质量流量Qm。

图2 热式质量流量计测量原理图

1）热式质量流量计的优点：

a、不受介质温度和压力变化的影响；

b、便于安装；

c、水分、油等其他杂志影响较小；

d、没有可动部件，维护量小；

e、响应速度快，测量精度高。

2）热式质量流量计的缺点：

a、该装置测量的是烟道内某一点的流速，因此不适用于流速分布不均匀的烟道；

b、要求直管段较长，提供稳定的流速场；

c、价格较昂贵；

d、当烟气内含有水分和灰尘、浆液时，容易堵塞探头，导致测量结果出现偏差。

因此，该装置使用于湿法烟气脱硫吸收塔入口烟道直管段较长、流速稳定的场合，不能用于测量湿法烟气脱硫吸收塔出口烟气流量的测量。

3 皮托管流量计（S型）

皮托管流速仪的测量结构主要包括差压变送器、皮托管、反吹电磁阀、温度压力补偿等。 其测量原理如图3所示， 其一次取压元件采用传统的皮托管测量方式，在正确安装后，皮托管的全压、背压取压管将检测到的动压与静压分别传递到差压变送器， 差压变送器将动压与静压之差转换为4～20mA电流传送给显示仪表或是CEMS系统计算机进行温压补偿与数据处理。

皮托管内外表面均做了特殊处理，可有效避免烟气腐蚀并减少粉尘粘附。反吹电磁阀主要用于脏污气体（如脱硫吸收塔入口烟气）测量时的系统反吹：当探头检测孔粘附﹑积淀灰尘污物时，电磁阀定时或按预定程序开启，将压缩空气同时接入两个取压管进行吹除作业，正常测量时电磁阀则处于关断状态。

图3 皮托管流量计测量原理图

皮托管流速仪为用户提供标准（4～20mA）流速开方比例电流输出（用户也可选择线性输出），需要特别说明的是由此电流计算得出的流速 （见公式（2）） 是假定测量介质为空气且空气状态为常温状态（20℃，760mmHg）时的计算值，用户欲获得介质在工况下的流速V1值需首先按公式（3）及公式（4）计算实际介质相对空气的密度补偿系数K1和温压补偿系数K2，然后按公式（1）计算得到最终结果。若用户还需计算工况或是标况下的流量值，则按公式（5）、公式（7）分别计算即可。其中速度分布系数ξ为实时测算值。

工况下烟气流速的计算公式：

式中：

V——工况下烟气计算流速，单位： ；

K1——烟气相对空气密度修正系数；

K2——温压补偿系数；

V0——空气常温状态（20℃，760mmHg）实测流速，单位：m/s；

实测流速的计算。 式中：

△P——实测压差，单位：Pa；

C——皮托管仪表系数；

ρ0——常温状态（20℃，760mmHg）空气密度，单位：kg/m3，ρ0=1.205kg/m3；

vmax——皮托管流速测量上限值，单位：m/s；

I输出——皮托管流速比例电流输出值，单位：mA；

烟气相对空气密度修正系数

式中：

ρ1——标准状态（0℃，760mmHg）烟气密度（用户提供），单位：kg/m3；

温压补偿系数

式中：

t——实测温度，单位：℃；

PA——安装地大气压，单位：kPa；

PS——实测管静压，单位：kPa；

工况下烟气的瞬时流量的计算

式中：

Q——工况下烟气的瞬时流量，单位：m3/h；

A——过流断面面积，单位： m2；

ξ——过流断面速度分布系数，实际测量计算值。

标态烟气瞬时流量的计算

式中：

QN——标态下烟气瞬时流量，单位：m3/h；

ρ——工作状态烟气密度 （用户提供），单位：kg/m3

推导过程如下：

推导结果如下：

1）皮托管流量计的优点：

a、安装方便，采用插入式安装，体积小重量轻，易于集成，必要时可以同时将测温元件集成于该系统，用于温度补偿或实现稳、压、流一体化测量；

b、系统简单，易于维护；

c、成本低，可靠性较高；

d、装有管路吹扫系统，可以实现自动吹扫功能。

2）皮托管流量计的缺点：

a、该装置测量的是烟道内某一点的流速，因此不适用于流速分布不均匀的烟道；

b、要求直管段较长，提供稳定的流速场，选择测量点时应远离风机﹑阀门﹑弯头等易造成流态波动的元件，且测量点上游应有3d～5d（d为圆形烟道的直径）的直管段，以保证测量点处过流断面速度分布规律符合要求。 如果为矩形烟道，当量直径d=2ab/（a+b），其中a、b为矩形烟道的边长。

因此， 该装置使用于湿法烟气脱硫吸收塔出、入口烟道直管段较长、流速稳定的场合。

4 小结

根据上述分析，当脱硫系统出入口烟道直管段较长时都可以选择皮托管和热式流量计进行测量烟气流速，实现较高的信价比。 当脱硫系统出入口烟道直管段较低时，脱硫吸收塔入口烟气流量可以选择防堵防腐阵列式流量计，脱硫出口可以选择带吹扫功能的皮托管进行流速测量。

［11］王曙华，庄武，沈寒宵.气体流量计选型应用［J］.玻璃，2009，（3）.

［2］纪纲. 流量测量仪表应用技巧［M］.北京：化学工业出版社， 2003.

［3］温瑞媛，严世强，江洪，翟茂林. 化学工程基础［M］. 北京：北京大学出版社，2003.

［4］蔡武昌，孙淮清，纪纲. 流量测量方法和仪表的选用［M］.北京：化学工业出版社，2001.