新型均速管的设计与应用

肖衍党

(陕西燃气集团新能源发展有限公司，陕西 西安 710016)

新型均速管的设计与应用

肖衍党

(陕西燃气集团新能源发展有限公司，陕西 西安 710016)

常用的大型管道风量测量装置无法准确测量烧结余热烟风量。针对烧结余热风量测量中存在管径大、直管段短、含粉尘多和差压低等问题，设计了一套新型均速管测量系统。详细阐述了关键部件的结构设计、工作原理及系统组成。实际应用结果验证了该系统具有测量精度高的特点，完全满足工程测量要求，为烧结余热发电系统的优化设计与运行提供了科学依据。

超声波流量计; 电磁流量计; 均速管; 热电偶; 流量测量; 余热发电; 风量

0 引言

目前，烧结余热发电技术得到了广泛应用。余热烟风设计参数主要依靠设计经验来选取，容易造成烟风设计参数与实际烟风量相差较大，从而造成余热资源浪费，电站经济效益不理想。因此，余热烟风参数的准确测量非常重要。烧结余热烟风测量参数主要是温度和风量。温度比较容易实现准确测量，而风量测量存在管道截面大、直管段短、差压低、含粉尘多和测量环境恶劣等问题，从而导致测量装置所测得的风量参数不准确、不稳定。鉴于此，本文设计了一种新型均速管测量装置，以解决烧结余热烟风测量不准确问题。

1 大管道烟风测量

1.1 常用大管道气体流量测量装置

根据工作原理不同，流量测量仪表主要分为以下6种：差压式流量计、叶轮式流量计、电磁流量计、超声波流量计、涡街流量计、容积流量计[1]。目前，工业上风量的测量介质是含有一定杂质/烟尘的空气或者烟气，常用的风量测量仪表是热线风速仪、皮托管、气体超声波流量计、风量罩和均速管等。

热线风速仪利用热耗散原理，将一根通以电流而被加热的细金属丝感测元件置于管道中。当气体流过它时，将带走一定的热量，此热量与流体的速度存在一定关系。其最大特点是只能测量单点的流速，不能实现连续监测，流体成分会影响测量结果，响应时间大于1s，一般要求所测气体温度不高于350 ℃[2]。

皮托管通过测量气流全压和静压来确定气体的流速。其特点是只能测单点流速，不能实现连续监测，管道中流速分布对其影响较大。同时，皮托管操作要求高、消耗工时较多，适用于标准试验，可作为工业现场风量测量校验的仪器。

气体超声波流量计利用流体的流动速度对超声波的传动信号所造成干扰，通过测量电信号的变化来获得流速[3]。采用便携式超声波流量计进行流量测量时，只需将其安装在测量管道的外表面，不与被测流体接触，没有压力损失，操作十分方便，但测量精度不高，并且大部分超声波流量计不适用于对含粉尘气体流量的测量。

风量罩主要用来测量管道出口处的气体流量仪器，其测量原理是利用速度矩阵中心测量差压，获得截面平均流速。风量罩质量轻便、操作简单，但它局限于对风口处的测量，不适用于封闭烟风管道的气体流量测量。

均速管流量计是一种差压式流量计，通过测量管道同一截面径向不同点的全压与静压之差，计算出该截面的平均流速。均速管不适用于小流量的测量，在大流量测量中具有优势。均速管因其结构简单、价格低廉、稳定性好、动力消耗少、安装方便、维护量小、压力损失小、准确度好和适用测量管径范围广等优点，其应用的范围越来越广泛[4]。

1.2 风量测量存在的主要问题

工业大型烟风管道中的流体多为紊流，要准确地测量流量，必须具有较长的直管段，而实际测量现场往往无法满足此要求[5]。

烧结余热烟风系统中的风量测量特点如下。

①烟风直管段较短(直管段仅有0.5D～2D，D为管道内径)，同时风管通道测点的上游可能存在调节风门、弯头、各种加强支撑件等阻力件，造成管道内测点所在截面上的流场分布很不均匀，甚至有漩涡存在。流场的不稳定，将导致测量精确度降低。

②管道中烟气含有一定湿度、粉尘等不利因素，容易造成传感器堵塞，从而使得测量不准确或者无法测量。

③烟风管道内压力低、差压小，若采用灵敏度不高的差压测量仪器，将导致所测参数不准确，甚至导致测量的数据无意义。

④测量环境恶劣，由于环冷机烟风罩处密封不严密，同时烟风罩常常未采取保温措施，这就使得在所要测量位置常常有高温烟尘。人员因此不易或者无法靠近烟风管道，自然也无法采用手持仪器进行现场热工测量。

针对这些问题，只有在环境条件具有可操作性的情况下，才可将插入式热线风速仪或皮托管作为现场风量测量校验的仪器。

在检测大管道气体流量时，均速管因具有安装稳定、运行可靠、压力损失小、准确度高和适用测量管径范围广等优点，常作为首选仪表。针对烧结余热烟风测量中存在的问题，均速管能较好地实现准确测量，新型均速管测量系统就是基于此设计的。

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、子弹头型、德尔塔巴型和威力巴型[6]。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

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，近似认为这些区域中各点流体的流速相等。通过测量每一个区域中某个特征点的流速，计算出整个管道截面的平均流速，进而得到通过管道截面的流体流量值[7]。

均速管测速原理图如图2所示。

图2 均速管测速原理图

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[8]。截面选取如图2中截面1-1与2-2所示，可得:

式中：p1、p2分别为截面1-1、2-2的静压，Pa；ρ为空气密度，kg/m3；v1、v2分别为截面1-1、2-2流体的平均流速，m/s；(λa-λ)×(z2-z1)为截面1-1、2-2的位压差，Pa；p1和p2分别为截面1-1、2-2间的压力损失，Pa。

根据稳定不可压缩流体连续性方程，有:

A1v1=A2v2

(1)

式中：A1、A2为截面1-1、2-2的有效通风面积。

(2)

式中：Δp为与均速管连接的差压测量装置所测得的差压，Pa;γ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 ℃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 ℃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

3.3 风量测量系统设计方案

新型均速管测量系统由新型均速管、微差压/压力变送器、铠装热电偶、温度传感器、数据采集处理系统、定时防堵反吹装置组成。均速管测量孔所测得的压力经均值腔平均之后，通过引压管引至差压变送器和压力变送器，再通过数据电缆线将变送器信号传送至数据采集处理系统；通过PC对该信号进行连续实时监测和处理，计算出所测点的烟风流量。

微差压/压力变送器采用的是精度高的罗斯蒙特变送器。铠装热电偶采用热电偶冷端自动补偿技术，从而提高温度测量精度。

定时防堵反吹装置可根据现场的需要设定吹扫时间、压力和间隔时间，定期对均速管和引压管路进行吹扫，防止粉尘堵塞造成测量不准确。吹扫时将自动关闭测量阀门，以保证不影响测量数据。吹扫气源直接引自钢铁厂内的压缩空气，通过过滤器来保证气源清洁、减压阀来控制吹扫压力，从而得到稳定清洁的防堵反吹动力。

3.4 风量测量系统实际测量效果

2011年10月初，该套风量测量系统在钢铁厂烧结余热发电烟风系统中投入使用，经过一个月运行工作，风量测量系统工作平稳正常，测量烟气流量效果理想，达到了预期目标。

测量结果显示，新型均速管所测风量参数与皮托管、热式风速仪所测风量参数十分吻合，满足了工程可接受的测量误差范围和准确度要求。

4 结束语

目前，对于工业工程应用来说，准确测量大型管道气体流量，仍是一个较大的难题。工业大口径管道流量的准确检测对工业技术应用和运行有着重要意义。

新型均速管和风量测量系统充分考虑了烧结烟风系统中管径大、直管段短、烟气含粉尘多和差压低等特点。经过实际应用检测，系统具有良好的准确性和测量效果，解决了烧结余热烟风量无法准确测量的问题。该系统能及时地反映余热风量的变化规律，为烧结余热发电系统的优化设计与运行提供了科学依据，具有良好的应用推广价值。

[1] 王力勇.均速管流量计的现状与发展[J] .航空计测技术,2001,21(4):34-36.

[2] 王益祥,王聿彪,周勇.新型风速测量装置设计[J].自动化仪表,2008,29(3):63-65.

[3] 王飞,官龙腾,张福春,等.数字式时差法超声流量计的设计与实现[J].自动化仪表,2014,35(9):80-83.

[4] 毛新业.火电大管道风量测量系统[J].工业计量,2010,20(6):16-19.

[5] 毛新业.均速管流量计的应用与发展[J].自动化仪表,1996,17(1):2-6.

[6] 刘堒,刘德宇.大型风管道的流量测量系统设计与实践[J].自动化与仪表,2010(6):52-56.

[7] 毛新业,李伟建.大管道气体流量检测仪表[J].电力设备,2008,9(12):8-11.

[8] 张迎春,苏中地,熊玉亭.均速管流量计流量系数的修正方法研究[J].中国计量学院学报,2010,21(1):20-25.

[9] 肖衍党,李晨飞,韩涛.烧结余热发电技术及系统的优化分析[J].烧结球团,2011,36(3):47-53.

DesignandApplicationoftheNewTypeofAnnubarMeasurementSystem

XIAOYandang

(ShanxiGasGroupNewEnergyDevelopmentCo.,Ltd.,Xi’an710016,China)

Themostcommonlyusedgasflowmeasuringdevicesforlarge-scalepipelinesareunabletoaccuratelymeasurethevolumeofsinteringwasteheatfluegas.Formeasuringthesinteringwasteheatairvolume,becauseofthefeaturesoflargediameters,shortstraightsection,containingmoredustandlowdifferentpressure,anewtypeofannularmeasuringsystemhasbeendesigned.Thestructuraldesignandoperationalprincipleofthekeycomponentsaswellasthesystemcompositionaredescribedindetail.Theresultofpracticalapplicationsverifiesthatthemeasurementaccuracyofsystemishighenoughtomeettheengineeringrequirements,itprovidesscientificbasistooptimaldesignandoperationofsinteringwasteheatpowergenerationsystems.

Ultrasonicflowmeter;Electromagneticflowmeter;Annubar;Thermocouple;Flowmeasurement;Wasteheatpowergeneration;Airvolume

肖衍党(1983—)，男，硕士，工程师，主要从事分布式能源和工业节能技术的研究。E-mail：xydjx21@163.com。

TH814;TP

ADOI: 10686/j.cnki.issn1000-0380.201701021

修改稿收到日期:2016-06-30