多點矩陣測量在環保設施中應用研究

包文運 李鵬飛 沈德魁

摘 要：煙氣流速和煙氣流量屬于環保監測的重要參數，環保部門對電力企業煙氣排放總量的精確測量提出了越來越高的要求。本文介紹了傳統煙氣流速和煙氣流量的監測方法，分析了傳統技術方法存在的問題。同時介紹了矩陣測量裝置的原理和優勢，并對煙氣流速、煙氣流量監測技術的發展進行了展望。

關鍵詞：煙氣流速 煙氣流量 矩陣測量裝置

中圖分類號：F270.7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）03（a）-0000-00

燃煤電廠中，煙氣流速測量的準確性關系到污染物排放量的計算和監測，然而煙氣在煙道內的流動情況十分復雜，煙氣流速分布情況也受到各種因素的影響，煙道截面內煙氣流速分布通常是不均勻的。目前，大部分燃煤電廠中煙氣流速、煙氣流量監測裝備采用的是單點或多點測量技術。由于測點數太少，導致流速、流量測量數據不精確，無法準確反應測量斷面的煙氣流量以及污染物排放情況，給環保部門的監測和執法帶來了諸多障礙與問題，同時也會導致企業無法真實完成減排任務，或者生產過度投放過量藥劑導致資源浪費等一系列問題。

在過去幾年的時間里國內一部分燃煤機組已經安裝了多點矩陣測量裝置，其在應用中相對于傳統的測量方法有了很大的改進，同時隨著差壓變送器以及微電子技術和計算機技術的飛躍發展，極大的提高了其測量精度。多點矩陣測量技術可以讓差壓流量計可以準確應用于大截面流量的測量，因此極大的提高了大截面煙道流速的測量準確度。

1 傳統煙氣流速、流量測量裝備

目前，國內外大型煙道的煙氣流量測量主要采用以下方法：

1.1 S型皮托管

S型皮托管流速測量技術是一種傳統的氣體流速測量技術。裝置由兩根管子組成，在測量端，兩根管子的頭部開有大小相等方向相反的開口，朝向氣流來流方向的開口測量的是氣流的全壓，背向氣流來流方向的開口測量的為氣流的靜壓。根據全壓和靜壓的壓差，計算出測量點的煙氣流速情況。S型皮托管由于結構限制，只能測量煙道內某一點的煙氣流速。同時由于煙道中煙氣含有大量飛灰及腐蝕性氣體，測量取樣環境較差，容易出現堵塞等問題，影響測量精度。

1.2 熱線（熱球）式風速儀

熱線（熱球）式風速儀原理是，將一根通電加熱的細金屬絲（稱熱線）置于氣流中，熱線在氣流中的散熱量與流速有關，而散熱量導致熱線溫度變化而引起電阻變化，流速信號即轉變成電信號。儀器根據根據探頭結構分為熱線和熱球兩種形式。熱線（熱球）式風速儀常溫下在較清潔的空氣中使用，在高溫的煙道中使用時，氣體溫度與導熱率均與環境空氣不同，必須用皮托管在相同條件下標定后方可使用。

1.3 阿牛巴管

阿牛巴管法是S型皮托管法的變形，它是通過管道的平均流速及管道的有效截面積的乘積來確定流量。為了準確計量，將整個圓截面分面多個單元面積相等的多個半圓及多個半環。傳感器的檢測桿是由一根中空的金屬管組成，迎流面鉆多對總壓孔，它們分別處于各單元面積的中央，分別反應了各單元面積內的流速大小。由于各總壓孔是相通的，傳至檢測桿中的各點總壓值平均后，由總壓引出管引至高壓接頭，送到傳感器的正壓室。當傳感器正確安裝在有足夠長的直管段的工藝管道上時，流量截面上應沒有旋渦，整個截面的靜壓可認為是常數，在傳感器的背面或側面設有檢測孔，代表了整個截面的靜壓。經靜壓引出管由低壓接頭引至傳感器的負壓室。正、負壓室壓差的平方與流量截面的平均流速成正比，叢而獲得差壓與流量成正比的關系。阿巴牛管安裝在煙道中，測量的為一條直徑線上煙氣的平均流速，也不能代表整個監測截面的流速情況。

2 矩陣測量裝置

針對傳統流速測量裝備在監測大截面、高灰環境煙道截面時產生的數據不精確難題，采用在煙道截面上平均等分多點測量，將各個測量點的結果取平均的方法，逐漸開發出相關的矩陣式流速測量裝備。

結合待測截面的煙道尺寸以及測點前后直管段長度等因素，確定待測截面測點分布情況，然后將矩陣布置的測點通過管路連接起來，正壓側與正壓側相連，負壓側與負壓側相連，正、負壓側個引出一根總的引壓管，分別于差壓變速器相連，形成一套自動獲取被測截面平均全壓和平均靜壓的裝置。利用全壓和靜壓之間的壓差關系，準確的計算出截面平均風速。該套裝備的流速計算模型為：

式中：

—矩陣測速裝置流速系數

—矩陣測速裝置輸出壓差，單位

—被測煙氣溫度，單位

—當地大氣壓，單位

—被測煙道內壓力，單位

被測截面流量計算公式為：

式中：

—被測煙道截面面積，單位

多點矩陣測量裝置在取壓管外層噴涂耐磨涂料，可以有效減輕裝置在煙道內的磨損問題。同時，為了解決高灰環境的堵塞問題，裝置通常配備有自清灰裝置，即在垂直段內懸掛了自清灰棒，該棒在管內氣流的沖擊下作無規則擺動，起到自清灰作用。

矩陣測量裝置的安裝解決了以下幾個方面的問題：

1）有效解決了含塵氣流流速、流量測量裝置的信號堵塞問題，裝置本身具有利用氣流動能進行自清灰防堵塞的功能，不需要外加壓縮氣體進行吹掃，無論氣體含塵濃度多大，完全可以做到長期運行免維護。

2）矩陣插入式風量測量裝置性能穩定，調節線性好。

3）由于風道截面大，流速在截面上容易分布不均勻，為了確保測量精度，可以將多個風量測量探頭進行等截面多點布置，然后將各測量裝置的正壓與正壓、負壓與負壓相互連接，最終引出一組信號到變送器，這樣的組合風量測量裝置對風道的直管段沒有太多要求，一般只要求直管段長度不小于管道的當量直徑即可。

4）裝置采用插入式布置，對于整個大風道來說，組合風量測量裝置的擋風面積幾乎可以忽略不計，因此，其對整個風道流體的壓力損失幾乎沒有，節能效果十分顯著。

5）矩陣測量裝置采用316L為材質，可保證1-2個大修期內不被腐蝕.

3 結論與展望

1）相比傳統的煙氣流速監測手段，矩陣測量裝置可以明顯改善單個測點測量或多個測點測量中出現的大偏差問題，測量結果可以有效代表整個監測斷面的流速、流量情況，從而能夠保障污染物的排放量監測的真實性和準確性。因此矩陣測量裝置存在明顯的優勢，會逐步取代傳統流速、流量監測方式。

2）基于皮托管原理的矩陣測量裝置能夠有效監測待測截面的平均煙氣流速情況，但對于特殊煙道截面，需要實時獲取區域流速分布情況。例如在SCR催化劑前截面，需要通過獲取區域的流速分布情況，有效的分析區域的NH3和NOx通量，指導合理的噴氨。此時，采用基于皮托管原理的矩陣測量裝置不能滿足使用要求。未來需要發展能夠準確監測整個被測截面流速分布情況的測量技術，實時提供被測截面的流速分布云圖。

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