脫硝系統中常用流量儀表的選型及應用研究

摘""要：在脫硝系統中，流量儀表發揮著重要作用。通過分析流量測量儀表選型的原則及要素，結合脫硝系統中不同介質的流量測量需求，探討了不同類型流量儀表的選型，介紹了各種介質分別適用的流量儀表的測量原理與特點，總結了在實際工程的應用與常見的問題，分析原因并提出解決思路。流量儀表的合理選型及應用，有助于提高脫硝工程的運行效率及環保效益。

關鍵詞：脫硝系統"""流量儀表"""測量原理"""儀表選型

中圖分類號：TM62

Research"on"the"Selection"and"Application"of"Commonly"Used"Flow"Meters"in"Denitration"Systems

WANG"Jing""GAO"Wei

Dongfang"Boiler"Co.，"Ltd.，"Dongfang"Electric"Corporation，"Chengdu，"Sichuan"Province，"611731"China

Abstract："Flow"meters"play"an"important"role"in"denitration"systems."By"analyzing"the"principles"and"elements"of"flow"measurement"instrument"selection，"combined"with"the"flow"measurement"requirements"of"different"media"in"denitration"systems，"this"papernbsp;explores"the"selection"of"different"types"of"flow"instruments，"introduces"the"measurement"principles"and"characteristics"of"flow"instruments"applicable"for"various"media，"summarizes"their"application"and"common"problems"in"practical"projects，"analyzes"the"reasons，"and"proposes"solutions."The"reasonable"selection"andnbsp;application"of"flow"meters"can"help"improve"the"operational"efficiency"and"environmental"benefits"of"denitration"projects.

Key"Words："Denitration"system;"Flow"meter;"Measuring"principle;"Instrument"selection

在工業系統中，流量參數占據著至關重要的地位，它不僅是關鍵的過程參數，還是精確控制的核心變量。例如：脫硝系統氨流量的精準控制，直接關乎整個工藝系統的穩定運行與高效性能。流量測量的復雜性、其原理的多樣性要求我們在選擇和使用流量測量儀表時，必須深入考量測量介質的特性、實際工況條件、性能要求、儀表使用的環境以及經濟性與維護。

1""脫硝系統中流量測量儀表選型

在脫硝工藝系統中，流量測量儀表的選型是一個至關重要的環節，選型時需充分考慮、綜合選擇。

首先，明確被測介質，包括其溫度、壓力、密度、黏度、腐蝕性、導電性等物理和化學特性，當介質溫度高的必須選擇高溫型儀表，腐蝕性介質需選擇耐腐蝕的儀表。其次，了解工況條件，如流體的流動狀態、是否有氣泡、固體顆粒或雜質，是否存在脈動流和振動等。脈動流和振動可能對某些類型的儀表的測量結果產生影響[1]。再次，對儀表進行性能評估和精度分析也必不可少，不同場景對流量儀表的精確度、重復性、線性度、范圍、壓力損失和響應時間等有不同的要求。此外，需要考慮儀表的安裝位置、空間限制、電磁干擾情況，以及是否需要防爆等，保證儀表能夠在實際應用中穩定、可靠地運行。最后，在選型過程中還需要綜合考慮經濟性和維護便利性。包括儀表的購置成本、安裝成本、運行成本和維護成本等，同時，還需要考慮儀表的使用壽命、可靠性以及后續維護的便利性等因素。

脫硝系統中煙氣部分、稀釋風部分、尿素溶液部分、計量分配部分等幾個部分都會有流量測量。主要用到的流量儀表有差壓式流量計、電磁流量計、質量流量計等。

2""脫硝系統中流量儀表的原理及應用

2.1""稀釋風流量測量

稀釋風的主要作用是將還原劑氨稀釋到一定的比例，以確保氨氣濃度低于其爆炸下限，從而避免在煙道內發生爆炸，保證系統的安全、穩定運行。差壓式流量計結構簡單、安裝方便、適用范圍廣、成本低等特點，在該系統中得到了廣泛的運用。

2.1.1""孔板流量計

孔板流量計主要基于伯努利定理和流體連續性方程，通過測量流體在孔板前后產生的壓力差來間接確定流體的流量。稀釋風在管道中流動，當流經孔板時，由于孔板的阻礙作用，流體速度在孔板處增加，同時壓力降低，差壓變送器通過前后取樣管測量流體在孔板前后的靜壓，得到上下游的壓力差（ΔP）。根據伯努利定理和流體連續性方程，流量計算單元將測量到的壓力差（ΔP）轉化為流量值。

由于稀釋風為氣體，其密度受溫度和壓力的影響顯著，為了確保測量結果的準確性，須將稀釋風的溫度和壓力引入流量轉換中去，也就是在測量孔板差壓時，同時測量出稀釋風的壓力與溫度，將其引入流量轉換公式中進行溫壓補償，提高測量精度，減少溫度和壓力變化而引起的測量誤差。

孔板流量計雖然結構簡單、安裝方便、便于維護，但要求流量計前需要10倍管道直徑，流量計后需要5倍管道直徑的直管段[2]，在工程實際中往往無法嚴格滿足安裝位置的要求。此外，由于孔板流量計的特性，其對稀釋風系統會產生較大的壓力損失，進而可能會造成風機選型的變化，使整個系統的成本增加。對于道管口徑大于DN300的稀釋風系統，孔板本身的成本也會有較大的增加。

2.1.2""插入式橫截面流量計

在稀釋風的含塵量不高、稀釋風管道直徑較大（一般大于DN300）、對稀釋風系統壓力損失較高、稀釋風管道無足夠直管段的項目，孔板流量計就不太適用。需要選擇壓損小、安裝時對前后直管道段要求不高的經濟適用的流量計。

插入式橫截面流量計是一種基于速度面積法原理而設計的流量測量裝置。它將測量流速的截面分割為許多小單元，總的流量就等于流過所有小單元面積流量之和，當單元面積分割得愈多，所測的流量愈準確。測量裝置的主要形式有矩形管道插入式和圓形管道插入式。它的安裝不需要嚴格的直管段，只要有250～300"mm長的安裝位置即可。插入式橫截面流量計流出系數穩定，無須標定，減少了維護成本和復雜性。相較于孔板流量計，插入式橫截面流量計的最大優勢是體積小巧，便于安裝，測量裝置的壓力損失較小，測量精度也較高。

在稀釋風系統中多采用圓形管道插入式橫截面流量計，它可以降低稀釋風系統1"000～2"000"Pa壓力損失，提高風機的效率，在稀釋風機設計選型時最少可以降低1"000"Pa的壓頭。實際工程中，在某些余熱爐項目中高溫升壓風機選型時，采用插入式橫截面流量計可降低壓損，避免了風機選型時的跳檔，降低了風機的投資成本，同時也減少了運行電耗，達到了節能效果。

插入式橫截面流量計在安裝時應避開渦流和湍流處，導管應垂直或傾斜敷設，避免水平敷設以減少積液和堵塞的風險；流量計需設置反吹裝置，防止灰塵對流量計的堵塞。另外，設計時通常需要考慮溫度與壓力測量裝置，對流量數據進行補償，以獲得更加真實的流量數據。

2.2""計量分配系統流量測量

脫硝系統常用到的還原劑有液氨、氨水、尿素溶液、尿素水解產品氣。還原劑經計量分配模塊進行調節參與對氮氧化物的脫除。計量分配模塊根據不同的還原劑介質選擇不同的流量測量裝置。通常，尿素與氨水采用電磁流量計，水解產品氣采用科里奧利質量流量計。

2.2.1""電磁流量計

在氨水熱解系統和尿素熱解系統中，氨水和尿素溶液都是導電良好的液體，輸送的管道一般都DN50以下，在系統中氨水或尿素溶液的流量都會根據反應器出口NOX含量進行調節，對精度和穩定性要求都較高，通常采用電磁流量計。

電磁流量計的工作原理基于法拉第電磁感應定律，當導體（液體）穿過磁場時，會在導體內感應出電動勢，其大小與液體的流速成正比，檢測線圈測量這個電動勢的大小，并將其轉化為液體的流速信息，進而計算出流量。電磁流量計主要由磁路系統、測量導管、電極、外殼、襯里和轉換器等部分組成。其中，電極用于檢測導電液體的感應電動勢，外殼用于保護電磁傳感器內部的元件，襯里則用于防止被測介質對測量管壁的腐蝕和磨損。

電磁流量計的測量及精度不受流體密度、黏度、溫壓等因素影響，對導電液體的測量精度高，能夠適用于腐蝕和高溫的液體，對系統不會造成壓力損失，結構簡單，可靠性高，維護方便，并且使用壽命長。

脫硝系統中電磁流量計的使用需要考慮被測介質的腐蝕性、溫度、壓力、流速等因素，并根據實際情況選擇合適的材質、口徑和型號。當測量介質為氨水，或流量計安裝在有氨的環境中流量計需選用防爆型。電磁流量計應避免如大電機、大變壓器等具有強磁場的環境，以防強磁場對電磁流量計的測量造成影響，電磁流量計在使用過程中應良好接地以減少外界電磁干擾對測量的影響，對于易受干擾的環境時，可采取屏蔽措施提高測量的穩定性[3]。

2.2.2""質量流量計

脫硝尿素水解制氨工藝中，水解產品氣的流量測量既是控制需要，也是計量需要，常采用科里奧利質量流量計，它依據的是牛頓第二定律。當流體在振動管中流動時，將產生與質量流量成正比的科里奧利力。該力會導致管道入口段和出口段在振動的時間上出現差異，即相位時間差。這種差異與流過管子的流體質量流量的大小成正比。通過電路檢測這種時間差異的大小，就可以確定質量流量的大小。科里奧利質量流量計具有很高的測量精確度，能夠直接測量質量流量，減少了因密度變化而引起的誤差，除了測量質量流量外，還可以同時測量密度，并由此派生出測量溶液中溶質所含的濃度，根據這一特點，質量流量計也常用于尿素溶液置中的尿素溶液密度的測量。雖然它的功能是測量質量流量，但它通常也集成了溫度傳感器，用于實時監測流體的溫度。

在脫硝系統計量分配系統中采用科力奧利質量流量計測量水解產品氣時，需要防止管道振動和現場脈動對測量產生影響，當出現共振對測量結果造成影響時，可以采取減振措施，如使用減振支架或設置振動衰減器[4]。安裝時應按廠家的資料按介質流向和傳感器方位正確安裝。科力奧利質量流量計結構復雜，初期投入成本較高，不能為了降低成本而大幅度地對管道進行縮徑，增加管道阻力，造成出口的流量無法滿足設計流量，從而造成損失。科力奧利質量流量計主要用于測量介質質量流量，但它也具備測量水解產氣的密度、溫度和壓力。在調試時還可能通過就地顯示屏檢測溫度、壓力、密度等參數，在總線系統的項目中，系統設計時可以省去產品氣管道上的壓力和溫度測點，就地可以通過顯示器進行監測，DCS只需要通過總線就可以將流量計中的所有參數全部讀取至DCS系統實現顯示、記錄和控制，降低系統成本。

2.3""煙氣流量測量

SCR的原理是利用還原劑與煙氣中的NOX在催化劑作用下反應生成N2和H2O，從而實現脫硝。因此，實時、準確地測量煙氣流量是確保脫硝效果、避免還原劑浪費以及滿足環保要求的關鍵。脫硝系統煙氣流量測量主要基于流體力學和熱力學原理，通過測量煙道內煙氣的流速、溫度、壓力等參數，結合煙道截面積，計算出煙氣流量。常用的測量原理包括差壓式、熱質式等。

2.3.1""皮托管流量計

皮托管流量計是工程中最常見的差壓原理的煙氣流量計，是一種測量氣流總壓和?靜壓以確定氣流速度的管狀裝置。在皮托管頭部迎流方向開有一個小孔稱為總壓孔，在該處形成“駐點”，在距頭部一定距離處開有若干垂直于流體流向的靜壓孔。各靜壓孔所測靜壓在均壓室均壓后輸出，由于流體的總壓和靜壓之差與被測流體的流速有確定的數值關系，因此可以用皮托管測得流體流速從而計算出被測流量的大小[5]。

皮托管具有壓損小、成本低、體積小、便于安裝和測量等優點，也可適用于中、大管徑管道的流量測量，可測量任意點的流體流速和流速分布。皮托管應放置在流體的均勻流段，避免放在有渦流、回流或流速不均勻的區域。測量點的上下游應有足夠的直管段距離，通常建議至少不低于8～12倍管道直徑的長度，以確保流體流動的穩定性和測量的準確性。在脫硝系統中，由于煙道的直段的無法滿足皮托管流量計安裝直管段的要求，因此皮托管流量計所測得的流量與實際的流偏差較大，僅反應煙氣的流量趨勢。

2.3.2""矩陣式煙氣流量計

?脫硝系統由于安裝位置的局限性與建設成本，其煙道不可能為流量測量設置足夠的直管段用于流量測量，矩陣式煙氣流量大幅度縮小了前后直管段要求，提高流量測量的準確性和穩定性。矩陣式煙氣流量計的測量原理是通過在煙道截面上多個位置安裝傳感器，?構成一個測量矩陣，?同時獲取多個點的風速數據，?通過數據處理后計算出整個截面的平均風速及總風量。??這種設計使得測量結果更為準確，?即使在風速分布不均勻的情況下也能得到準確的風量數據。?矩陣式風量測量裝置采用多點測量技術，?通過在風道截面上布置多個傳感器，?這些傳感器能夠同時獲取多個點的風速數據。?通過對這些數據進行處理，?可以計算出整個截面的平均風速和總風量。?這種測量方法相比傳統的單點測量技術，?能夠提供更準確的測量結果，?特別是在風速分布不均勻的情況下，?也能得到較為準確的風量數據。當管道中有氣體流動時，迎風側受到氣流的沖擊，氣流的動能轉化為壓力能。管道迎風側的壓力很高，其壓力稱為“總壓”或者“動壓”。由于背風面不受氣流的影響，因此其在管道中的壓力很低，其壓力稱為“靜壓”，總壓與靜壓之差稱為壓差。壓差的大小與管道中的風速成線性關系。風速越大，壓差越大；風速越小，壓差越小[6]。

在工程應用中，矩陣式流量計具有測量精度高、穩定性好等優點。矩陣流量計由于結構復雜、取樣組件較多，所以安裝較為復雜，成本相對較高。矩陣流量計是基于差壓原理測量，它在小于一定流速的工況下無法準確測量，選型時應考慮煙氣的實際流速范圍。

2.3.3""熱式質量流量計

熱式質量流量計是利用流體流過外熱源加熱的管道時產生的溫度場變化來測量流體質量流量，或利用加熱流體時流體溫度上升某一值所需的能量與流體質量之間的關系來測量流體質量流量的一種流量儀表。通過兩只帶有保護套管的鉑熱電阻（RTD）作為基本的測量元件，其中一只RTD"作為參考端，測量當前的介質溫度；另一只RTD上伴有一只獨立的加熱器（加熱功率恒定），作為測量端。當傳感器置于無流量的介質中時，由于加熱器的作用將在兩只RTD"間將形成一個溫度差值（△T）。隨著介質的流動，基于熱傳導原理，介質分子將帶走測量端RTD"上的部分熱量，而參考端RTD"的溫度將保持不變，因此兩只RTD間的溫差將減小。溫差的變化與介質的流量及介質本身的熱特性有關，較高的流速或密度較大的介質將加快兩RTD"間溫差的變化。

式（1）中：m為氣體質量流量，即；H為補償功率；Cp為定壓比熱容（氣體不同數值不同）；ΔT為兩探頭間的溫差。

熱式質量流量計能夠適應煙道大截面，而且組成簡單、安裝便捷[7]。但存在響應較慢、測量煙氣時容易堵塞的缺點。

3""結語

本文介紹了脫硝工程中常見介質的流量測量儀表，闡述了其原理及在實際工程中的應用，探討了應用中的特點及常見問題。在實際工程中選擇流量儀表時，需要充分考慮工藝介質、流體特性、流量范圍、安裝要求、儀表應用場景及經濟成本等因素，對于一些腐蝕性環境或者易燃易爆等危險場合，還需要選擇具備防腐蝕及隔爆功能的儀表。總之，不同類型的流量儀表各有優勢和適用場景，應根據具體的應用需求合理選型以確保儀表的長期、穩定、高效運行。?

參考文獻

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