煙氣脫硫流量計(jì) 全截面矩陣系統(tǒng)
摘要：脫硫工程中煙氣流量測(cè)量的技術(shù)難點(diǎn)及解決方案, 以及全截面矩陣式煙氣流量計(jì)在白音華金山電廠脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用及效果。
1、概述：
隨著對(duì)節(jié)能減排及總量排放的要求越來(lái)越高, 環(huán)保部門對(duì)各電力企業(yè)的脫硫煙氣排放量的流量測(cè)量準(zhǔn)確性越來(lái)越重視。針對(duì)畢托管、熱式流量計(jì)、巴類等傳統(tǒng)的流量測(cè)量裝置對(duì)安裝環(huán)境要求高、測(cè)量偏差較大等問(wèn)題也發(fā)放了有關(guān)文件。
經(jīng)過(guò)充分的調(diào)研和論證分析, 針對(duì)內(nèi)蒙古白音華金山電廠脫硫工況的實(shí)際情況, 在脫硫系統(tǒng)的凈煙氣流量測(cè)量裝置上采用了全截面矩陣式煙氣流量計(jì), 得到了滿意的效果。
2、脫硫煙氣流量測(cè)量的主要技術(shù)難點(diǎn)：
脫硫煙氣裝置測(cè)量的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
2.1、脫硫煙氣管道的管徑大、速度不均問(wèn)題：
現(xiàn)有的差壓式的流量測(cè)量裝置的計(jì)算模型都是Q=V*S. (Q為流量, V為速度, S代表管道截面) , 但是管道內(nèi)部的速度場(chǎng)分布很不均勻 (尤其是大尺寸管道) , 截面的不同位置速度差別很大, 所以取壓點(diǎn)位置的選擇決定管道流量測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。為獲得準(zhǔn)確可靠的管道流量測(cè)量結(jié)果, 這就要求取壓點(diǎn)不應(yīng)是截面的某一個(gè)點(diǎn)而是在全截面上布置具有代表性的多個(gè)取壓點(diǎn)。白音華金山電廠原采用的測(cè)量裝置為單取壓點(diǎn)的畢托管測(cè)量裝置, 無(wú)法滿足大管徑管道煙氣流量測(cè)量的要求。
2.2、脫硫裝置前后直管道長(zhǎng)度難以滿足測(cè)量要求問(wèn)題：
從節(jié)約和工藝的要求上一般脫硫裝置前后都很少有較長(zhǎng)的直管段, 只要比較順利地連通管道就行;而在這有限的直管段中, 又要設(shè)置必須的管道附件, 如煙氣擋板, 膨脹節(jié)、三通等;這就使得煙氣的流場(chǎng)非常錯(cuò)亂。而傳統(tǒng)煙氣流量測(cè)量裝置需要直管段長(zhǎng)度必須不低于前四后二 (取壓點(diǎn)前后直管段長(zhǎng)度分別不小于4倍和2倍管道橫截面當(dāng)量直徑) , 才能保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。白音華金山電廠脫硫煙氣管道尺寸是10m×7m, 當(dāng)量直徑是8.2m (2AB/ (A+B) ) , 為保證準(zhǔn)確性應(yīng)有49.2m左右的直管段, 現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法滿足實(shí)際測(cè)量需求。
2.3、測(cè)量裝置的堵塞問(wèn)題：
和鍋爐的一、二次風(fēng)風(fēng)量測(cè)量裝置產(chǎn)生堵塞的情況相比, 脫硫煙氣測(cè)量裝置的堵塞更為嚴(yán)重而難以解決;造成一、二次風(fēng)測(cè)風(fēng)裝置的堵塞的是空氣中干燥的灰塵, 而脫硫煙氣在經(jīng)過(guò)脫硫裝置后 (無(wú)論是否有GGH) , 煙氣中已攜帶大量水分, 煙氣顆粒物以灰漿形式積存在測(cè)量裝置上, 簡(jiǎn)單地說(shuō)一、二次風(fēng)的測(cè)量的是氣、固兩相流, 而脫硫煙氣測(cè)量的是氣、固、液三相混合流, 運(yùn)行工況更復(fù)雜, 堵塞更嚴(yán)重。為保證測(cè)量裝置正常運(yùn)行, 必須解決裝置堵塞問(wèn)題, 否則一旦出現(xiàn)堵塞, 必然影響測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性, 甚至無(wú)差壓輸出, 即使采用壓縮空氣吹掃也難以徹底解決。
2.4、測(cè)量裝置的腐蝕問(wèn)題：
煙氣在脫硫過(guò)程中會(huì)使用具有腐蝕性的脫硫劑, 同時(shí)煙氣中的硫化物也會(huì)部分溶解在脫硫煙氣攜帶的水分中, 具有很強(qiáng)的腐蝕性, 煙氣測(cè)量裝置長(zhǎng)期處在腐蝕性環(huán)境中運(yùn)行, 必然產(chǎn)生腐蝕。
3、全截面矩陣式煙氣流量測(cè)量裝置的原理及特點(diǎn)：
3.1、測(cè)量裝置的原理：
測(cè)量裝置是基于靠背管原理, 測(cè)量裝置的取壓管設(shè)置在煙氣管道內(nèi), 煙氣在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí), 迎風(fēng)面取壓管受到氣流沖擊而產(chǎn)生壓力能, 管道壓力較高, 其壓力稱為“全壓”;背風(fēng)面取壓管不受氣流沖擊, 管道壓力為煙氣管道內(nèi)靜壓力, 其壓力稱為“靜壓”。全壓與靜壓之差稱為差壓, 差壓的大小與管道內(nèi)介質(zhì)流速 (量) 有關(guān), 流速 (量) 越大, 差壓越大;反之, 差壓越小。測(cè)量裝置通過(guò)測(cè)量差壓大小, 再由相關(guān)模型計(jì)算公式輸出煙氣管道內(nèi)流速 (量) 。
3.2、自清灰防堵塞裝置—解決裝置堵塞的問(wèn)題：
針對(duì)脫硫煙氣易堵塞情況, 測(cè)量裝置上增設(shè)自清灰防堵塞裝置, 即在取壓管垂直管道內(nèi)設(shè)置有自清灰棒, 在氣流沖擊下自清灰棒無(wú)規(guī)則擺動(dòng)并與取壓管壁撞擊將其上附著的灰塵清掃下來(lái), 實(shí)現(xiàn)自清灰作用。
3.3、全截面取壓點(diǎn)的矩陣式分布—解決直管段不滿足和管道附件多的問(wèn)題：
脫硫煙氣風(fēng)道尺寸較大、直管段長(zhǎng)度不同, 造成風(fēng)道橫截面不同位置風(fēng)速不同, 因此一個(gè)取樣點(diǎn)的傳統(tǒng)測(cè)量裝置是無(wú)法獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。為解決這一問(wèn)題, 全截面矩陣式煙氣測(cè)量裝置提出了采用矩陣式多點(diǎn)設(shè)置取壓點(diǎn)的測(cè)量方式, 即根據(jù)風(fēng)道尺寸大小將整個(gè)風(fēng)道橫截面劃分成多個(gè)取壓區(qū)域, 每個(gè)區(qū)域設(shè)置1個(gè)取壓點(diǎn), 這些取壓點(diǎn)的所有迎風(fēng)面取壓管相連, 背風(fēng)面取壓管相連, 并各自引出一根總引壓管, 總引壓管 (全壓、靜壓) 中的壓力為橫截面各取壓區(qū)域的平均壓力, 通過(guò)模型計(jì)算公式輸出煙氣管道內(nèi)平均流速 (量) 。該測(cè)量裝置充分考慮了橫截面不同位置風(fēng)速變化對(duì)壓力 (流量) 的影響, 對(duì)直管段長(zhǎng)度不作硬性要求, 也不需要設(shè)置煙氣擋板等附件。
全截面矩陣式取壓點(diǎn)布置示意圖如圖1:
圖1 全截面矩陣式取壓點(diǎn)布置示意圖 (圖中“O”表示取壓點(diǎn))
4、脫硫煙氣測(cè)量裝置的功能優(yōu)點(diǎn)：
(1) 徹底解決了脫硫含塵煙氣風(fēng)速、風(fēng)量測(cè)量裝置堵塞問(wèn)題, 全截面矩陣式煙氣測(cè)量裝置利用流體本身動(dòng)能推動(dòng)清灰棒自動(dòng)清灰, 不需要外加氣體吹掃, 免停機(jī)維護(hù), 可以做到長(zhǎng)期免維護(hù)穩(wěn)定運(yùn)行。
(2) 全截面矩陣式煙氣測(cè)量裝置采用設(shè)置多點(diǎn)取壓方式, 獲得流道內(nèi)流體的平均流速 (量) , 其測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。
(3) 全截面矩陣式煙氣測(cè)量裝置可采用垂直或水平布置方式, 對(duì)測(cè)量點(diǎn)前后直管道長(zhǎng)度沒(méi)有過(guò)多要求, 一般滿足直管段長(zhǎng)度不小于管道當(dāng)量直徑即可, 其安裝方式靈活, 可以適用不同尺寸流道測(cè)量要求。
(4) 全截面矩陣式煙氣測(cè)量裝置取壓管道安裝在風(fēng)道內(nèi)部, 其擋風(fēng)面積相對(duì)整個(gè)風(fēng)道尺寸可以忽略, 對(duì)風(fēng)道流體壓力損失幾乎沒(méi)有。
(5) 耐腐蝕—全截面矩陣式煙氣測(cè)量裝置采用316L為材質(zhì), 可保證在機(jī)組1~2個(gè)大修期內(nèi)不被腐蝕。
5、白音華金山發(fā)電廠脫硫煙氣流量測(cè)量裝置的選型、安裝：
5.1、流量測(cè)量裝置的選型:YC-J-B-4型流量計(jì)：
根據(jù)現(xiàn)有資料及廠家的工程經(jīng)驗(yàn), 擬在原煙氣測(cè)量裝置位置進(jìn)行改造, 全截面矩陣式取壓裝置布置示意圖如圖2:
圖2 全截面矩陣式取壓裝置布置示意圖
5.2、風(fēng)量計(jì)算模型：
式中: Q—被測(cè)氣體容積流量 (單個(gè)部分測(cè)量裝置) , 單位m3/h;
GZ—被測(cè)氣體質(zhì)量流量, 單位t/h;
GB—被測(cè)氣體折算到標(biāo)準(zhǔn)狀況 (0℃, 273K) 下的流量, 單位Nm3/h;
K—風(fēng)量裝置流量系數(shù);
A—風(fēng)道面積, 單位m2。
5.3、流量測(cè)量裝置的安裝：
脫硫煙氣流量測(cè)量裝置需要2只支架, 支架采用8#槽鋼, 兩端固定在管道壁上, 主要有以下幾點(diǎn)要求:
(1) 支架的兩端固定在管道壁上, 需采用焊接, 位置準(zhǔn)確、牢固。完工后采用和原管道相同的防腐措施進(jìn)行防腐 (防腐包括支架本身) 。
(2) 測(cè)量裝置和支架接觸的地方采用不銹鋼焊條焊接。完工后對(duì)支架采用和原管道相同的防腐措施進(jìn)行防腐。
(3) 總引壓管的引出可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況靈活布置, 以求方便就行?？傄龎汗芎蜏y(cè)量裝置材質(zhì)相同。
6、改造后的效果：
工程改造投運(yùn)后, 經(jīng)過(guò)機(jī)組各種負(fù)荷的變化驗(yàn)證, 調(diào)節(jié)線性跟蹤良好, 煙氣流量與機(jī)組負(fù)荷變化關(guān)系曲線如圖3:
圖3 煙氣流量與機(jī)組負(fù)荷變化曲線
一、煙氣流量計(jì)概述
煙氣是氣體和煙塵的混合物，煙氣的成分很復(fù)雜，氣體中包括 水蒸汽、SO2 、N2、O2、 CO 、 CO2 碳?xì)浠衔镆约暗趸衔锏?，煙塵包括燃料的灰分、煤粒、油滴以及高溫裂解產(chǎn)物等。因此煙氣對(duì)環(huán)境的污染是多種毒物的復(fù)合污染。煙塵對(duì)人體的危害性與顆粒的大小有關(guān)，對(duì)人體產(chǎn)生危害的多是直徑小于 10 微米的飄塵，尤其以 1-2.5 微米的飄塵危害性zui大。
二、傳感器選型
根據(jù)介質(zhì)中有粉塵及工況條件選用產(chǎn)品BTB-B2系列畢托巴可疏通型傳感器,傳感器材質(zhì)為316L(暫定)，防腐、耐磨。該流量測(cè)量裝置傳感器在測(cè)量含煙氣時(shí)采用垂直向下安裝，畢托巴流量計(jì)采取豎直向下安裝可以有效的防止煙氣的雜質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間粘附在傳感器上起到良好防堵效果，準(zhǔn)確的提取實(shí)時(shí)差壓信號(hào)。傳感器和差壓變送器、溫度計(jì)、壓力變送器一體化連接只需在管道上開(kāi)一個(gè)45mm孔就能實(shí)現(xiàn)按裝。溫度計(jì)測(cè)量溫度對(duì)流量進(jìn)行溫度補(bǔ)償，壓力變送器測(cè)量介質(zhì)壓力對(duì)流量進(jìn)行壓力補(bǔ)償。
三、原理
防堵型畢托巴傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要部件加工精度高，每臺(tái)產(chǎn)品都在實(shí)驗(yàn)室高精度標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞上進(jìn)行吹風(fēng)標(biāo)定，并把標(biāo)定結(jié)果作成數(shù)據(jù)庫(kù)存入單片機(jī)程序中，且一次元件安裝簡(jiǎn)便，維護(hù)量小，安裝時(shí)只需在介質(zhì)管道上打一個(gè)Φ45mm左右的小孔，便可直接與畢托巴傳感器的連接座焊接，尤其是對(duì)大口徑管道的測(cè)量比渦街、孔板等節(jié)流流量計(jì)測(cè)量?jī)?yōu)越性更為突出。
畢托巴是采用皮托管原理提取流體流速（全壓-靜壓＝動(dòng)壓）再換算成流體體積流量與質(zhì)量流量的差壓式流量計(jì)。皮托管原理很早就被廣泛應(yīng)用在航天航空業(yè)中。如：飛機(jī)風(fēng)洞的測(cè)試和檢測(cè)、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)氣體動(dòng)力測(cè)試、飛機(jī)飛行速度的測(cè)速桿等。
防堵型畢托巴測(cè)量系統(tǒng)由防堵塞一次測(cè)量傳感器——畢托巴傳感器（無(wú)需清灰，本身具有防堵耐磨性能）、保護(hù)裝置、高精度差壓變送器組成；利用畢托巴傳感器作為流量測(cè)量的傳感器配合高精度差壓變送器測(cè)出差壓，并將差壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20mA DC標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，再引入DCS系統(tǒng)（由我廠提供計(jì)算模型和參數(shù)表），并用數(shù)字顯示出差壓、瞬時(shí)流量、累積流量、速度等參數(shù)。
3.2防堵型流量系統(tǒng)構(gòu)成圖
四、特點(diǎn)
◆ 節(jié)能：由于一次測(cè)量元件智能探針是Φ20mm不銹鋼制成，其截面積很小在介質(zhì)管道中幾乎無(wú)壓力損失，使運(yùn)行成本大大減小，與孔板等節(jié)流裝置相比較具有明顯的節(jié)能效果。是發(fā)改委的第061號(hào)節(jié)能產(chǎn)品。
◆ 耐高溫高壓：一次元件智能探針材質(zhì)選用1Cr18Ni9Ti不銹鋼 ( 根據(jù)不同介質(zhì)選用特種鋼 )，可耐介質(zhì)zui高溫度650℃，介質(zhì)zui高壓力32MPa。
◆ 可靠性高：因探針的構(gòu)造非常簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，導(dǎo)壓管內(nèi)介質(zhì)不流動(dòng)，雜物不容易進(jìn)去，所以能長(zhǎng)時(shí)間保持測(cè)量精度。
◆ 安裝簡(jiǎn)便：只需在管道合適的位置上打一個(gè)相當(dāng)?shù)目?，把一次元件探針插入管道中心，即可方便地進(jìn)行安裝。
◆ 無(wú)需維護(hù)：一次測(cè)量元件探針本身無(wú)需維護(hù)，只需按計(jì)量器具定期檢定要求對(duì)差壓變送器進(jìn)行零點(diǎn)和滿度的校驗(yàn)以及二次表輸入相應(yīng)的電流進(jìn)行校驗(yàn)。
◆ 測(cè)量范圍廣：流量在0.2 t/h～50000 t/h都可以測(cè)量。對(duì)低流速、小流量、大管徑測(cè)量效果尤佳。
◆ 廣泛用于氣體、蒸汽和液體流量測(cè)量。氣體：一次風(fēng)速 ( 量 )、二次風(fēng)速 ( 量 )、( 負(fù)壓 ) 空氣、氧氣、氫氣、干氣、煤氣 ( 轉(zhuǎn)爐煤氣、高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣 )、天然氣、液化氣、煙氣、 化工物料氣等；汽體：過(guò)熱蒸汽、飽和蒸汽、濕蒸汽、雙向蒸汽等；液體：水、不滿管水、輕油、焦油、原油、各種溶液、化工物料液等。
◆ 介質(zhì)管道橫截面形狀適用范圍廣：本流量計(jì)對(duì)介質(zhì)管道截面的幾何形狀無(wú)要求，圓形、橢圓形、方形、長(zhǎng)方形、棱形、三角形、 梯形等均適用。
◆ 不要求直管段：清華大學(xué)幾十年吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)積累了各種工況下彎管段到15倍管徑之間修正系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，只要用戶提供直管段長(zhǎng)度即可，即使在彎管處安裝同樣保證精度。
◆ 配有智能化二次儀表：既可數(shù)顯各項(xiàng)參數(shù)，又可進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，便于集中管理。
五、安裝
1）選擇好位置并開(kāi)孔。
2）畢托巴傳感器在焊接前應(yīng)檢查尺寸和頭部方向，要保證安裝后畢托巴探頭部位于管道中心線上，并且使總壓孔對(duì)正來(lái)流方向。
3）在畢托巴傳感器的總壓和靜壓引出口處各連接一個(gè)一次截止閥，注意將所有管道接頭，一次截止閥等連接件盡可能改成焊接連接，以杜絕漏氣。正常運(yùn)行后，應(yīng)檢查并保證無(wú)泄漏。
4）差壓變送器固定在適當(dāng)?shù)闹Ъ苌?。并根?jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇差壓變送器安裝位置。差壓變送器的兩個(gè)接口應(yīng)布置在同一水平面內(nèi)。
5）管道和焊口應(yīng)徹底清洗，在緊固差壓變送器前，還應(yīng)逐個(gè)打開(kāi)一次截止閥，用空氣清洗導(dǎo)壓管內(nèi)的焊渣和污物。然后將截止閥關(guān)斷。
6）連接好差壓變送器信號(hào)線。
投入運(yùn)行：
將差壓變送器24V直流電源投入。
將兩個(gè)一次截止閥依次打開(kāi)。
安裝示意圖：
7、結(jié)語(yǔ)：
隨著《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》、《燃煤電廠超低排放煙氣治理工程技術(shù)規(guī)范》等文件對(duì)超低排放提出新的要求, 火力發(fā)電廠煙氣排放量的流量測(cè)量準(zhǔn)確性越來(lái)越重要, 對(duì)流量測(cè)量裝置的測(cè)量準(zhǔn)確性、可靠性、高靈敏度、安裝簡(jiǎn)易、運(yùn)行穩(wěn)定、免維護(hù)等要求也會(huì)越來(lái)越受到重視。全截面矩陣式煙氣流量測(cè)量裝置的應(yīng)用前景也會(huì)越來(lái)越廣闊。