陳緗雯

（中國石化集團(tuán)上海工程有限公司，上海 200120）

1 前言

AM氣體流量計(jì)的探頭有效地解決了堵塞問題，流量計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)更提高了測量精度與準(zhǔn)確性，并在節(jié)能減排上作出了重大的貢獻(xiàn)。

2 概述

阿牛巴流量計(jì)(又稱笛形均速管流量計(jì))是根據(jù)皮托管測速原理發(fā)展起來的一種新型差壓流量檢測元件，它輸出為差壓信號(hào)，與測量差壓的儀器儀表配套使用，可準(zhǔn)確測量圓形管道、矩形管道中的多種液體、氣體和蒸汽(過熱蒸汽和飽和蒸汽)的流量。在動(dòng)力工業(yè)(包括核工業(yè))、化學(xué)工業(yè)、石油和金屬冶煉等工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。特別適用于各種方管或圓形管道的流體流量測量和要求直管段長度較短的大管徑流體的大流量測量，在風(fēng)量測量中運(yùn)用更為廣泛。

3 阿牛巴的測量原理

阿牛巴流量傳感器，由其結(jié)構(gòu)示意圖所知，它是一根沿直徑插入管道中的中空金屬桿，在迎向流體流動(dòng)方向有成對(duì)的測壓孔，一般說來是兩對(duì)，但也有一對(duì)或多對(duì)的，其外形似笛。迎流面的多點(diǎn)測壓孔測量的是總壓，與全壓管相連通，引出平均全壓p1，背流面的中心處一般開有一只孔，與靜壓管相通，引出靜壓p2。均速管利用測量流體的全壓與靜壓之差Δp測量流速。根據(jù)經(jīng)典的伯努利方程，均速管的輸出差壓（Δp）和流體平均速度（v）的關(guān)系可表示為：

圖1 阿牛巴流量計(jì)結(jié)構(gòu)

圖2 測量原理圖

式中：Δp —全壓與靜壓之差，Pa

ρ—流體密度，kg/m3；

k —系數(shù)。

如果用流量來表示，其流量計(jì)算基本公式為：

式中：qv—流體的體積流量，m3/s；

qm—流體的質(zhì)量流量，kg/s；

α —工作狀態(tài)下均速管的流量系數(shù)；

ε—工作狀態(tài)下流體流過檢測桿時(shí)的流束膨脹系數(shù)；不可壓縮性流體：ε=1； 可壓縮性流體：ε< 1

A —工作狀態(tài)下管道內(nèi)截面面積，m2。全壓孔的位置，可按等分面積法求取。這樣，在流量變化的情況下均速管能有較好的適應(yīng)能力，所反映的誤差較小。所謂等分面積法，就是將管道截面分割成內(nèi)圓和外環(huán)的等效平均流速點(diǎn)，這些點(diǎn)就是全壓孔的位置，如圖3所示。

圖3 等分面積法示意圖

全壓孔的開孔位置可用切比雪夫數(shù)值積分法求得，如圖4所示，圖中r1=±0.4597R，r2=±0.8881R。r1，r2為取壓孔中心距管道中心的距離，R為管道內(nèi)半徑。

對(duì)于這種選點(diǎn)方法，無論是數(shù)目還是位置，近年來學(xué)術(shù)界及國際標(biāo)準(zhǔn)化組織均提出異議，認(rèn)為管內(nèi)的流動(dòng)應(yīng)分為三個(gè)區(qū)域，選點(diǎn)按對(duì)數(shù)——切比雪夫（Log-Jchebycheff）法進(jìn)行，因此，總壓檢測孔的位置應(yīng)為：r1=±0.03754R；r2=±0.7252R；r3=± 0.9358R。這種方法已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）封閉管道中的流量測量委員會(huì)（TC30）所確認(rèn)，鑒于上述原因，通過人們的試驗(yàn)研究，均速管的總壓孔數(shù)目還是建議采用二對(duì)或三對(duì)為宜。

圖4 取壓孔位置圖

背壓檢測孔長期以來采用一個(gè)，是由于人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到均速管按規(guī)范是處于位勢(shì)流中，而位勢(shì)流的前提是管道橫截面上各點(diǎn)靜壓均相等，沒有橫向流動(dòng)。從這個(gè)角度來看，一個(gè)背壓檢測孔已足夠，為了防止流體的流量在檢測過程中阻塞背壓檢測孔，多孔的背壓取壓，已開始應(yīng)用在均速管流量傳感器上，總之，由流量的基本公式可知，只要有效地測出均速管的輸出差壓ΔP，就可測出流體的流量值，這就是阿牛巴流量傳感器的測量原理。

4 AM氣流流量計(jì)的改進(jìn)

早期的均速流量探頭，在截面設(shè)計(jì)上忽視了臨界流體的流動(dòng)情況和空氣動(dòng)力學(xué)原理，所以，其應(yīng)用范圍受到很大的限制。

其它截面類型探頭的限制因素如下：

? 取壓孔易堵塞

? 信號(hào)波動(dòng)大

? 精度不高

? 受流體牽引力影響振動(dòng)大

AM氣流流量計(jì)對(duì)取壓方式進(jìn)行改進(jìn)。表1是不同探頭截面類型的氣流特性比較。

5 AM氣體流量計(jì)的系統(tǒng)組成及先進(jìn)性

5.1 AM氣流流量計(jì)傳感器

AM氣流流量計(jì)根據(jù)皮托－菲克亥爾摩Pitot－Fechheimer原理可準(zhǔn)確偵測氣流。

（1）原理 根據(jù)皮托管測速原理，通過測流體總靜壓之差推算流速，測點(diǎn)位置及數(shù)量按相關(guān)規(guī)范組成矩陣，充分反映管道中流速分布。

表1 各種探頭氣流特性比較

（2）流速計(jì)截面 采用圓管，當(dāng)管徑大于1 m，空氣流速大于2 m/s時(shí)，雷諾數(shù)已超過106，采用圓截面管道已不存在“阻力危機(jī)”問題，而且還易于制造和降低成本。

（3）總壓孔 總壓孔加工了一個(gè)凹形槽，當(dāng)氣流偏斜±20%時(shí)，仍可準(zhǔn)確測量差壓。

（4）靜壓孔 根據(jù)菲克亥爾摩方法，圓管在迎向流向±30%處壓力分布（圖5），為理想靜壓孔的位置，因而流速系數(shù)等于1，可以避免壓力分布帶來的誤差，但在相同流速下，輸出差壓將比均速管小50%。

菲克亥爾摩氣流偵測方式(Fechheimer method)，用于偵測靜壓，它最適合應(yīng)用在發(fā)電等行業(yè)。一般電廠的管段直線直徑小而且往往有偏搖或螺距現(xiàn)象。

兩個(gè)對(duì)立的靜壓孔所感應(yīng)到的是方向相反，但是壓力平等的靜壓，因?yàn)閮蓚€(gè)孔是由共同的連接裝置連接的，所以兩個(gè)數(shù)能取得平均值。在偏搖或螺距（波動(dòng)）±30°的情況下，都能偵測出準(zhǔn)確的靜壓。

準(zhǔn)確的靜壓偵測能力加上獨(dú)有的凹孔設(shè)計(jì)，使AM公司的氣流儀器是市場上唯一能在高度偏搖或螺距（波動(dòng)）在30度的環(huán)境內(nèi)，照樣可以保持高測試準(zhǔn)確度的儀器。

任何裝置裝入含粉塵的空氣內(nèi)都可能會(huì)被堵塞。雖然AM公司的探頭和其他廠家比，是比較不容易堵塞的，但是為了保證長期并有效使用，AM公司認(rèn)為反吹或清除裝置是必要，因?yàn)槿魏蝹蓽y孔都可能會(huì)進(jìn)灰塵。而燃燒空氣總是含有粉塵。

5.2 AM氣體流量計(jì)直管段要求

在工程應(yīng)用中，流量計(jì)的直管段長度是一個(gè)大問題，它不僅關(guān)系到成本，也關(guān)系到系統(tǒng)阻力，對(duì)節(jié)能也有影響。表2顯示AM氣體流量計(jì)傳感器對(duì)直管段的要求。

圖5 AM氣體流量計(jì)探頭原理圖

表2 AM流量計(jì)傳感器最短直管段要求

5.3 AM三維熱態(tài)標(biāo)定儀器及測試方法

美國AM公司打破了風(fēng)量無法熱態(tài)標(biāo)定的觀念，它采用先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，獨(dú)特的方法開發(fā)出一整套高精度，自動(dòng)生成三維立體數(shù)據(jù)的標(biāo)定儀器，不管風(fēng)量冷/熱態(tài)都可以進(jìn)行標(biāo)定，例如，鍋爐正常運(yùn)行時(shí)也可以進(jìn)行標(biāo)定，不會(huì)影響生產(chǎn)過程正常運(yùn)行。

三維實(shí)流熱態(tài)在線標(biāo)定系統(tǒng)需要三維傳感器及配套在線流量計(jì)算機(jī)。由于皮托管不像標(biāo)準(zhǔn)孔板一樣屬于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，可以用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)冷態(tài)標(biāo)定。按規(guī)定對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置應(yīng)進(jìn)行熱態(tài)實(shí)流標(biāo)定，所謂實(shí)流標(biāo)定就是用被測的氣體介質(zhì)來標(biāo)定，所謂熱態(tài)標(biāo)定就是在線標(biāo)定。隨著近年科技的發(fā)展，對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的熱態(tài)實(shí)流標(biāo)定也受到重視，并研究了不少應(yīng)用方法。表3是AM氣體流量計(jì)三維檢測技術(shù)和傳統(tǒng)L型皮托管的比較。

以下是3維 Probe AM 氣體流量計(jì)獨(dú)有的檢測技術(shù)。

AM使用本公司的獨(dú)有技術(shù)——三維傳感器來保證其在線偵測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

表3 AM氣體流量計(jì)3維檢測技術(shù)與傳統(tǒng)L型皮托管的比較

圖6 3 –D探頭實(shí)物圖

圖7 三維傳感器原理圖

5.4 自動(dòng)及吹掃裝置

火電廠的進(jìn)風(fēng)、二次風(fēng)都難免含有粉塵，通過測差壓來推算流量的儀表難免堵塞，長期制約了這類儀表（如：均速管）在火電廠的應(yīng)用。為解決粉塵的堵塞，不少廠家采用了吹掃裝置取得了較好的效果，確保了流量計(jì)長期可靠的工作。該裝置可根據(jù)現(xiàn)場的需要設(shè)定吹掃的間隔時(shí)間（每小時(shí)、數(shù)小時(shí)或一天吹掃一次），而每次吹掃持續(xù)的時(shí)間也可在30～120 s范圍內(nèi)設(shè)定，吹掃時(shí)將自動(dòng)關(guān)閉測量閥門，保證不影響測量數(shù)據(jù)，整個(gè)過程設(shè)定后均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。

5.5 AM流量計(jì)算機(jī)

一些火電廠的進(jìn)風(fēng)管道管徑達(dá)5 ～ 6 m，由于直管段只允許很短，因此，常用的流量計(jì)已難以采用。由于其流速分布極其復(fù)雜，必須采用插入式多點(diǎn)流速計(jì)。根據(jù)速度面積法在一個(gè)截面上測幾十點(diǎn)流速，才可能充分反映管道中的流速分布，以確保流量測量的準(zhǔn)確度。考慮到以下因素：每一個(gè)測點(diǎn)因流速不同差壓值會(huì)有差異；溫度、壓力不等必須進(jìn)行補(bǔ)償；檢測點(diǎn)位置不同，其加權(quán)系數(shù)不同（見IS03966）；……因此，計(jì)算十分復(fù)雜。所以，必須采用流量計(jì)算機(jī)。下面是AM流量計(jì)算機(jī)的主要功能：

（1）自動(dòng)歸零功能：當(dāng)執(zhí)行歸零命令的時(shí)候，流量計(jì)算機(jī)內(nèi)帶的三通電磁閥會(huì)切斷全壓管，將靜壓管與變送器高、低端都聯(lián)通，將此時(shí)測得的差壓值作為零點(diǎn)，歸零時(shí)輸出保持原測量值，歸零后用實(shí)測值減零點(diǎn)值作為新的輸出。相當(dāng)于變送器的人工調(diào)零，并且可以根據(jù)量程的大小在1 h－24 h的時(shí)間間隔內(nèi)任意設(shè)置歸零時(shí)間，這樣使得多功能流量計(jì)算機(jī)在預(yù)訂的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)校正變送器的零點(diǎn)，極大的保證了變送器測量的長期準(zhǔn)確和穩(wěn)定；

（2）準(zhǔn)確度±0.1%自然量程，包括：非線性、磁滯現(xiàn)象，靜區(qū)現(xiàn)象和非反復(fù)性；

（3）自動(dòng)情況的指令；

（4）溫度補(bǔ)償；

（5）壓力補(bǔ)償；

（6）密度補(bǔ)償。

6 使用AM的顯著效果及成就

6.1 AM氣體流量計(jì)的技術(shù)成就

? 首部多探測點(diǎn)自動(dòng)平均皮托管氣流偵測儀器。

? 首部核能電廠的排氣管等動(dòng)力（Isokinetic）抽樣系統(tǒng)。

? 首部工業(yè)等級(jí)的固態(tài)電子儀器，適用于氣體偵流。

? 獨(dú)有的皮托－菲克亥爾摩（Pitot-Fechheimer）多探測點(diǎn)自動(dòng)平均氣流偵測探測儀。

? 首部自動(dòng)歸零（AUTO-zero）超低范圍差壓氣體流量計(jì)算機(jī)（自然量程低達(dá)0-12.7Pa，高達(dá)0-2540 Pa），計(jì)算機(jī)精度高達(dá)±0.1%。

? 研發(fā)合乎美國環(huán)保局40FR75號(hào)規(guī)定，適用于監(jiān)測煙囪的廢氣或連續(xù)式廢氣排量的氣流偵測儀器（現(xiàn)已有超過100個(gè)發(fā)電企業(yè)和超過50個(gè)工業(yè)企業(yè)應(yīng)用此儀器）。

? 有多年的氣流偵測工廠設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；可以降低氮氧化物（NOx）和改善工廠的能源效率，監(jiān)測一次風(fēng)（Primary Air）、二次風(fēng)（Secondary Air）、頂棚二次風(fēng)（Overfired Air, OFA）等風(fēng)量測點(diǎn)。

? 研發(fā)出首部單獨(dú)燃燒器氣流偵測探測器，用來偵測燃燒器的二次風(fēng)。

? 首部達(dá)到國際氣體控制協(xié)會(huì)（AMCA）認(rèn)證的氣流偵測產(chǎn)品。

? 在美國發(fā)電行業(yè)中，首家推廣煤粉流量偵測系統(tǒng)（Pf－FLO）的公司。

6.2 AM氣體流量計(jì)的廣泛應(yīng)用及檢驗(yàn)

AM的3維檢測技術(shù)問世主要解決了三個(gè)方面的風(fēng)量測量問題：

（1）在低于AM工況要求時(shí)，提供參考“3D標(biāo)準(zhǔn)”技術(shù)用于調(diào)整K系數(shù)。

（2）在檢測困難二關(guān)鍵位置時(shí)，提供“3D標(biāo)準(zhǔn)”技術(shù)確認(rèn)在線系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

（3）在新機(jī)組試運(yùn)行和鍋爐技改項(xiàng)目完工，調(diào)試單位進(jìn)行過濾風(fēng)量測試標(biāo)定時(shí)。

大管道氣體流量測量系統(tǒng)在國外已應(yīng)用了十余年，據(jù)稱在美國火電已占有90%以上的市場。我國采用該技術(shù)僅數(shù)年，如：廣東汕頭電廠600 MW機(jī)組；福建湄洲灣電廠2×396MW機(jī)組； 遼源電廠2 ×300MW機(jī)組；綏中電廠2×1000MW機(jī)組。

6.3 AM準(zhǔn)確氣流檢測增加能源效率

使用AM氣流檢測技術(shù)的操作員能夠?qū)?shí)際氣流量和檢測流量放心。

（1）精確測量流量可達(dá)到風(fēng)量與燃煤的最佳比值，減少風(fēng)機(jī)功耗，提高鍋爐熱效率；

（2）插入式多點(diǎn)流速計(jì)的永久壓損僅為滿管流量計(jì)的十幾分之一，且安裝、維修簡便；

（3）風(fēng)量大小處于最佳狀態(tài)，使煤粉得以充分燃燒，減少CO的排放；

（4）維持燃燒火焰的最佳位置，避免火焰貼近爐壁，提高鍋爐的壽命；

（5）實(shí)現(xiàn)低氮燃燒，避免采用過于昂貴的SCR脫硝工藝，降低成本；

（6）實(shí)現(xiàn)空氣量隨鍋爐負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，確保有效燃燒。

把AM的主導(dǎo)產(chǎn)品應(yīng)用于火力發(fā)電廠，將實(shí)現(xiàn)“優(yōu)化燃燒、節(jié)能減排”放在首要位置。鍋爐燃燒控制的關(guān)鍵就是根據(jù)載荷的變化控制燃燒過程中的“風(fēng)煤比”。但由于歷史的原因，目前國內(nèi)風(fēng)量檢測的水平仍非常落后，很多地方仍在使用壓損大、測量不準(zhǔn)確的機(jī)翼、文丘里等測量裝置。

圖8 理論性鍋爐效率線狀圖

在風(fēng)量無法測準(zhǔn)的情況下，大部分電廠將風(fēng)量測量作為輔助參數(shù)，而將最后煙道檢測的過氧量作為風(fēng)量控制的標(biāo)準(zhǔn)，并采取“寧濫毋缺”的方式：給出過量的風(fēng)，保證爐膛不會(huì)缺氧熄火。然而，目前的在線過氧量檢測技術(shù)存在較大的誤差和測量滯后性，造成爐膛內(nèi)被吹入過量空氣，大量的過量空氣被加熱，使得鍋爐燃燒效率的快速下降（每1%的過氧量誤差，就會(huì)有5%的過量空氣被加熱），同時(shí)，電廠的風(fēng)機(jī)也浪費(fèi)了大量的電能。因此，電廠針對(duì)風(fēng)量控制優(yōu)化燃燒的工作還有很多潛力可挖，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)煤降耗。

AM公司研發(fā)獨(dú)享專利權(quán)和使用權(quán)的產(chǎn)品包括：火力發(fā)電廠 “鍋爐燃燒氣流管理系統(tǒng)”（CAMS）、“燃燒器內(nèi)部風(fēng)量偵測系統(tǒng)”（IBAM）、“煤粉流量偵測系統(tǒng)”（Pf-FLO）、“煙囪流量偵測系統(tǒng)”（CEMS）等系列配套產(chǎn)品，為發(fā)電企業(yè)在提高燃燒效率及在燃燒過程中有效地避免廢氣的產(chǎn)生,提供了先進(jìn)的檢測設(shè)備和可靠的解決方案，得到了美國環(huán)保局、國際氣體控制協(xié)會(huì)、自動(dòng)化控制協(xié)會(huì)、空調(diào)暖通協(xié)會(huì)的首肯及認(rèn)證。

參數(shù)文獻(xiàn)：

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[4] 徐瑞華. 過程控制工程手冊(cè)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993.

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