柳亞賢(國(guó)能寧夏大壩三期發(fā)電有限公司，寧夏 青銅峽 751607)

0 引言

煙氣流量是衡量城市環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)，其大小直接影響人們的生活水平和健康。目前，我國(guó)大部分地區(qū)對(duì)燃?xì)夤艿老到y(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)與控制時(shí)，普遍采用流量計(jì)法。傳統(tǒng)的流量測(cè)量方法主要有三大類：數(shù)學(xué)規(guī)劃法、基于物理模型似然估計(jì)和人工經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行檢測(cè)。其中，數(shù)學(xué)規(guī)劃法是分析數(shù)學(xué)模型的主要方法，它利用了概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論，通過(guò)建立相應(yīng)的比例函數(shù)來(lái)求出流量值。該方法能夠較為簡(jiǎn)單地分析出管道中流體流量和氣體流量之間存在規(guī)律性，而且在對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理時(shí)，可以得到相應(yīng)的結(jié)論，但是它只能定性地計(jì)算得出煙氣濃度，并不能進(jìn)行準(zhǔn)確描述。基于物理模型似然估計(jì)法是通過(guò)假設(shè)管道系統(tǒng)中的實(shí)際環(huán)境條件與已知煙氣濃度之間存在線性關(guān)系，來(lái)推導(dǎo)出相應(yīng)方程。該方法可以在一定程度上反映出流量分布情況和樣本量間函數(shù)的規(guī)律性，基于物理模型似然估計(jì)法和人工經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合檢測(cè)方法是對(duì)煙氣流量進(jìn)行定量分析，并且該方法能夠提供比較準(zhǔn)確的流動(dòng)數(shù)據(jù)，但是在檢測(cè)過(guò)程中，往往會(huì)受到計(jì)算效率、管道破裂率和測(cè)量誤差等因素影響。

目前國(guó)內(nèi)的許多電站鍋爐、加熱爐及除塵設(shè)備的煙氣測(cè)量一般采用的都是常規(guī)煙氣流量標(biāo)定法，其基本原理是將鍋爐出口蒸汽(或汽包)中所產(chǎn)生的含塵氣體按一定次序、分次地逐點(diǎn)測(cè)量，求出各物元值隨輸入量變化關(guān)系式。而該方法存在的缺陷是無(wú)法確定煙氣流量在哪一位置，需要根據(jù)流量標(biāo)定裝置和操作方式進(jìn)行分析，并且無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量出風(fēng)道內(nèi)部的平均流速，容易引起煙氣流量的標(biāo)定過(guò)程中數(shù)據(jù)采集和計(jì)算工作量過(guò)大。為解決這一難題，多點(diǎn)陣列式風(fēng)量測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。該測(cè)量系統(tǒng)是基于多點(diǎn)式煙氣流量標(biāo)定方法，通過(guò)對(duì)風(fēng)道內(nèi)部的平均流速進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并計(jì)算出各物元值求平均值得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)氣體濃度分布。通過(guò)對(duì)該測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，證明了多點(diǎn)陣列式煙氣流量標(biāo)定方法能夠準(zhǔn)確地測(cè)出風(fēng)道內(nèi)部各物元內(nèi)氣體濃度，彌補(bǔ)傳統(tǒng)煙氣流量計(jì)所存在的不足之處。

1 多點(diǎn)陣列式風(fēng)量測(cè)量系統(tǒng)

風(fēng)量測(cè)量系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)的流道理論，其基本思想為通過(guò)對(duì)各節(jié)點(diǎn)流量信息進(jìn)行收集和計(jì)算得到各個(gè)點(diǎn)在流量中所占比例，從而得出該位置上對(duì)應(yīng)的風(fēng)速，以此來(lái)判斷出該節(jié)點(diǎn)的實(shí)際風(fēng)速。多路式煙氣檢測(cè)方法是將多個(gè)傳感器按一定次序連接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)體。由于多通道傳感陣列式煙氣壓力測(cè)量需要采用多路傳感流量計(jì)來(lái)測(cè)量各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的壓力值，因而需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行大量運(yùn)算，計(jì)算量大且精度要求較高。

1.1 靠背管測(cè)量裝置原理

靠背管測(cè)量裝置原理的最主要依據(jù)是在煙氣流過(guò)時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)，其原理圖如圖1所示。由于流量分布不均勻，無(wú)法通過(guò)對(duì)該位置進(jìn)行計(jì)算，所以需要將其安裝到煙道中，利用流量標(biāo)定的方法來(lái)測(cè)量該位置煙氣。當(dāng)被測(cè)點(diǎn)處在某一角度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生多個(gè)方向和方位兩個(gè)分量，這些分量可以直接轉(zhuǎn)換為相應(yīng)方向上各量值變化數(shù)值大小相同方向不同幅度值之差。通過(guò)這種方法可以將各個(gè)分量的信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)方向上各量值變化數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)煙氣流量的標(biāo)定?？勘彻軠y(cè)量裝置采用靠背管方式，測(cè)量結(jié)果較為準(zhǔn)確，而且計(jì)算時(shí)間較短，在煙氣流量監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，應(yīng)用該裝置的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行煙草行業(yè)流量標(biāo)定是一種行之有效的方法[1]。

圖1 靠背管測(cè)量裝置原理

靠背管測(cè)量裝置原理圖中探頭插入管內(nèi)，當(dāng)管內(nèi)有氣流流動(dòng)時(shí)，在流體與煙氣之間的距離小于標(biāo)定值時(shí)，根據(jù)其大小和流量測(cè)量原理，運(yùn)用相關(guān)計(jì)算公式求出流場(chǎng)中各點(diǎn)處流動(dòng)情況，具體如公式(1)所示。采用靠背管測(cè)量方式，測(cè)量裝置密封良好時(shí)，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，流場(chǎng)數(shù)據(jù)完備，可直接用于煙氣流量的標(biāo)定。穩(wěn)定狀態(tài)下V2=O，公式簡(jiǎn)化如公式(2)，通過(guò)公式(2)可以推導(dǎo)出公式(3)：

由(3)式可知，管道風(fēng)速與動(dòng)壓的平方根成正比，當(dāng)動(dòng)壓增大，則管道風(fēng)速也隨之相應(yīng)的增加。而定流量技術(shù)是通過(guò)改變流動(dòng)方向和管體形狀，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣濃度分布情況進(jìn)行標(biāo)定的一種流量測(cè)量技術(shù)，其原理是通過(guò)改變管道形狀和流道面積，達(dá)到煙氣比例變化對(duì)煙氣量分布信息的影響。

1.2 多點(diǎn)陣列式風(fēng)量測(cè)量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)數(shù)學(xué)建模的思想，在風(fēng)場(chǎng)作用下，煙氣流量和流速之間具有對(duì)應(yīng)關(guān)系是一個(gè)線性函數(shù)。而在流場(chǎng)中，由于流動(dòng)和擴(kuò)散的作用，流量會(huì)出現(xiàn)一定程度上的波動(dòng)。因此為了準(zhǔn)確測(cè)量出多點(diǎn)式風(fēng)量參數(shù)，就必須準(zhǔn)確測(cè)量出煙氣流量。首先需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行整體分析了解各個(gè)因素之間的相關(guān)關(guān)系，然后對(duì)流量進(jìn)行標(biāo)定，確定出各點(diǎn)在煙氣中所處位置。其次，根據(jù)各個(gè)傳感器測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件分析計(jì)算出煙氣流量，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，并將結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)作對(duì)比，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用中，多點(diǎn)陣列式風(fēng)量測(cè)量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型包括風(fēng)速的計(jì)算和流量計(jì)算，風(fēng)速的計(jì)算如公式(4)所示，流量計(jì)算如公式(5)所示：

1.3 多點(diǎn)陣列式風(fēng)量測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(1)靠背管測(cè)量系統(tǒng)主要有多點(diǎn)陣列式風(fēng)量測(cè)量裝置、穩(wěn)壓管、微差壓變送器、監(jiān)測(cè)主機(jī)等組成，主要功能是對(duì)煙氣流量的測(cè)量。其原理是利用穩(wěn)壓管與微差壓變送器將模擬量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再使用三角函數(shù)公式、泰勒級(jí)數(shù)進(jìn)行擬合運(yùn)算得到被測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)證明了該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)式風(fēng)機(jī)出口壓力系數(shù)在不同位置處的標(biāo)定，且其測(cè)量的精度較高。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該裝置能夠準(zhǔn)確地將煙氣流量在不同位置處進(jìn)行標(biāo)定，誤差基本能反映在計(jì)算機(jī)上，同時(shí)也驗(yàn)證并優(yōu)化了理論推導(dǎo)過(guò)程中所需要使用到數(shù)據(jù)和算法計(jì)算方面相關(guān)參數(shù)的準(zhǔn)確性與合理性。

(2)為解決大風(fēng)道流場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境下單測(cè)點(diǎn)易造成測(cè)量不準(zhǔn)的問(wèn)題，采用等截面多點(diǎn)測(cè)量技術(shù)，其示意圖如圖2所示。通過(guò)對(duì)煙氣流量的標(biāo)定，定量分析流量分布特征，為合理設(shè)計(jì)、優(yōu)化和管理各類測(cè)量參數(shù)提供了理論依據(jù)?；诘冉孛娑帱c(diǎn)式煙流模型在計(jì)算前需要確定各節(jié)點(diǎn)處的位置信息，在計(jì)算過(guò)程中，將各節(jié)點(diǎn)處的流量信息作為煙氣濃度分布函數(shù)，根據(jù)公式推導(dǎo)出相應(yīng)坐標(biāo)曲線。

圖2 靠背管測(cè)量裝置等截面多點(diǎn)示意圖

(3)風(fēng)量測(cè)量系統(tǒng)把風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)速轉(zhuǎn)換成差壓，測(cè)量煙氣流量。差壓式流量計(jì)(CFD)是一種新型的不間斷在線測(cè)效率高，工作穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。在大氣中飛行時(shí)，對(duì)氣體運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行分析并將其轉(zhuǎn)換為壓力值，而當(dāng)遇到特殊情況或故障時(shí)，可通過(guò)標(biāo)定方法校正輸出功率分布參數(shù)以防止安全問(wèn)題發(fā)生。基于差壓變送器(FAST)的流量測(cè)量系統(tǒng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性、快速性、準(zhǔn)確性，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和在線診斷等功能[2]。

2 多點(diǎn)陣列式風(fēng)量測(cè)量系統(tǒng)系數(shù)標(biāo)定

2.1 風(fēng)速標(biāo)定設(shè)備測(cè)量點(diǎn)和插入深度的確定

風(fēng)速標(biāo)定測(cè)量點(diǎn)的選擇原則是煙氣流場(chǎng)的分布規(guī)律及特點(diǎn)，同時(shí)也是流量標(biāo)定測(cè)量中最基本和重要的參數(shù)。另外，測(cè)量的管道的內(nèi)部直徑及管道長(zhǎng)寬也是對(duì)流量標(biāo)定的重要參數(shù)，并且測(cè)量管道的內(nèi)直徑的大小可以關(guān)系到管道能夠被分成幾個(gè)點(diǎn)。例如當(dāng)內(nèi)直徑＞600 mm時(shí)可以將管道分成8個(gè)點(diǎn)，而內(nèi)直徑＜600 mm時(shí)可以將管道分成6個(gè)點(diǎn)，而無(wú)論哪一個(gè)點(diǎn)測(cè)量的時(shí)候，流量標(biāo)定都要在這幾個(gè)點(diǎn)之間選取合適的分段。而標(biāo)定設(shè)備插入深度根據(jù)等截面法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定的流量標(biāo)定裝置中進(jìn)行選擇，并結(jié)合測(cè)點(diǎn)對(duì)煙氣流量的影響，通過(guò)調(diào)整閥門開度和改變管徑來(lái)使流速分布更加均勻。其中，可得測(cè)點(diǎn)的插入長(zhǎng)度的計(jì)算如公式(6)所示：

2.2 風(fēng)速標(biāo)定系數(shù)

在流體力學(xué)的研究中，風(fēng)速具有參數(shù)不確定性和數(shù)據(jù)量不可預(yù)知等特點(diǎn)，對(duì)風(fēng)速的測(cè)量準(zhǔn)確度低，而在煙氣流量數(shù)據(jù)量不確定性和無(wú)法標(biāo)定條件下，傳統(tǒng)方法難以建立精確的風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模型。而對(duì)于實(shí)際測(cè)量問(wèn)題而言，由于不同模型對(duì)標(biāo)定結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響差異，所以為了減小這種誤差以及數(shù)據(jù)量較大化、更精確地?cái)M合出適合于風(fēng)機(jī)流量計(jì)所需要的標(biāo)準(zhǔn)比例值就顯得尤為重要。而流量標(biāo)定法就是一種最常用的方法，標(biāo)定采用標(biāo)準(zhǔn)畢托管儀器進(jìn)行等截面標(biāo)定口的風(fēng)速實(shí)測(cè)。在標(biāo)定口的風(fēng)速各個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值的計(jì)算如公式(7)所示，風(fēng)速標(biāo)定系數(shù)公式如公式(8)所示：

2.3 實(shí)際應(yīng)用

某電廠煙道總管管道是方形，彎頭式煙氣流量計(jì)，主要應(yīng)用于電廠除塵器外的對(duì)流、雨霧天氣等環(huán)境因素復(fù)雜情況下煙氣量大或風(fēng)量小的場(chǎng)合。該裝置是一種新型高效低能耗設(shè)備，其具有測(cè)量準(zhǔn)確、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，適用于流量小或風(fēng)量大、流速低且不穩(wěn)定的煙氣場(chǎng)合。目前工藝運(yùn)行參數(shù)為：風(fēng)速平均風(fēng)速9.936 m/s，換算出壓差45.5 Pa，但實(shí)際流量數(shù)據(jù)中，設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)往往會(huì)被高限率或低流速限制影響，導(dǎo)致該裝置無(wú)法正常工作[3]。根據(jù)公式(7)將相關(guān)參數(shù)得出公式(9)，根據(jù)公式(8)將相關(guān)參數(shù)得出公式(10)：

3 結(jié)語(yǔ)

節(jié)能環(huán)保是國(guó)家當(dāng)前重點(diǎn)工作，節(jié)能減排是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展道路的必要前提，流量測(cè)量在節(jié)能減排中具有非常重要的作用。流量測(cè)量作為煙氣治理工作中最重要、應(yīng)用最廣的環(huán)節(jié)之一，其在煙道穩(wěn)壓和安全排放方面有著不可忽視作用，其測(cè)量的精度直接關(guān)系到煙氣流量值，所以流量測(cè)量在節(jié)能減排中具有重要意義。而多點(diǎn)陣列式風(fēng)量測(cè)量裝置在煙氣流量測(cè)量中的實(shí)施，有效解決了傳統(tǒng)測(cè)量裝置存在的各種問(wèn)題，具有非常高的測(cè)量精度和穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源，并且適用于對(duì)流體、管道等特殊情況下進(jìn)行煙氣流量分析。未來(lái)，隨著多點(diǎn)式煙氣流量計(jì)的發(fā)展，將在現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)上提出更加完善、更精確的煙氣流量分析方法和數(shù)據(jù)采集與處理算法。