多点阵列式烟气流量测量及流量标定方法的应用

柳亚贤(国能宁夏大坝三期发电有限公司，宁夏 青铜峡 751607)

0 引言

烟气流量是衡量城市环境质量的重要指标，其大小直接影响人们的生活水平和健康。目前，我国大部分地区对燃气管道系统进行检测与控制时，普遍采用流量计法。传统的流量测量方法主要有三大类：数学规划法、基于物理模型似然估计和人工经验相结合进行检测。其中，数学规划法是分析数学模型的主要方法，它利用了概率论和数理统计理论，通过建立相应的比例函数来求出流量值。该方法能够较为简单地分析出管道中流体流量和气体流量之间存在规律性，而且在对结果进行处理时，可以得到相应的结论，但是它只能定性地计算得出烟气浓度，并不能进行准确描述。基于物理模型似然估计法是通过假设管道系统中的实际环境条件与已知烟气浓度之间存在线性关系，来推导出相应方程。该方法可以在一定程度上反映出流量分布情况和样本量间函数的规律性，基于物理模型似然估计法和人工经验相结合检测方法是对烟气流量进行定量分析，并且该方法能够提供比较准确的流动数据，但是在检测过程中，往往会受到计算效率、管道破裂率和测量误差等因素影响。

目前国内的许多电站锅炉、加热炉及除尘设备的烟气测量一般采用的都是常规烟气流量标定法，其基本原理是将锅炉出口蒸汽(或汽包)中所产生的含尘气体按一定次序、分次地逐点测量，求出各物元值随输入量变化关系式。而该方法存在的缺陷是无法确定烟气流量在哪一位置，需要根据流量标定装置和操作方式进行分析，并且无法准确测量出风道内部的平均流速，容易引起烟气流量的标定过程中数据采集和计算工作量过大。为解决这一难题，多点阵列式风量测量系统应运而生。该测量系统是基于多点式烟气流量标定方法，通过对风道内部的平均流速进行数据采集，并计算出各物元值求平均值得到各个节点内气体浓度分布。通过对该测量系统的实验研究，证明了多点阵列式烟气流量标定方法能够准确地测出风道内部各物元内气体浓度，弥补传统烟气流量计所存在的不足之处。

1 多点阵列式风量测量系统

风量测量系统是基于传统的流道理论，其基本思想为通过对各节点流量信息进行收集和计算得到各个点在流量中所占比例，从而得出该位置上对应的风速，以此来判断出该节点的实际风速。多路式烟气检测方法是将多个传感器按一定次序连接成一个网络体。由于多通道传感阵列式烟气压力测量需要采用多路传感流量计来测量各个传感器节点的压力值，因而需要对数据进行大量运算，计算量大且精度要求较高。

1.1 靠背管测量装置原理

靠背管测量装置原理的最主要依据是在烟气流过时的相关数据，其原理图如图1所示。由于流量分布不均匀，无法通过对该位置进行计算，所以需要将其安装到烟道中，利用流量标定的方法来测量该位置烟气。当被测点处在某一角度时，就会产生多个方向和方位两个分量，这些分量可以直接转换为相应方向上各量值变化数值大小相同方向不同幅度值之差。通过这种方法可以将各个分量的信息转换为相应方向上各量值变化数值，从而实现烟气流量的标定。靠背管测量装置采用靠背管方式，测量结果较为准确，而且计算时间较短，在烟气流量监测领域，应用该装置的相关数据进行烟草行业流量标定是一种行之有效的方法[1]。

图1 靠背管测量装置原理

靠背管测量装置原理图中探头插入管内，当管内有气流流动时，在流体与烟气之间的距离小于标定值时，根据其大小和流量测量原理，运用相关计算公式求出流场中各点处流动情况，具体如公式(1)所示。采用靠背管测量方式，测量装置密封良好时，测量结果准确可靠，流场数据完备，可直接用于烟气流量的标定。稳定状态下V2=O，公式简化如公式(2)，通过公式(2)可以推导出公式(3)：

由(3)式可知，管道风速与动压的平方根成正比，当动压增大，则管道风速也随之相应的增加。而定流量技术是通过改变流动方向和管体形状，来实现对烟气浓度分布情况进行标定的一种流量测量技术，其原理是通过改变管道形状和流道面积，达到烟气比例变化对烟气量分布信息的影响。

1.2 多点阵列式风量测量系统数学模型

根据数学建模的思想，在风场作用下，烟气流量和流速之间具有对应关系是一个线性函数。而在流场中，由于流动和扩散的作用，流量会出现一定程度上的波动。因此为了准确测量出多点式风量参数，就必须准确测量出烟气流量。首先需要对整个系统进行整体分析了解各个因素之间的相关关系，然后对流量进行标定，确定出各点在烟气中所处位置。其次，根据各个传感器测出来的数据，通过软件分析计算出烟气流量，对其进行标定，并将结果与实际数据作对比，验证模型的准确性。在实际应用中，多点阵列式风量测量系统数学模型包括风速的计算和流量计算，风速的计算如公式(4)所示，流量计算如公式(5)所示：

1.3 多点阵列式风量测量系统结构

(1)靠背管测量系统主要有多点阵列式风量测量装置、稳压管、微差压变送器、监测主机等组成，主要功能是对烟气流量的测量。其原理是利用稳压管与微差压变送器将模拟量转换成电压信号，再使用三角函数公式、泰勒级数进行拟合运算得到被测数据，通过理论推导和实验证明了该装置能够实现多点式风机出口压力系数在不同位置处的标定，且其测量的精度较高。通过实验证明了该装置能够准确地将烟气流量在不同位置处进行标定，误差基本能反映在计算机上，同时也验证并优化了理论推导过程中所需要使用到数据和算法计算方面相关参数的准确性与合理性。

(2)为解决大风道流场复杂环境下单测点易造成测量不准的问题，采用等截面多点测量技术，其示意图如图2所示。通过对烟气流量的标定，定量分析流量分布特征，为合理设计、优化和管理各类测量参数提供了理论依据。基于等截面多点式烟流模型在计算前需要确定各节点处的位置信息，在计算过程中，将各节点处的流量信息作为烟气浓度分布函数，根据公式推导出相应坐标曲线。

图2 靠背管测量装置等截面多点示意图

(3)风量测量系统把风管内的风速转换成差压，测量烟气流量。差压式流量计(CFD)是一种新型的不间断在线测效率高，工作稳定，易于实现远程监控和自动化等优点。在大气中飞行时，对气体运动方向进行分析并将其转换为压力值，而当遇到特殊情况或故障时，可通过标定方法校正输出功率分布参数以防止安全问题发生。基于差压变送器(FAST)的流量测量系统具有很强的适应性、快速性、准确性，可以实现实时监控和在线诊断等功能[2]。

2 多点阵列式风量测量系统系数标定

2.1 风速标定设备测量点和插入深度的确定

风速标定测量点的选择原则是烟气流场的分布规律及特点，同时也是流量标定测量中最基本和重要的参数。另外，测量的管道的内部直径及管道长宽也是对流量标定的重要参数，并且测量管道的内直径的大小可以关系到管道能够被分成几个点。例如当内直径＞600 mm时可以将管道分成8个点，而内直径＜600 mm时可以将管道分成6个点，而无论哪一个点测量的时候，流量标定都要在这几个点之间选取合适的分段。而标定设备插入深度根据等截面法，根据经验公式确定的流量标定装置中进行选择，并结合测点对烟气流量的影响，通过调整阀门开度和改变管径来使流速分布更加均匀。其中，可得测点的插入长度的计算如公式(6)所示：

2.2 风速标定系数

在流体力学的研究中，风速具有参数不确定性和数据量不可预知等特点，对风速的测量准确度低，而在烟气流量数据量不确定性和无法标定条件下，传统方法难以建立精确的风场数值模型。而对于实际测量问题而言，由于不同模型对标定结果会产生影响差异，所以为了减小这种误差以及数据量较大化、更精确地拟合出适合于风机流量计所需要的标准比例值就显得尤为重要。而流量标定法就是一种最常用的方法，标定采用标准毕托管仪器进行等截面标定口的风速实测。在标定口的风速各个测点的平均值的计算如公式(7)所示，风速标定系数公式如公式(8)所示：

2.3 实际应用

某电厂烟道总管管道是方形，弯头式烟气流量计，主要应用于电厂除尘器外的对流、雨雾天气等环境因素复杂情况下烟气量大或风量小的场合。该装置是一种新型高效低能耗设备，其具有测量准确、操作方便的优点，适用于流量小或风量大、流速低且不稳定的烟气场合。目前工艺运行参数为：风速平均风速9.936 m/s，换算出压差45.5 Pa，但实际流量数据中，设备的运行参数往往会被高限率或低流速限制影响，导致该装置无法正常工作[3]。根据公式(7)将相关参数得出公式(9)，根据公式(8)将相关参数得出公式(10)：

3 结语

节能环保是国家当前重点工作，节能减排是实现可持续发展道路的必要前提，流量测量在节能减排中具有非常重要的作用。流量测量作为烟气治理工作中最重要、应用最广的环节之一，其在烟道稳压和安全排放方面有着不可忽视作用，其测量的精度直接关系到烟气流量值，所以流量测量在节能减排中具有重要意义。而多点阵列式风量测量装置在烟气流量测量中的实施，有效解决了传统测量装置存在的各种问题，具有非常高的测量精度和稳定可靠的数据来源，并且适用于对流体、管道等特殊情况下进行烟气流量分析。未来，随着多点式烟气流量计的发展，将在现有测量技术基础上提出更加完善、更精确的烟气流量分析方法和数据采集与处理算法。