淺談熱式氣體流量計的使用方法

摘 要：低溫余熱發電是水泥廠提高生產效益、節約能源、實現可持續發展的重要途徑。低溫余熱發電系統是一個相互關聯的復雜控制系統，由于其熱源為水泥回轉窯排放的廢熱煙氣，受水泥窯生產狀況影響較大，與一般帶有燃燒系統的電站相比具有很大的特殊性。余熱電站的控制也與一般帶燃燒系統的電站的控制有很大不同，目前國內還沒有形成針對余熱電站控制的有效地的優化控制方案。
關鍵詞：余熱發電； 模糊控制； 汽包水位； 除氧器凝汽器； 氣體流量計
一、前言
大管道氣體流量計在低溫余熱發電項目中開始應用新型干法水泥工藝氣流活躍在整個生產過程中，在窯系統中熱風有一次風、二次風、三次風，還有冷卻機形成的熱風，在熱風循環過程中一部分熱風用于原料和煤粉的烘干，還有一部分氣體則作為廢氣被排放在大氣中。在2500t/d、5000t/d等規模的水泥生產線中為實現低溫廢氣綜合利用，將其用于余熱發電和熱力管網。低溫余熱發電主要利用在窯尾筒出口至排風機的管道抽出的廢氣，同時在冷卻機抽出一定流量的廢氣，進入SP余熱鍋爐和AQC余熱鍋爐，余熱鍋爐出力，各自產生壓力約1.25MPa，溫度約250℃～300℃，流量約20t/h的主蒸汽匯總進入汽機，汽機發出的電能并入工廠中壓電網。在北方地區低溫余熱也用于熱力管網，實現取暖和供熱。低溫余熱發電是國家重點支持項目，近幾年低溫余熱發電在不斷及成熟，并開始把此技術出口到泰國等國家。入口廢氣溫度和流量是SP余熱鍋爐和AQC余熱鍋爐重要技術參數，在溫度和流量的測定中，流量的測定有一定的難度，也日益迫切有待解決。難度在于新型干法水泥生產線中，熱風管道的口徑大多是大于500mm；另被測的氣流是變化的，還帶有一定的粉塵，所測的介質是包含氣固二相。在流量測量規范中管道口徑大于200mm就屬于大口徑流量測量，氣固二相的流量測量又是特殊范疇；常用的氣體測量傳感器中一般帶有小孔，熱風中含有粉塵，很容易造成測量傳感器的堵塞。如何選用低溫余熱發電大管道的流量測量儀表是本文討論的重點。
二、大管道氣體流量檢測儀表當今我國倡導建設節能型經濟
在此前提下，我所介紹的大管道氣體流量檢測儀表排除了壓損大、運行費過高的節流裝置，如傳統的孔板式流量計，對大口徑的管道它需要大的安裝法蘭，不僅笨重，還有較大壓損，運行中磨損大，費用過高，ISO5167的新標準還要求前直管段達30～40D，現場很難滿足，為此我們無法考慮采用這類儀表；也不價格過高的氣體聲流量計。在余熱發電工控系統中，我建議采用取樣原理、插入安裝方式，通過測取管道中一點或多點的流速來推算流量的插入式流量計。這類儀表的特點是：結構簡單、性價比較高、安裝維護方便、重復性好，但度一般不高。較典型的是差壓式均速管流量計和熱式流量計，差壓式均速管流量計是在上世紀60年代末問世的，它是基于伯努利能量守恒原則和皮托管測速原理發展起來的，所謂皮托管測速實際是測量管道中圓管直徑上或矩形（菱形）管長與寬上幾點的流速通過能量守恒原則推算出流量的一種插入式流量儀表，此圓管或菱形管通常也稱檢測桿，常用的是菱形，但其背壓孔易堵塞，影響其正常工作，盡管可加裝粉塵過濾裝置，但由于水泥工藝的特殊情況，特別是大口徑的管道選用時需要格外小心。熱式流量計則是利用傳熱原理，以熱電阻為敏感元件，當流速高時將帶走更多的熱量，降低了熱電阻溫度。在測量橋路上熱電阻是作為橋路的一臂，由于溫度變化引起阻值的變化，這將破壞橋路的平衡，為保持橋路的平衡，加在反饋電路上的功率必須變化，由它的變化能間接測定流量值。它大特點是可測量低于5m/s的流速，傳熱與流體質量有關，因此所測的流量為質量流量。從發展方向看如一旦能改進熱式流量計的度，它將會有較大發展潛力，由于流量計的度對低溫余熱發電系統廢氣大管道的測量要求不是很高，主要是重復性指標，故更適宜熱式流量計的推廣和選用。
三、一種典型的熱式流量計
美國KURZ儀表公司生產的熱式流量計，包括450系列單點式測速熱式流量計和K-BAR2000系列多點式測速熱式流量計兩種，其測速范圍是0Nm/s～120Nm/s，工作溫度高可達+500℃，工作壓力高可達2MPa，重復性指標為0.25%，速度傳感器響應時間為1秒，溫度傳感器響應時間為3秒，插入式安裝，可適合于2.5寸以上管道。熱式流量計的測量探頭有兩個傳感器，一個是速度傳感器，一個是溫度傳感器，兩個傳感器都是基準級鉑電阻傳感器。鉑電阻固定在堅固、密封的不銹鋼套管中，在測量電路中它們也作為測量橋路的兩個臂，溫度傳感器在工作中測量被測氣體的溫度，它作為參比溫度，而速度傳感器被加熱，并使其被加熱的溫度和參比溫度有一固定的溫差ΔT，當參比溫度變化，則ΔT也隨著變化，可以通過加熱功率的變化來測量氣體的質量流量。
加熱功率P，溫差ΔT，質量流量qm之間的關系如下：
P/ΔT=K1+K2（qmK3）其中K1，、K2、K3是與氣體物性等有關的常數。ΔT一般控制在55℃恒定值，則通過測量P（I）就能計算出管道內的質量流量qm.四、低溫余熱發電選用熱式流量計幾個方面對于水泥行業特殊的氣體狀況，在選用熱式流量計必須要考慮以下幾方面
1.測單點流速還是測多點流速一根插入的檢測桿可以測大管道中某一點的流速，如450系列；也可測多點的流速，它可反映管道內多點的流速分布，如K-BAR2000系列。考慮到投資的因素，另單點測量通過補償修正也可推算出大管道的平均流速。故筆者建議余熱發電系統還是用450系列單點式測速熱式流量計。2.提供正確的流量和管道數據選用熱式流量計時，一定要正確提供給流量、溫度、壓力等數據和管道尺寸和管道布置情況，包括直管段的大小和管配件情況，流量計供貨商可確定插入位置、插入深度和不同耐溫等級的檢測桿。理論上測量管道必須確保有*后5的直管段長度，但現場情況是實現不了的，供貨商會根據具體管道布置確定補償修正方案。3.正確選擇檢測桿前述在低溫余熱發電系統中廢氣流量是變化的，還帶有一定的粉塵，為此確定檢測桿的材質和傳感器的材質是非常重要的，余熱發電系統應選耐磨的哈氏合金探頭，檢測桿長度也必須根據管道的資料確定。4.校驗和修正大管道氣體流量檢測儀表的精度一般不高，但已能滿足工控的要求，450系列單點式的精度為±1%的讀數，由于流速大小直接影響傳熱的快慢，間接影響測量度，故其±1%的讀數后還要加上0.1Nm/s的附加值。管道內氣體的流速分布是影響流量測量的度的主要因素，對于工業現場應盡量使流速分布對稱于軸線，即充分發展紊流，只有這樣，僅測幾點的流速才能推算流經整個截面的流量。熱式流量計在出廠前已通過風洞標定，在現場投入運行前，供貨商會根據具體管道的外形和直接，通過網格法測量前管段某一位置，不同插入深度的約十幾個點的流速，并通過積累的經驗公式推算出平均流速的補償值，確保了測量的度。5.重復性在余熱發電的自動化系統中，熱式流量計只是在某一工藝點提供信息源的檢測環節，它的輸出所反映的氣體流量信息，并不要求是某一確切值，而應是正確無誤地反映流量的變化，如測定SF鍋爐的進口廢氣量并不一定是風量的確切值，我們主要看它在工藝過程中的變化，通過調節以保持風量的恒定。這里要求熱式流量計工作可靠，其輸出與流量存在的單值函數關系不隨意變化，即重復性較好就可以了。一般來講直管段達不到要求的情況下，重復性可做到0.25%，而誤差可能過3%. 6.加裝必要的吹掃裝置由于廢氣帶有一定的粉塵，筆者建議在現場加裝必要的檢測桿吹掃裝置，以確保插入式熱式流量計正常工作，供貨商有的檢測桿的可供選擇。