熱式氣體流量計(jì)用于低溫余熱發(fā)電

一.大管道氣體流量計(jì)在低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目中開(kāi)始應(yīng)用 
新型干法水泥工藝氣流活躍在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，在窯系統(tǒng)中熱風(fēng)有一次風(fēng)、二次風(fēng)、三次風(fēng)，還有冷卻機(jī)形成的大量熱風(fēng)，在熱風(fēng)循環(huán)過(guò)程中一部分熱風(fēng)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(guī)模的水泥生產(chǎn)線中為實(shí)現(xiàn)低溫廢氣綜合利用，將其用于余熱發(fā)電和熱力管網(wǎng)。低溫余熱發(fā)電主要利用在窯尾一級(jí)筒出口至排風(fēng)機(jī)的管道抽出的廢氣，同時(shí)在冷卻機(jī)抽出一定流量的廢氣，進(jìn)入SP余熱鍋爐和AQC余熱鍋爐，余熱鍋爐出力，各自產(chǎn)生壓力的1.25Mpa, 溫度約250~3000C，流量約20 t/h的主蒸汽并匯總進(jìn)入汽機(jī)，汽機(jī)發(fā)出的電能并入工廠中壓電網(wǎng)。在北方地區(qū)低溫余熱也用于熱力管網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)取暖和供熱。低溫余熱發(fā)電是國(guó)家重點(diǎn)支持項(xiàng)目，近幾年低溫余熱發(fā)電在不斷進(jìn)步及成熟，并開(kāi)始把此技術(shù)出口到泰國(guó)等國(guó)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(shù)參數(shù)，在溫度和流量的測(cè)定中，流量的測(cè)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(chǎn)線中，熱風(fēng)管道的口徑大多是大于500毫米；另被測(cè)的氣流是變化的，還帶有一定的粉塵，所測(cè)的介質(zhì)是包含氣固二相。在流量測(cè)量規(guī)范中管道口徑大于200mm在就屬于大口徑流量測(cè)量，氣固二相的流量測(cè)量又是特殊范疇； 常用的氣體測(cè)量傳感器中一般帶有小孔，熱風(fēng)中含有粉塵，很會(huì)容易造成測(cè)量傳感器的堵塞。如何選用低溫余熱發(fā)電大管道的流量測(cè)量?jī)x表是本文討論的重點(diǎn)。    

二. 大管道氣體流量檢測(cè)儀表 
當(dāng)今我國(guó)倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)能型經(jīng)濟(jì)，在此前提下，我們所介紹的大管道氣體流量檢測(cè)儀表排除了壓損大、運(yùn)行費(fèi)過(guò)高的節(jié)流裝置，如傳統(tǒng)的孔板式流量計(jì)，對(duì)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(yùn)行中磨損大，費(fèi)用過(guò)高，ISO5167的新標(biāo)準(zhǔn)還要求前直管段達(dá)30~40D，現(xiàn)場(chǎng)很難滿足，為此我們無(wú)法考慮采用這類儀表；我們也不推薦價(jià)格過(guò)高的氣體超聲流量計(jì)。在余熱發(fā)電工控系統(tǒng)中，我們建議采用取樣原理、插入安裝方式，通過(guò)測(cè)取管道中一點(diǎn)或多點(diǎn)的流速來(lái)推算流量的插入式流量計(jì)。這類儀表的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比較高、安裝維護(hù)方便、重復(fù)性好，但準(zhǔn)確度一般不高。較典型的是差壓式均速管流量計(jì)和熱式流量計(jì)，差壓式均速管流量計(jì)是在上世紀(jì)60年代末問(wèn)世的，它是基于伯努利能量守恒原則和皮托管測(cè)速原理發(fā)展起來(lái)的，所謂皮托管測(cè)速實(shí)際是測(cè)量管道中圓管直徑上或矩形（菱形）管長(zhǎng)與寬上幾點(diǎn)的流速通過(guò)能量守恒原則推算出流量的一種插入式流量?jī)x表，此圓管或菱形管通常也稱檢測(cè)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(guò)濾裝置，但由于水泥工藝特殊情況，特別是大口徑的管道選用時(shí)需要格外小心。熱式流量計(jì)則是利用傳熱原理，以熱電阻為敏感元件，當(dāng)流速高時(shí)將帶走更多的熱量，降低了熱電阻溫度。在測(cè)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(cè)定流量值。它最大特點(diǎn)是可測(cè)量低于5m/s的流速，傳熱與流體質(zhì)量有關(guān)，因此所測(cè)的流量為質(zhì)量流量。從發(fā)展方向如一旦能改進(jìn)熱式流量計(jì)的準(zhǔn)確度，它將會(huì)有較大發(fā)展?jié)摿?，由于流量?jì)的準(zhǔn)確度對(duì)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)廢氣大管道的測(cè)量要求不是很高，主要是重復(fù)性指標(biāo)，故更適宜熱式流量計(jì)的推廣和選用。 

三．一種典型的熱式流量計(jì) 
美國(guó)KURZ儀表公司專業(yè)生產(chǎn)的熱式流量計(jì)，包括450系列單點(diǎn)式測(cè)速熱式流量計(jì)和K-BAR2000系列多點(diǎn)式測(cè)速熱式流量計(jì)兩種，其測(cè)速范圍是0~120Nm/s,工作溫度最高可達(dá)+5000C，工作壓力最高可達(dá)2Mpa, 重復(fù)性指標(biāo)為0.25%,速度傳感器響應(yīng)時(shí)間為1秒，溫度傳感器響應(yīng)時(shí)間為3秒,插入式安裝，可適合于65mm以上管道。 
 熱式流量計(jì)的測(cè)量探頭有兩個(gè)傳感器,一個(gè)是速度傳感器，一個(gè)是溫度傳感器，兩個(gè)傳感器都是基準(zhǔn)級(jí)鉑電阻傳感器。鉑電阻固定在堅(jiān)固、密封的不銹鋼套管中，在測(cè)量電路中它們也作為測(cè)量橋路的兩個(gè)臂，溫度傳感器在工作中測(cè)量被測(cè)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(dāng)參比溫度變化，則ΔT也隨著變化，可以通過(guò)加熱功率的變化來(lái)測(cè)量氣體的質(zhì)量流量。 
加熱功率P，溫差ΔT，質(zhì)量流量(qm)之間的關(guān)系如下： 
P/ΔT=K1+K2ⅹ(qm)K3  其中K1，、K2 、K3 是與氣體物性等有關(guān)的常數(shù)。ΔT一般控制在550C恒定值，則通過(guò)測(cè)量P（I）就能計(jì)算出管道內(nèi)的質(zhì)量流量qm。 
     

四. 低溫余熱發(fā)電選用熱式流量計(jì)幾個(gè)方面    

對(duì)于水泥行業(yè)特殊的氣體狀況，在選用熱式流量計(jì)必須要考慮以下幾方面： 

1．    測(cè)單點(diǎn)流速還是測(cè)多點(diǎn)流速 
一根插入的檢測(cè)桿可以測(cè)大管道中某一點(diǎn)的流速，如450系列；也可測(cè)多點(diǎn)的流速，它可反映管道內(nèi)多點(diǎn)的流速分布，如K-BAR2000系列?？紤]到投資的因素，另單點(diǎn)測(cè)量通過(guò)補(bǔ)償修正也可推算出大管道的平均流速。故筆者建議余熱發(fā)電系統(tǒng)還是用450系列單點(diǎn)式測(cè)速熱式流量計(jì)。 

2. 提供正確的流量和管道數(shù)據(jù) 
選用熱式流量計(jì)時(shí)，一定要正確提供給制造商流量、溫度、壓力等數(shù)據(jù)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(jì)供貨商可確定插入位置、插入深度和不同耐溫等級(jí)的檢測(cè)桿。理論上測(cè)量管道必須確保有前10后5的直管段長(zhǎng)度，但現(xiàn)場(chǎng)情況是實(shí)現(xiàn)不了的，供貨商會(huì)根據(jù)具體管道布置確定補(bǔ)償修正方案。 

3.    正確選擇檢測(cè)桿 
前述在低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)中廢氣流量是變化的，還帶有一定的粉塵，為此確定檢測(cè)桿的材質(zhì)和傳感器的材質(zhì)是非常重要的，余熱發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)選耐磨的哈氏合金探頭，檢測(cè)桿長(zhǎng)度也必須根據(jù)管道的資料確定。 

4.    校驗(yàn)和修正 
大管道氣體流量檢測(cè)儀表的精度一般不高，但已能滿足工控的要求，450系列單點(diǎn)式的精度為±1%的讀數(shù)，由于流速大小直接影響傳熱的快慢，間接影響測(cè)量準(zhǔn)確度，故其±1%的讀數(shù)后還要加上0.1Nm/s的附加值。管道內(nèi)氣體的流速分布是影響流量測(cè)量的準(zhǔn)確度的主要因素，對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)盡量使流速分布對(duì)稱于軸線，即充分發(fā)展紊流，只有這樣，僅測(cè)幾點(diǎn)的流速才能推算流經(jīng)整個(gè)截面的流量。 
熱式流量計(jì)在出廠前已通過(guò)風(fēng)洞標(biāo)定，在現(xiàn)場(chǎng)投入運(yùn)行前，供貨商會(huì)根據(jù)具體管道的外形和直接，通過(guò)網(wǎng)格法測(cè)量前管段某一位置，不同插入深度的約十幾個(gè)點(diǎn)的流速，并通過(guò)積累的經(jīng)驗(yàn)公式推算出平均流速的補(bǔ)償值,確保了測(cè)量的準(zhǔn)確度。 

5.重復(fù)性  
在余熱發(fā)電的自動(dòng)化系統(tǒng)中，熱式流量計(jì)只是在某一工藝點(diǎn)提供信息源的檢測(cè)環(huán)節(jié)，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(yīng)是正確無(wú)誤地反映流量的變化，如測(cè)定SF鍋爐的進(jìn)口廢氣量并不一定是風(fēng)量的確切值，我們主要看它在工藝過(guò)程中的變化，通過(guò)調(diào)節(jié)以保持風(fēng)量的恒定。這里要求熱式流量計(jì)工作可靠，其輸出與流量存在的單值函數(shù)關(guān)系不隨意變化，即重復(fù)性較好就可以了。一般來(lái)講直管段達(dá)不到要求的情況下，重復(fù)性可做到0.25%，而誤差可能超過(guò)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(xiàn)場(chǎng)加裝必要的檢測(cè)桿吹掃裝置，以確保插入式熱式流量計(jì)正常工作，供貨商有專用的檢測(cè)桿的可供選擇。 
三．結(jié)論 
 
1.我國(guó)水泥行業(yè)當(dāng)今大力推廣廢棄物綜合和低溫余熱發(fā)電，“十一五”期間新型干法水泥生產(chǎn)線40%要上低溫預(yù)熱發(fā)電。 

2.低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)中，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(shù)參數(shù)，在低溫余熱發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)中，采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的插入式熱式流量計(jì)測(cè)量廢氣流量有諸多的優(yōu)勢(shì)。另外在水泥生產(chǎn)流程中，也可用插入式熱式流量計(jì)監(jiān)控如窯系統(tǒng)和立磨系統(tǒng)的廢氣流量。 

 3.由于水泥工藝中廢氣含粉塵,而且在大管道以一定的流速流動(dòng)，在選用時(shí)務(wù)必與熱式流量計(jì)供貨商 “量身定制”，并確定直接安裝時(shí)每一細(xì)節(jié)，有些必要的附件一定要在定貨中確定。