煙氣脫硫流量計 全截面矩陣系統(tǒng)
摘要：脫硫工程中煙氣流量測量的技術(shù)難點及解決方案, 以及全截面矩陣式煙氣流量計在白音華金山電廠脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用及效果。
1、概述：
隨著對節(jié)能減排及總量排放的要求越來越高, 環(huán)保部門對各電力企業(yè)的脫硫煙氣排放量的流量測量準確性越來越重視。針對畢托管、熱式流量計、巴類等傳統(tǒng)的流量測量裝置對安裝環(huán)境要求高、測量偏差較大等問題也發(fā)放了有關(guān)文件。
經(jīng)過充分的調(diào)研和論證分析, 針對內(nèi)蒙古白音華金山電廠脫硫工況的實際情況, 在脫硫系統(tǒng)的凈煙氣流量測量裝置上采用了全截面矩陣式煙氣流量計, 得到了滿意的效果。
2、脫硫煙氣流量測量的主要技術(shù)難點：
脫硫煙氣裝置測量的難點主要體現(xiàn)在以下幾個方面。
2.1、脫硫煙氣管道的管徑大、速度不均問題：
現(xiàn)有的差壓式的流量測量裝置的計算模型都是Q=V*S. (Q為流量, V為速度, S代表管道截面) , 但是管道內(nèi)部的速度場分布很不均勻 (尤其是大尺寸管道) , 截面的不同位置速度差別很大, 所以取壓點位置的選擇決定管道流量測定結(jié)果的準確性。為獲得準確可靠的管道流量測量結(jié)果, 這就要求取壓點不應(yīng)是截面的某一個點而是在全截面上布置具有代表性的多個取壓點。白音華金山電廠原采用的測量裝置為單取壓點的畢托管測量裝置, 無法滿足大管徑管道煙氣流量測量的要求。
2.2、脫硫裝置前后直管道長度難以滿足測量要求問題：
從節(jié)約和工藝的要求上一般脫硫裝置前后都很少有較長的直管段, 只要比較順利地連通管道就行;而在這有限的直管段中, 又要設(shè)置必須的管道附件, 如煙氣擋板, 膨脹節(jié)、三通等;這就使得煙氣的流場非常錯亂。而傳統(tǒng)煙氣流量測量裝置需要直管段長度必須不低于前四后二 (取壓點前后直管段長度分別不小于4倍和2倍管道橫截面當量直徑) , 才能保證測量的準確性。白音華金山電廠脫硫煙氣管道尺寸是10m×7m, 當量直徑是8.2m (2AB/ (A+B) ) , 為保證準確性應(yīng)有49.2m左右的直管段, 現(xiàn)場無法滿足實際測量需求。
2.3、測量裝置的堵塞問題：
和鍋爐的一、二次風風量測量裝置產(chǎn)生堵塞的情況相比, 脫硫煙氣測量裝置的堵塞更為嚴重而難以解決;造成一、二次風測風裝置的堵塞的是空氣中干燥的灰塵, 而脫硫煙氣在經(jīng)過脫硫裝置后 (無論是否有GGH) , 煙氣中已攜帶大量水分, 煙氣顆粒物以灰漿形式積存在測量裝置上, 簡單地說一、二次風的測量的是氣、固兩相流, 而脫硫煙氣測量的是氣、固、液三相混合流, 運行工況更復雜, 堵塞更嚴重。為保證測量裝置正常運行, 必須解決裝置堵塞問題, 否則一旦出現(xiàn)堵塞, 必然影響測量結(jié)果準確性, 甚至無差壓輸出, 即使采用壓縮空氣吹掃也難以徹底解決。
2.4、測量裝置的腐蝕問題：
煙氣在脫硫過程中會使用具有腐蝕性的脫硫劑, 同時煙氣中的硫化物也會部分溶解在脫硫煙氣攜帶的水分中, 具有很強的腐蝕性, 煙氣測量裝置長期處在腐蝕性環(huán)境中運行, 必然產(chǎn)生腐蝕。
3、全截面矩陣式煙氣流量測量裝置的原理及特點：
3.1、測量裝置的原理：
測量裝置是基于靠背管原理, 測量裝置的取壓管設(shè)置在煙氣管道內(nèi), 煙氣在管道內(nèi)流動時, 迎風面取壓管受到氣流沖擊而產(chǎn)生壓力能, 管道壓力較高, 其壓力稱為“全壓”;背風面取壓管不受氣流沖擊, 管道壓力為煙氣管道內(nèi)靜壓力, 其壓力稱為“靜壓”。全壓與靜壓之差稱為差壓, 差壓的大小與管道內(nèi)介質(zhì)流速 (量) 有關(guān), 流速 (量) 越大, 差壓越大;反之, 差壓越小。測量裝置通過測量差壓大小, 再由相關(guān)模型計算公式輸出煙氣管道內(nèi)流速 (量) 。
3.2、自清灰防堵塞裝置—解決裝置堵塞的問題：
針對脫硫煙氣易堵塞情況, 測量裝置上增設(shè)自清灰防堵塞裝置, 即在取壓管垂直管道內(nèi)設(shè)置有自清灰棒, 在氣流沖擊下自清灰棒無規(guī)則擺動并與取壓管壁撞擊將其上附著的灰塵清掃下來, 實現(xiàn)自清灰作用。
3.3、全截面取壓點的矩陣式分布—解決直管段不滿足和管道附件多的問題：
脫硫煙氣風道尺寸較大、直管段長度不同, 造成風道橫截面不同位置風速不同, 因此一個取樣點的傳統(tǒng)測量裝置是無法獲得準確的測量結(jié)果。為解決這一問題, 全截面矩陣式煙氣測量裝置提出了采用矩陣式多點設(shè)置取壓點的測量方式, 即根據(jù)風道尺寸大小將整個風道橫截面劃分成多個取壓區(qū)域, 每個區(qū)域設(shè)置1個取壓點, 這些取壓點的所有迎風面取壓管相連, 背風面取壓管相連, 并各自引出一根總引壓管, 總引壓管 (全壓、靜壓) 中的壓力為橫截面各取壓區(qū)域的平均壓力, 通過模型計算公式輸出煙氣管道內(nèi)平均流速 (量) 。該測量裝置充分考慮了橫截面不同位置風速變化對壓力 (流量) 的影響, 對直管段長度不作硬性要求, 也不需要設(shè)置煙氣擋板等附件。
全截面矩陣式取壓點布置示意圖如圖1:
圖1 全截面矩陣式取壓點布置示意圖 (圖中“O”表示取壓點)
4、脫硫煙氣測量裝置的功能優(yōu)點：
(1) 徹底解決了脫硫含塵煙氣風速、風量測量裝置堵塞問題, 全截面矩陣式煙氣測量裝置利用流體本身動能推動清灰棒自動清灰, 不需要外加氣體吹掃, 免停機維護, 可以做到長期免維護穩(wěn)定運行。
(2) 全截面矩陣式煙氣測量裝置采用設(shè)置多點取壓方式, 獲得流道內(nèi)流體的平均流速 (量) , 其測量結(jié)果準確可靠。
(3) 全截面矩陣式煙氣測量裝置可采用垂直或水平布置方式, 對測量點前后直管道長度沒有過多要求, 一般滿足直管段長度不小于管道當量直徑即可, 其安裝方式靈活, 可以適用不同尺寸流道測量要求。
(4) 全截面矩陣式煙氣測量裝置取壓管道安裝在風道內(nèi)部, 其擋風面積相對整個風道尺寸可以忽略, 對風道流體壓力損失幾乎沒有。
(5) 耐腐蝕—全截面矩陣式煙氣測量裝置采用316L為材質(zhì), 可保證在機組1~2個大修期內(nèi)不被腐蝕。
5、白音華金山發(fā)電廠脫硫煙氣流量測量裝置的選型、安裝：
5.1、流量測量裝置的選型:YC-J-B-4型流量計：
根據(jù)現(xiàn)有資料及廠家的工程經(jīng)驗, 擬在原煙氣測量裝置位置進行改造, 全截面矩陣式取壓裝置布置示意圖如圖2:
圖2 全截面矩陣式取壓裝置布置示意圖
5.2、風量計算模型：
式中: Q—被測氣體容積流量 (單個部分測量裝置) , 單位m3/h;
GZ—被測氣體質(zhì)量流量, 單位t/h;
GB—被測氣體折算到標準狀況 (0℃, 273K) 下的流量, 單位Nm3/h;
K—風量裝置流量系數(shù);
A—風道面積, 單位m2。
5.3、流量測量裝置的安裝：
脫硫煙氣流量測量裝置需要2只支架, 支架采用8#槽鋼, 兩端固定在管道壁上, 主要有以下幾點要求:
(1) 支架的兩端固定在管道壁上, 需采用焊接, 位置準確、牢固。完工后采用和原管道相同的防腐措施進行防腐 (防腐包括支架本身) 。
(2) 測量裝置和支架接觸的地方采用不銹鋼焊條焊接。完工后對支架采用和原管道相同的防腐措施進行防腐。
(3) 總引壓管的引出可根據(jù)現(xiàn)場情況靈活布置, 以求方便就行?？傄龎汗芎蜏y量裝置材質(zhì)相同。
6、改造后的效果：
工程改造投運后, 經(jīng)過機組各種負荷的變化驗證, 調(diào)節(jié)線性跟蹤良好, 煙氣流量與機組負荷變化關(guān)系曲線如圖3:
圖3 煙氣流量與機組負荷變化曲線
一、煙氣流量計概述
煙氣是氣體和煙塵的混合物，煙氣的成分很復雜，氣體中包括 水蒸汽、SO2 、N2、O2、 CO 、 CO2 碳氫化合物以及氮氧化合物等，煙塵包括燃料的灰分、煤粒、油滴以及高溫裂解產(chǎn)物等。因此煙氣對環(huán)境的污染是多種毒物的復合污染。煙塵對人體的危害性與顆粒的大小有關(guān)，對人體產(chǎn)生危害的多是直徑小于 10 微米的飄塵，尤其以 1-2.5 微米的飄塵危害性zui大。
二、傳感器選型
根據(jù)介質(zhì)中有粉塵及工況條件選用產(chǎn)品BTB-B2系列畢托巴可疏通型傳感器,傳感器材質(zhì)為316L(暫定)，防腐、耐磨。該流量測量裝置傳感器在測量含煙氣時采用垂直向下安裝，畢托巴流量計采取豎直向下安裝可以有效的防止煙氣的雜質(zhì)長時間粘附在傳感器上起到良好防堵效果，準確的提取實時差壓信號。傳感器和差壓變送器、溫度計、壓力變送器一體化連接只需在管道上開一個45mm孔就能實現(xiàn)按裝。溫度計測量溫度對流量進行溫度補償，壓力變送器測量介質(zhì)壓力對流量進行壓力補償。
三、原理
防堵型畢托巴傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，主要部件加工精度高，每臺產(chǎn)品都在實驗室高精度標準風洞上進行吹風標定，并把標定結(jié)果作成數(shù)據(jù)庫存入單片機程序中，且一次元件安裝簡便，維護量小，安裝時只需在介質(zhì)管道上打一個Φ45mm左右的小孔，便可直接與畢托巴傳感器的連接座焊接，尤其是對大口徑管道的測量比渦街、孔板等節(jié)流流量計測量優(yōu)越性更為突出。
畢托巴是采用皮托管原理提取流體流速（全壓-靜壓＝動壓）再換算成流體體積流量與質(zhì)量流量的差壓式流量計。皮托管原理很早就被廣泛應(yīng)用在航天航空業(yè)中。如：飛機風洞的測試和檢測、飛機發(fā)動機氣體動力測試、飛機飛行速度的測速桿等。
防堵型畢托巴測量系統(tǒng)由防堵塞一次測量傳感器——畢托巴傳感器（無需清灰，本身具有防堵耐磨性能）、保護裝置、高精度差壓變送器組成；利用畢托巴傳感器作為流量測量的傳感器配合高精度差壓變送器測出差壓，并將差壓信號轉(zhuǎn)換成4～20mA DC標準電流信號，再引入DCS系統(tǒng)（由我廠提供計算模型和參數(shù)表），并用數(shù)字顯示出差壓、瞬時流量、累積流量、速度等參數(shù)。
3.2防堵型流量系統(tǒng)構(gòu)成圖
四、特點
◆ 節(jié)能：由于一次測量元件智能探針是Φ20mm不銹鋼制成，其截面積很小在介質(zhì)管道中幾乎無壓力損失，使運行成本大大減小，與孔板等節(jié)流裝置相比較具有明顯的節(jié)能效果。是發(fā)改委的第061號節(jié)能產(chǎn)品。
◆ 耐高溫高壓：一次元件智能探針材質(zhì)選用1Cr18Ni9Ti不銹鋼 ( 根據(jù)不同介質(zhì)選用特種鋼 )，可耐介質(zhì)zui高溫度650℃，介質(zhì)zui高壓力32MPa。
◆ 可靠性高：因探針的構(gòu)造非常簡單，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，導壓管內(nèi)介質(zhì)不流動，雜物不容易進去，所以能長時間保持測量精度。
◆ 安裝簡便：只需在管道合適的位置上打一個相當?shù)目?，把一次元件探針插入管道中心，即可方便地進行安裝。
◆ 無需維護：一次測量元件探針本身無需維護，只需按計量器具定期檢定要求對差壓變送器進行零點和滿度的校驗以及二次表輸入相應(yīng)的電流進行校驗。
◆ 測量范圍廣：流量在0.2 t/h～50000 t/h都可以測量。對低流速、小流量、大管徑測量效果尤佳。
◆ 廣泛用于氣體、蒸汽和液體流量測量。氣體：一次風速 ( 量 )、二次風速 ( 量 )、( 負壓 ) 空氣、氧氣、氫氣、干氣、煤氣 ( 轉(zhuǎn)爐煤氣、高爐煤氣、焦爐煤氣 )、天然氣、液化氣、煙氣、 化工物料氣等；汽體：過熱蒸汽、飽和蒸汽、濕蒸汽、雙向蒸汽等；液體：水、不滿管水、輕油、焦油、原油、各種溶液、化工物料液等。
◆ 介質(zhì)管道橫截面形狀適用范圍廣：本流量計對介質(zhì)管道截面的幾何形狀無要求，圓形、橢圓形、方形、長方形、棱形、三角形、 梯形等均適用。
◆ 不要求直管段：清華大學幾十年吹風實驗積累了各種工況下彎管段到15倍管徑之間修正系數(shù)數(shù)據(jù)庫，只要用戶提供直管段長度即可，即使在彎管處安裝同樣保證精度。
◆ 配有智能化二次儀表：既可數(shù)顯各項參數(shù)，又可進行遠程通訊，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，便于集中管理。
五、安裝
1）選擇好位置并開孔。
2）畢托巴傳感器在焊接前應(yīng)檢查尺寸和頭部方向，要保證安裝后畢托巴探頭部位于管道中心線上，并且使總壓孔對正來流方向。
3）在畢托巴傳感器的總壓和靜壓引出口處各連接一個一次截止閥，注意將所有管道接頭，一次截止閥等連接件盡可能改成焊接連接，以杜絕漏氣。正常運行后，應(yīng)檢查并保證無泄漏。
4）差壓變送器固定在適當?shù)闹Ъ苌?。并根?jù)現(xiàn)場情況選擇差壓變送器安裝位置。差壓變送器的兩個接口應(yīng)布置在同一水平面內(nèi)。
5）管道和焊口應(yīng)徹底清洗，在緊固差壓變送器前，還應(yīng)逐個打開一次截止閥，用空氣清洗導壓管內(nèi)的焊渣和污物。然后將截止閥關(guān)斷。
6）連接好差壓變送器信號線。
投入運行：
將差壓變送器24V直流電源投入。
將兩個一次截止閥依次打開。
安裝示意圖：
7、結(jié)語：
隨著《燃煤電廠大氣污染物排放標準》、《燃煤電廠超低排放煙氣治理工程技術(shù)規(guī)范》等文件對超低排放提出新的要求, 火力發(fā)電廠煙氣排放量的流量測量準確性越來越重要, 對流量測量裝置的測量準確性、可靠性、高靈敏度、安裝簡易、運行穩(wěn)定、免維護等要求也會越來越受到重視。全截面矩陣式煙氣流量測量裝置的應(yīng)用前景也會越來越廣闊。