大氣污染防治是我國環(huán)保工作的重點(diǎn)。煙塵濃度及煙氣（氣態(tài)和固態(tài)組成）的含量觀察、分析其變化和對環(huán)境影響的過程， 是冶金企業(yè)、化工企業(yè)及其他工業(yè)企業(yè)污染源監(jiān)測的主要監(jiān)測項目之一。煙道氣監(jiān)測的目的是：（1）檢查煙氣中的各種污染物的排放濃度和排放量是否符合國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)；（2）檢查煙氣凈化裝置及污染防治措施的行能和使用情況；（3）為大氣環(huán)境管理和大氣環(huán)境質(zhì)量評價提供依據(jù)。確定污染物排放量的關(guān)鍵是煙道氣流速，而測點(diǎn)位置和布置對于測量結(jié)果的影響很大。本文首先是歸納了各種流量計在煙道氣測量上的方式、效果及其不足之處。從而能引出本文闡述的論點(diǎn)：使用均速管 – 質(zhì)量流量計組合測量來確定企業(yè)排放煙氣體流量。

煙道氣是有毒有害氣體和煙塵的混合物，是污染大氣的重要原因。煙氣的成分很復(fù)雜，氣體中包括 SO2、CO、CO2 碳?xì)浠衔镆约暗趸衔锏?，煙塵包括燃料的灰分、煤塵、油滴以及高溫裂解產(chǎn)物等。因此煙道氣對環(huán)境的污染是多種有毒物質(zhì)的復(fù)合污染。
顯而易見，控制煙道氣流量的排放是至關(guān)重要的，傳統(tǒng)的煙道氣流量測量方法有：（1）超聲波流量計；（2）單一的均速管流量計；（3） 熱式氣體質(zhì)量流量計。
二、問題的提出
雖然煙道氣的測量方式有多種多樣，但是通常的測量方法均存在一定的問題。
（1） 超聲波流量計：超聲波氣體流量計是利用超聲波在流體中順流和逆流傳播的速度差與流體的流速成正比的原理測量流量的。運(yùn)用此方法測量的缺點(diǎn)是造價昂貴，測量精度不高，通常只有 ±2 ～ 5%。
（2） 單一的均速管流量計：均速管流量計是采用皮托管測量原理測量流體的全壓與靜壓，從而達(dá)到測量流量的目的。均速管流量計具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝維修方便、運(yùn)行及制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大管徑、允許壓損小的場合。由均速管流量計的測量原理可知其測量的是體積流量，而煙氣是變組分的介質(zhì)，密度是變化的。因此要得到煙氣的質(zhì)量流量僅僅通過單一的均速管流量計是無法實(shí)現(xiàn)的。
（3） 熱式氣體質(zhì)量流量計：熱式流量計是利用傳熱原理檢測流量儀表，即流動中的流體與熱源之間熱量交換關(guān)系來測量流量的儀表。該儀表的傳感器由兩個基準(zhǔn)級熱電阻 RTD 組成。一個是質(zhì)量速度傳感器T1，一個是測量氣體、溫度變化的溫度傳感器 T2。當(dāng)這兩個 RTD 置于被測氣體中時，其中傳感器 T1 被加熱到氣體溫度以上的一個恒定的溫差， 另一個傳感器 T2 用于感應(yīng)被測氣體溫度。隨著氣體質(zhì)量流速的增加， 氣體帶走更多熱量，傳感器 T1 的溫度下降，要維持 T1、T2 恒定的溫度差，T1 的加熱功率就要增大。根據(jù)熱效應(yīng)的金氏定律，加熱功率 P、溫差△ T=（T1-T2）與質(zhì)量流量 Q 有確定的數(shù)學(xué)關(guān)系式。但是和均速管流量計一樣，熱式流量計在測量氣體組分變化較大的場所，因 CP 值和熱導(dǎo)率的變化，測量值會有較大的變化，從而產(chǎn)生較大的誤差。
由此可見，以上三種測量方法均不適合用于在煙道氣質(zhì)量流量的測量。

三、解決方法
運(yùn)用均速管流量計、科里奧利質(zhì)量流量計組合測量的方法就可以很好地解決以上三種測量方式的不足之處。
科里奧利質(zhì)量流量計是利用流體在直線運(yùn)動的同時處于一旋轉(zhuǎn)系中，產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力原理制成的一種直接式質(zhì)量流量儀表?；诖嗽恚摿髁坑嬁梢詼y得流體的密度。
上文已介紹過均速管流量計的測量原理，其測量的是流體的體積流量。采用科里奧利質(zhì)量流量計測量煙氣密度，均速管流量計測量煙氣體積流量， 兩者結(jié)合，利用平均值補(bǔ)償，就可以推算出整個煙道氣管道的流量了。

四、安裝要求
質(zhì)量流量計和均速管流量計的安裝位置和安裝方式將會直接影響到整個測量精度。首先應(yīng)確定均速管流量計的安裝位置，煙道氣的測量是在煙囪管道內(nèi)部進(jìn)行測定或采試樣測定，為了使測量點(diǎn)具有代表性，測
量點(diǎn)的位置盡可能選在煙道氣氣流均勻而穩(wěn)定的管段上，應(yīng)避開彎頭、閥門和變徑管等容易產(chǎn)生渦流的阻力構(gòu)件，原則是：以煙氣流向?yàn)闇?zhǔn)， 測定斷面與其上游方向阻力構(gòu)件的距離，最好大于煙道氣測量管直徑的10 倍，與其下游方向阻力構(gòu)件的距離，最好大于煙道氣測量管直徑的
10 倍，與其下游方向阻力構(gòu)件的距離大于煙道氣測量管直徑的 5 倍。此外，由于水平管道中氣流速度分布和粒狀物濃度分布不如垂直管道內(nèi)均勻，所以選擇測量點(diǎn)時，應(yīng)優(yōu)先選取垂直管段。

均速管流量計安裝位置確定后，再確定質(zhì)量流量計的安裝位置。在均速管流量計的前端另開一側(cè)。斜向 30°側(cè)開一個口，引出一段為 1 寸大小的分支測量管（圖 1），把質(zhì)量流量計安裝在導(dǎo)管上，把質(zhì)量流量計另一端連接在煙道氣管道上形成一個環(huán)路（圖 2）。
 
圖 1 圖 2
質(zhì)量流量計的位置取舍是至關(guān)重要的，如果測量點(diǎn)的位置必須位于均速管流量計前端，引出一段分支測量管深入煙道氣管道內(nèi)側(cè)，深入的長度約為管道內(nèi)徑的 1/8D 之處，如若調(diào)整深入長度的話，可運(yùn)用在線插拔裝置調(diào)整深入長度，此處位置點(diǎn)的取舍是根據(jù)流體力學(xué)得出的—— 流體力學(xué)是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的一門分支，是研究流體（包含氣體及液體） 現(xiàn)象以及相關(guān)力學(xué)行為的科學(xué)。分支測量管的角度為與煙道氣管道成30°安裝。分支測量管的大小為 1 寸左右。詳見圖 2 所示。
分支測量管安裝完成后把質(zhì)量流量計安裝在分支測量管上即可。另外一端使用相同口徑的測量管連接到主管測量管上即可（安裝位置必須在均速管流量計開孔處后側(cè)位置）。
安裝完質(zhì)量流量計后，在質(zhì)量流量計兩側(cè)開孔的中心位置上，安裝均速管流量計，此流量計必須處于此兩側(cè)開孔之間。
安裝完質(zhì)量流量計和均速管流量計后，使用電纜把信號傳輸?shù)椒e算儀上即可使用測量。
此測量方式的原理在于：運(yùn)用質(zhì)量流量計，測出煙道氣管道中的介質(zhì)的密度及流速（V1）：即判斷出整個煙道氣管道中的介質(zhì)即為質(zhì)量流量計測得的密度。根據(jù)此得到介質(zhì)的密度與均速管流量計測得的體積量， 運(yùn)用積算儀或 PLC 等，處理從而得到整個煙道氣管道的質(zhì)量流量。
五、取得的效果（效益）
使用此方案測量的好處在于：其安裝過程中非常的方便也可不停產(chǎn)在線安裝，只需在管段上開四個取壓孔即可，大大地減少了安裝時間， 節(jié)省了大量的人力。
其測量的效果與使用超聲波流量計相比其價格便宜，測量精度相比高于單一的均速管流量計。其測量方式又不受限于介質(zhì)的組合成分，密度的變化。
以傳統(tǒng)的測量方法加上密度的組合而成的質(zhì)量流量。

1大管道煙風(fēng)測量
1.1常用大管道氣體流量測量裝置
根據(jù)工作原理不同，流量測量儀表主要分為以下 6種：差壓式流量計、葉輪式流量計、電磁流量計、超聲 波流量計、渦街流量計、容積流量計¹。目前，工業(yè)上 風(fēng)量的測量介質(zhì)是含有一定雜質(zhì)/煙塵的空氣或者煙 氣，常用的風(fēng)量測量儀表是熱線風(fēng)速儀、皮托管、氣體 超聲波流量計、風(fēng)量罩和均速管等。
熱線風(fēng)速儀利用熱耗散原理，將一根通以電流而 被加熱的細(xì)金屬絲感測元件置于管道中。當(dāng)氣體流過 它時，將帶走一定的熱量，此熱量與流體的速度存在一 定關(guān)系。其最大特點(diǎn)是只能測量單點(diǎn)的流速，不能實(shí) 現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，流體成分會影響測量結(jié)果，響應(yīng)時間大于 1 s, 一般要求所測氣體溫度不高于350 °C ²。
皮托管通過測量氣流全壓和靜壓來確定氣體的流 速。其特點(diǎn)是只能測單點(diǎn)流速，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，管 道中流速分布對其影響較大。同時，皮托管操作要求 高、消耗工時較多，適用于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，可作為工業(yè)現(xiàn)場 風(fēng)量測量校驗(yàn)的儀器。
氣體超聲波流量計利用流體的流動速度對超聲波 的傳動信號所造成干擾，通過測量電信號的變化來獲 得流速回。采用便攜式超聲波流量計進(jìn)行流量測量 時，只需將其安裝在測量管道的外表面，不與被測流體 接觸，沒有壓力損失,操作十分方便，但測量精度不高， 并且大部分超聲波流量計不適用于對含粉塵氣體流量 的測量。
風(fēng)量罩主要用來測量管道出口處的氣體流量儀 器，其測量原理是利用速度矩陣中心測量差壓，獲得截 面平均流速。風(fēng)量罩質(zhì)量輕便、操作簡單，但它局限于 對風(fēng)口處的測量，不適用于封閉煙風(fēng)管道的氣體流量 測量。
均速管流量計是一種差壓式流量計，通過測量管 道同一截面徑向不同點(diǎn)的全壓與靜壓之差，計算出該 截面的平均流速。均速管不適用于小流量的測量，在 大流量測量中具有優(yōu)勢。均速管因其結(jié)構(gòu)簡單、價格 低廉、穩(wěn)定性好、動力消耗少、安裝方便、維護(hù)量小、壓 力損失小、準(zhǔn)確度好和適用測量管徑范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，其 應(yīng)用的范圍越來越廣泛可。
1.2風(fēng)量測量存在的主要問題
工業(yè)大型煙風(fēng)管道中的流體多為紊流，要準(zhǔn)確地 測量流量，必須具有較長的直管段，而實(shí)際測量現(xiàn)場往 往無法滿足此要求國。
燒結(jié)余熱煙風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)量測量特點(diǎn)如下。
① 煙風(fēng)直管段較短（直管段僅有0. 5D ~2D，D為 管道內(nèi)徑），同時風(fēng)管通道測點(diǎn)的上游可能存在調(diào)節(jié) 風(fēng)門、彎頭、各種加強(qiáng)支撐件等阻力件，造成管道內(nèi)測 點(diǎn)所在截面上的流場分布很不均勻，甚至有漩渦存在。 流場的不穩(wěn)定，將導(dǎo)致測量精確度降低。
② 管道中煙氣含有一定濕度、粉塵等不利因素，容 易造成傳感器堵塞，從而使得測量不準(zhǔn)確或者無法 測量。
③ 煙風(fēng)管道內(nèi)壓力低、差壓小，若采用靈敏度不高 的差壓測量儀器，將導(dǎo)致所測參數(shù)不準(zhǔn)確，甚至導(dǎo)致測 量的數(shù)據(jù)無意義。
④ 測量環(huán)境惡劣，由于環(huán)冷機(jī)煙風(fēng)罩處密封不 嚴(yán)密，同時煙風(fēng)罩常常未采取保溫措施，這就使得在 所要測量位置常常有高溫?zé)焿m。人員因此不易或者 無法靠近煙風(fēng)管道，自然也無法采用手持儀器進(jìn)行 現(xiàn)場熱工測量。
針對這些問題，只有在環(huán)境條件具有可操作性的 情況下，才可將插入式熱線風(fēng)速儀或皮托管作為現(xiàn)場 風(fēng)量測量校驗(yàn)的儀器。
在檢測大管道氣體流量時，均速管因具有安裝穩(wěn) 定、運(yùn)行可靠、壓力損失小、準(zhǔn)確度高和適用測量管徑 范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，常作為首選儀表。針對燒結(jié)余熱煙風(fēng) 測量中存在的問題，均速管能較好地實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量，新 型均速管測量系統(tǒng)就是基于此設(shè)計的。

這些區(qū)域中各點(diǎn)流體的流速相等。通過測量每一個區(qū) 域中某個特征點(diǎn)的流速，計算出整個管道截面的平均 流速，進(jìn)而得到通過管道截面的流體流量值⁷。
均速管測速原理圖如圖2所示。

 

圖2均速管測速原理圖
Fig. 2 Principle of velocity measurement of Annubar
 
本裝置主要是對燒結(jié)余熱風(fēng)量進(jìn)行測量，所測介 質(zhì)是熱空氣，可近似為不可壓縮的理想定常流體，符合 不可壓縮流體伯努利方程國。截面選取如圖2中截面 1 -1與2 -2所示,可得：
2 2
pVi Q%
P1 + 2 + （人a – 人）X （名2 -名1） = P2 + 2 + P1 – ² 式中 :P₁、P₂分別為截面^{1 -1}、2 ^{– 2}的靜壓，Pa； p為空 氣密度,kg/m³:V1、2分別為截面1 -1P – 2流體的平 均流速,m/s,（A_a —人）X （z₂ — z₁）為截面 1 – 1、2 — 2 的 位壓差，Pa；P1和P2分別為截面1 -1P – 2間的壓力 損失，Pa。
根據(jù)穩(wěn)定不可壓縮流體連續(xù)性方程，有：
A₁ v₁ = A₂ v₂ （1）
式中:A₁P₂為截面1 -1、2 -2的有效通風(fēng)面積。
由此可推得均速管流量傳感器的流量計算公式為:
X
［）^{+ Y}
式中：Ap為與均速管連接的差壓測量裝置所測得的差 壓，Pa；丫為均速管檢測桿局部阻力系數(shù)；K為均速管 流量系數(shù)。
3裝置在項目上的應(yīng)用實(shí)例
3.1燒結(jié)余熱煙風(fēng)系統(tǒng)
目前,燒結(jié)余熱煙氣系統(tǒng)主要利用環(huán)冷機(jī)的煙氣 余熱資源。高溫?zé)Y(jié)礦經(jīng)過破碎后落入環(huán)冷機(jī)，通過 環(huán)冷機(jī)底部的鼓風(fēng)機(jī)鼓入冷空氣來進(jìn)行逐步冷卻。冷 空氣被高溫?zé)Y(jié)礦加熱產(chǎn)生高溫?zé)峥諝?，將溫度?250 -450 T的高溫?zé)峥諝庖胗酂徨仩t加熱給水，產(chǎn) 生過熱蒸汽推動汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，從而達(dá)到燒 結(jié)余熱資源回收利用的目的。在此煙風(fēng)系統(tǒng)中，為了 進(jìn)一步提高余熱鍋爐的進(jìn)口煙氣溫度，常常將余熱鍋 爐排放的100 – 150 °C低溫?zé)煔馔ㄟ^循環(huán)風(fēng)機(jī)輸送回 環(huán)冷機(jī)的前段風(fēng)箱，從而進(jìn)一步提高余熱煙溫和余熱 利用率⁹。
3.2均速管布置情況及煙道參數(shù)
燒結(jié)余熱鍋爐有2段入口煙風(fēng)管道,新型均速管布 置的2個測點(diǎn)所在煙道相關(guān)參數(shù)如表1所示。均速管 所安裝位置的管道前后直管段總長度約為2D，直管段 較短，同時所測煙風(fēng)中含有一定粉塵，容易造成測量裝 置堵塞和磨損問題。因此,新型均速管檢測桿配置了反 吹裝置，防止檢測桿測量孔堵塞，從而保證測量準(zhǔn)確性。
表1煙道相關(guān)參數(shù)
Tab. 1 Pipeline parameters of the flue pipe

 
3.3風(fēng)量測量系統(tǒng)設(shè)計方案
新型均速管測量系統(tǒng)由新型均速管、微差壓/壓力 變送器、鎧裝熱電偶、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、 定時防堵反吹裝置組成。均速管測量孔所測得的壓力 經(jīng)均值腔平均之后，通過引壓管引至差壓變送器和壓 力變送器，再通過數(shù)據(jù)電纜線將變送器信號傳送至數(shù) 據(jù)采集處理系統(tǒng)；通過PC對該信號進(jìn)行連續(xù)實(shí)時監(jiān) 測和處理，計算出所測點(diǎn)的煙風(fēng)流量。
微差壓/壓力變送器采用的是精度高的羅斯蒙特 變送器。鎧裝熱電偶采用熱電偶冷端自動補(bǔ)償技術(shù)， 從而提高溫度測量精度。
定時防堵反吹裝置可根據(jù)現(xiàn)場的需要設(shè)定吹掃時 間、壓力和間隔時間，定期對均速管和引壓管路進(jìn)行吹 掃，防止粉塵堵塞造成測量不準(zhǔn)確。吹掃時將自動關(guān)閉 測量閥門，以保證不影響測量數(shù)據(jù)。吹掃氣源直接引自 鋼鐵廠內(nèi)的壓縮空氣，通過過濾器來保證氣源清潔、減壓 閥來控制吹掃壓力，從而得到穩(wěn)定清潔的防堵反吹動力。
3.4風(fēng)量測量系統(tǒng)實(shí)際測量效果
2011年10月初，該套風(fēng)量測量系統(tǒng)在鋼鐵廠燒 結(jié)余熱發(fā)電煙風(fēng)系統(tǒng)中投入使用，經(jīng)過一個月運(yùn)行工 作，風(fēng)量測量系統(tǒng)工作平穩(wěn)正常，測量煙氣流量效果理 想，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
測量結(jié)果顯示，新型均速管所測風(fēng)量參數(shù)與皮托 管、熱式風(fēng)速儀所測風(fēng)量參數(shù)十分吻合,滿足了工程可 接受的測量誤差范圍和準(zhǔn)確度要求。