熱式氣體流量計用于低溫余熱發(fā)電

一.大管道氣體流量計在低溫余熱發(fā)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(chǎn)過程中，在窯系統(tǒng)中熱風有一次風、二次風、三次風，還有冷卻機形成的大量熱風，在熱風循環(huán)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(guī)模的水泥生產(chǎn)線中為實現(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(chǎn)生壓力的1.25Mpa, 溫度約250~3000C，流量約20 t/h的主蒸汽并匯總進入汽機，汽機發(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)，實現(xiàn)取暖和供熱。低溫余熱發(fā)電是國家重點支持項目，近幾年低溫余熱發(fā)電在不斷進步及成熟，并開始把此技術(shù)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(shù)參數(shù)，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(chǎn)線中，熱風管道的口徑大多是大于500毫米；另被測的氣流是變化的，還帶有一定的粉塵，所測的介質(zhì)是包含氣固二相。在流量測量規(guī)范中管道口徑大于200mm在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，很會容易造成測量傳感器的堵塞。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(jié)能型經(jīng)濟，在此前提下，我們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(jié)流裝置，如傳統(tǒng)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(xiàn)場很難滿足，為此我們無法考慮采用這類儀表；我們也不推薦價格過高的氣體超聲流量計。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(jié)構(gòu)簡單、性價比較高、安裝維護方便、重復性好，但準確度一般不高。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(fā)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。它最大特點是可測量低于5m/s的流速，傳熱與流體質(zhì)量有關(guān)，因此所測的流量為質(zhì)量流量。從發(fā)展方向如一旦能改進熱式流量計的準確度，它將會有較大發(fā)展?jié)摿?，由于流量計的準確度對低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)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儀表公司專業(yè)生產(chǎn)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0~120Nm/s,工作溫度最高可達+5000C，工作壓力最高可達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65mm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(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，則通過測量P（I）就能計算出管道內(nèi)的質(zhì)量流量qm。 
     

四. 低溫余熱發(fā)電選用熱式流量計幾個方面    

對于水泥行業(yè)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(nèi)多點的流速分布，如K-BAR2000系列?？紤]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(fā)電系統(tǒng)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(shù)據(jù) 
選用熱式流量計時，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前10后5的直管段長度，但現(xiàn)場情況是實現(xiàn)不了的，供貨商會根據(jù)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(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)應選耐磨的哈氏合金探頭，檢測桿長度也必須根據(jù)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(shù)，由于流速大小直接影響傳熱的快慢，間接影響測量準確度，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量的準確度的主要因素，對于工業(yè)現(xiàn)場應盡量使流速分布對稱于軸線，即充分發(fā)展紊流，只有這樣，僅測幾點的流速才能推算流經(jīng)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(xiàn)場投入運行前，供貨商會根據(jù)具體管道的外形和直接，通過網(wǎng)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(jīng)驗公式推算出平均流速的補償值,確保了測量的準確度。 

5.重復性  
在余熱發(fā)電的自動化系統(tǒng)中，熱式流量計只是在某一工藝點提供信息源的檢測環(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(diào)節(jié)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(shù)關(guān)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%，而誤差可能超過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(xiàn)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，供貨商有專用的檢測桿的可供選擇。 
三．結(jié)論 
 
1.我國水泥行業(yè)當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)簡單的插入式熱式流量計測量廢氣流量有諸多的優(yōu)勢。另外在水泥生產(chǎn)流程中，也可用插入式熱式流量計監(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，在選用時務必與熱式流量計供貨商 “量身定制”，并確定直接安裝時每一細節(jié)，有些必要的附件一定要在定貨中確定。