矩阵式流量计

火电厂的风烟道属于大截面管道，由于锅炉结构的限制，风烟道流场分布不均匀、直管段难以满足测量要求。尤其是脱硝出口烟道，普遍存在催化还原反应不均匀、烟道直管段短的问题，烟气浓度场分布不均匀。在流场不均的风烟道，单点取样测量的数据很显然不能代表气体管道内的实际参数，不能作为生产运行调节的参考依据。万仪测控通过对比现有应用的典型气体取样技术，提出了适用于不均匀流场烟道的矩阵式取样技术。

矩阵式全截面流量测量装置是我公司针对近年来大机组的现场需求，进一步开发的新一代烟风量测量系统，能根据不同现场环境，设计测量装置。如带粉气流测量，短管道、直管段较短的不规则管道风量测量，以及大风量低流速等特殊情况的风量测量系列产品，为电厂大口径气体测量（总风量测量以及电站锅炉一、二、三次风测量、制粉系统风量测量等）、烟气排放连续监测系统配套（或升级改造）等提供了完整的解决方案。

丨概述丨基于ISO3966:1997《封闭管道中流体流量的测量/采用皮托静压管的速度-面积法》国际标准设计制造的矩阵式流量测量装置，矩阵式流量计烟气取样装置是将风烟道断面划分为若干个等面积的矩形小块，各块中心即为取样点。通过多个取样点的合理布置，用以实现大截面风烟道的全截面风烟气混合取样。风烟气经各支管取样后，在风烟道外汇流到一混合母管，混合母管连接至空气预热器后端。在大风烟道截面上采用全截面矩阵式多点测量，依据差压式测量原理，根据稳中有降测量截面尺寸的大小、直管段长短等因素确定矩阵点数，将许多个测量点等截面有机地组装在一起，正压侧与正压侧相连，负压侧与负压侧相连，正、负压侧各引出一根总的引压管，分别与差压变压变送器的正、负端相连，测得截面的平均速度，然后计算出风烟量，实践证明该装置完全能长期可靠使用，成为免维护产品。下图所示矩阵取样装置左图为圆形管道设计的标准型阵列式测量装置；右图为方形管道设计的防堵型阵列式测量装置。

丨流场不均匀性和单点取样技术现状分析丨测量管道内的气体流量，理想的状态是管道内壁非常光洁且有较长的直管段，否则管道内气体流场的不均匀，存在紊流与旋流，影响测量的准确度。但是电站锅炉的风烟道几乎不可能有这样理想的条件，解决的方法就是采用网格法在风道中布置多个测点，得到风道内的平均风速。

以燃煤机组烟气脱硝改造为例，由于场地空间限制，脱硝出口烟道较短，而且存在多处变径和拐角；火电厂烟道属于大截面烟道，烟道尺寸在几米到十几米，流场不均普遍存在。由于烟道流场分布不均，脱硝出口NOX和NH3的浓度分布也不均匀。在运行过程中，脱硝出口NOX和NH3浓度的测量数据存在基本不变化或者波动较大的情况，不响应系统工况变化，还存在脱硝出口与脱硫出口所测NOX浓度偏差较大的情况。这些测量数据不但不能为生产运行提供指导，反倒给运行人员带来困扰，给脱硝系统投自动也带来较大障碍；这些问题都是在流场分布不均的烟道上，采用传统的单点取样方式所带来的。在不均匀流场，一个点的测量数据不能代表整个烟道的烟气浓度参数，该点的测量数据也失去了使用价值和意义。当前，NOX和NH3的浓度检测已经有较为**的化学发光技术，测量精度可达到ppb级，导致NOX和NH3测量不准的主要原因集中在取样方式上。因此，研究一种能适用于不均匀流场、能充分反映烟道实际浓度的烟气取样技术就具有比较现实的意义。

在锅炉送风的测量中难点有以下几种：

1、基本是气固两相流，不是含灰就是含粉；

2、速度快，穿透力、吹扫力特别强，容易造成测量器件堵塞和磨损；

3、在大风道管道中的风速慢、直管段短、流场复杂。不易测准。

3、易堵塞。都是气固两相流体，煤粉和灰的细度只有几十至几百微米。有很强的粘附性。被测量的器件内外有温度差，形成结露。需增加额外压缩空气定时吹扫或大小修中拆卸进行彻底清洁。

4、易磨损。都是气固两相流体，气流速度会达到每秒几十米(10-40m/s)。穿透力吹扫力特别强。会对被测量器件变形，改变流速系数，影响测量精度。

5、准确性不能保证用于一次风测量器件。由于测速探头的变形，影响测量准确性。对于二次风总风等大风道，流速很低，直接测量产生的差压*多只有几百帕。对差压传感器的要求很高，不易测准。对直管段要求高，一般有5-6D，比如磨煤机冷一风进口，由于流场复杂，直管段很短。

6、压损大。为了提高差压，采用了缩孔或节流的方法。有的设备的风阻可能就有好几百帕。

7、安装不便。体积巨大，安装和维护不便。

丨案例丨为分析烟气流场的分布情况，对某电厂300MW机组脱硝出口烟气NOX和NH3的浓度分布进行了测试。烟道为10m×4m矩形烟道，在烟道两侧分别取2个取样点，探杆长度1.5米，一共取A、B、C、D四个点的NOX和NH3浓度测量数据进行分析。在负荷工况基本保持不变的情况下，分别对四个点的NOX和NH3浓度进行连续测量，测量持续时间为2小时，测量数据整理成曲线分别如下图所示。

由上图的测量曲线可看出，无论是NOX还是NH3，其浓度分布都是不均匀的。其中A取样点的数据较为稳定，但NOX的测量值比实际烟气浓度值偏高，基本都超过了排放限值50mg/m3；而NH3基本接近于0，无较大波动。其他三个取样点所测量的数据波动较大，也无规律可循。由此可见，不同取样点的测量浓度相差达到几倍甚至几十倍，如若采用单点取样方式，无论是在哪一个点取样进行烟气监测，其测量值都不能代表烟气浓度的实际值。

某电厂300MW机组在A侧脱硝反应器出口安装了我厂矩阵式烟气取样装置，装置投入运行2个月后，收集脱硝出口NOX和NH3的历史数据进行分析，数据曲线如下图所示。

由上图中NOX和NH3的历史数据曲线可看出，采用矩阵式烟气取样装置所测量的数据曲线平滑稳定，能真实反映整个烟道内的污染物浓度。而且数据无急剧的阶跃变化，有利于脱硝自动的投入。

丨结构特征丨我公司推出的矩阵式烟气流量测量装置是将烟道断面划分为若干个等面积的矩形网块，各网块中心即为取样点。通过多个取样点的合理布置，用以实现大截面烟道的全截面烟气混合取样。烟气经各支管取样后，在烟道外汇流到一混合母管，混合母管连接至空气预热器后端。矩阵取样装置取样示意图如下图所示。

丨选型应用丨矩阵式流量测量装置可适用于任何形式的大口径气体流量测量（总风量测量以及电站锅炉一、二、三次风测量、制粉系统风量测量、助燃空气、热空气、烃气、天然气、火炬气、煤气等）、烟气排放连续监测系统配套（或升级改造）。在购买选型过程中，可根据管道尺寸、结构和测量介质等要求，设计选择不同类型的矩阵式流量测量装置。

▲　标准型矩阵式风烟量测量装置——采用毕托管原理设计流量系数为1的标准测量装置；

▲　均速型矩阵式风烟量测量装置——采用均速管阵列不止，善于测量直管段较短管道风量；

▲　防堵型全截面矩阵式测量装置——防堵性能好，适合带粉尘气流测量，应用很广。

▲　多点双文丘里管风量测量装置——防堵性能好，测量精度高，适合带粉尘气流测量。

矩阵式流量计（测量装置）工艺制造标准：

1       ISO 3966-1977 《封闭管道中流体流量的测量用皮托静压管的速度面积法》

2       ISO7145:1982  《圆形截面封闭管道中流体流量的测定-在截面的1点上测量速度的方法》

3       GB/T 2624—2006   《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量》

4       DIN EN ISO 9001:2000         《欧盟质量体系标准》

5       JB/T 2274-1991        《流量显示仪表》

6       DIN 10204 TDR/DGR           《欧盟材料测试标准》

7       EN ISO5167-1        中国《节流装置计算标准》

8       JJG 640-2016         中国《差压式流量计检定规程》

9       JB/T5325- 1991              中国均速管行业标准