热式气体流量计用于低温余热发电

一.大管道气体流量计在低温余热发电项目中开始应用 
新型干法水泥工艺气流活跃在整个生产过程中，在窑系统中热风有一次风、二次风、三次风，还有冷却机形成的大量热风，在热风循环过程中一部分热风用于原料和煤粉的烘干，还有一部分气体则作为废气被排放在大气中。在2500t/d 、5000t/d 等规模的水泥生产线中为实现低温废气综合利用，将其用于余热发电和热力管网。低温余热发电主要利用在窑尾一级筒出口至排风机的管道抽出的废气，同时在冷却机抽出一定流量的废气，进入SP余热锅炉和AQC余热锅炉，余热锅炉出力，各自产生压力的1.25Mpa, 温度约250~3000C，流量约20 t/h的主蒸汽并汇总进入汽机，汽机发出的电能并入工厂中压电网。在北方地区低温余热也用于热力管网，实现取暖和供热。低温余热发电是国家重点支持项目，近几年低温余热发电在不断进步及成熟，并开始把此技术出口到泰国等国家。 
 
入口废气温度和流量是SP余热锅炉和AQC余热锅炉重要技术参数，在温度和流量的测定中，流量的测定有一定的难度，也日益迫切有待解决。难度在于新型干法水泥生产线中，热风管道的口径大多是大于500毫米；另被测的气流是变化的，还带有一定的粉尘，所测的介质是包含气固二相。在流量测量规范中管道口径大于200mm在就属于大口径流量测量，气固二相的流量测量又是特殊范畴； 常用的气体测量传感器中一般带有小孔，热风中含有粉尘，很会容易造成测量传感器的堵塞。如何选用低温余热发电大管道的流量测量仪表是本文讨论的重点。    

二. 大管道气体流量检测仪表 
当今我国倡导建设节能型经济，在此前提下，我们所介绍的大管道气体流量检测仪表排除了压损大、运行费过高的节流装置，如传统的孔板式流量计，对大口径的管道它需要大的安装法兰，不仅笨重，还有较大压损，运行中磨损大，费用过高，ISO5167的新标准还要求前直管段达30~40D，现场很难满足，为此我们无法考虑采用这类仪表；我们也不推荐价格过高的气体超声流量计。在余热发电工控系统中，我们建议采用取样原理、插入安装方式，通过测取管道中一点或多点的流速来推算流量的插入式流量计。这类仪表的特点是：结构简单、性价比较高、安装维护方便、重复性好，但准确度一般不高。较典型的是差压式均速管流量计和热式流量计，差压式均速管流量计是在上世纪60年代末问世的，它是基于伯努利能量守恒原则和皮托管测速原理发展起来的，所谓皮托管测速实际是测量管道中圆管直径上或矩形（菱形）管长与宽上几点的流速通过能量守恒原则推算出流量的一种插入式流量仪表，此圆管或菱形管通常也称检测杆,常用的是菱形，但其背压孔易堵塞，影响其正常工作，尽管可加装粉尘过滤装置，但由于水泥工艺特殊情况，特别是大口径的管道选用时需要格外小心。热式流量计则是利用传热原理，以热电阻为敏感元件，当流速高时将带走更多的热量，降低了热电阻温度。在测量桥路上热电阻是作为桥路的一臂，由于温度变化引起阻值的变化，这将破坏桥路的平衡，为保持桥路的平衡，加在反馈电路上的功率必须变化，由它的变化能间接测定流量值。它最大特点是可测量低于5m/s的流速，传热与流体质量有关，因此所测的流量为质量流量。从发展方向如一旦能改进热式流量计的准确度，它将会有较大发展潜力，由于流量计的准确度对低温余热发电系统废气大管道的测量要求不是很高，主要是重复性指标，故更适宜热式流量计的推广和选用。 

三．一种典型的热式流量计 
美国KURZ仪表公司专业生产的热式流量计，包括450系列单点式测速热式流量计和K-BAR2000系列多点式测速热式流量计两种，其测速范围是0~120Nm/s,工作温度最高可达+5000C，工作压力最高可达2Mpa, 重复性指标为0.25%,速度传感器响应时间为1秒，温度传感器响应时间为3秒,插入式安装，可适合于65mm以上管道。 
 热式流量计的测量探头有两个传感器,一个是速度传感器，一个是温度传感器，两个传感器都是基准级铂电阻传感器。铂电阻固定在坚固、密封的不锈钢套管中，在测量电路中它们也作为测量桥路的两个臂，温度传感器在工作中测量被测气体的温度，它作为参比温度，而速度传感器被加热，并使其被加热的温度和参比温度有一固定的温差ΔT，当参比温度变化，则ΔT也随着变化，可以通过加热功率的变化来测量气体的质量流量。 
加热功率P，温差ΔT，质量流量(qm)之间的关系如下： 
P/ΔT=K1+K2ⅹ(qm)K3  其中K1，、K2 、K3 是与气体物性等有关的常数。ΔT一般控制在550C恒定值，则通过测量P（I）就能计算出管道内的质量流量qm。 
     

四. 低温余热发电选用热式流量计几个方面    

对于水泥行业特殊的气体状况，在选用热式流量计必须要考虑以下几方面： 

1．    测单点流速还是测多点流速 
一根插入的检测杆可以测大管道中某一点的流速，如450系列；也可测多点的流速，它可反映管道内多点的流速分布，如K-BAR2000系列。考虑到投资的因素，另单点测量通过补偿修正也可推算出大管道的平均流速。故笔者建议余热发电系统还是用450系列单点式测速热式流量计。 

2. 提供正确的流量和管道数据 
选用热式流量计时，一定要正确提供给制造商流量、温度、压力等数据和管道尺寸和管道布置情况，包括直管段的大小和管配件情况，流量计供货商可确定插入位置、插入深度和不同耐温等级的检测杆。理论上测量管道必须确保有前10后5的直管段长度，但现场情况是实现不了的，供货商会根据具体管道布置确定补偿修正方案。 

3.    正确选择检测杆 
前述在低温余热发电系统中废气流量是变化的，还带有一定的粉尘，为此确定检测杆的材质和传感器的材质是非常重要的，余热发电系统应选耐磨的哈氏合金探头，检测杆长度也必须根据管道的资料确定。 

4.    校验和修正 
大管道气体流量检测仪表的精度一般不高，但已能满足工控的要求，450系列单点式的精度为±1%的读数，由于流速大小直接影响传热的快慢，间接影响测量准确度，故其±1%的读数后还要加上0.1Nm/s的附加值。管道内气体的流速分布是影响流量测量的准确度的主要因素，对于工业现场应尽量使流速分布对称于轴线，即充分发展紊流，只有这样，仅测几点的流速才能推算流经整个截面的流量。 
热式流量计在出厂前已通过风洞标定，在现场投入运行前，供货商会根据具体管道的外形和直接，通过网格法测量前管段某一位置，不同插入深度的约十几个点的流速，并通过积累的经验公式推算出平均流速的补偿值,确保了测量的准确度。 

5.重复性  
在余热发电的自动化系统中，热式流量计只是在某一工艺点提供信息源的检测环节，它的输出所反映的气体流量信息，并不要求是某一确切值，而应是正确无误地反映流量的变化，如测定SF锅炉的进口废气量并不一定是风量的确切值，我们主要看它在工艺过程中的变化，通过调节以保持风量的恒定。这里要求热式流量计工作可靠，其输出与流量存在的单值函数关系不随意变化，即重复性较好就可以了。一般来讲直管段达不到要求的情况下，重复性可做到0.25%，而误差可能超过3%。  

6．加装必要的吹扫装置 
由于废气带有一定的粉尘，笔者建议在现场加装必要的检测杆吹扫装置，以确保插入式热式流量计正常工作，供货商有专用的检测杆的可供选择。 
三．结论 
 
1.我国水泥行业当今大力推广废弃物综合和低温余热发电，“十一五”期间新型干法水泥生产线40%要上低温预热发电。 

2.低温余热发电系统中，入口废气温度和流量是SP余热锅炉和AQC余热锅炉重要技术参数，在低温余热发电监控系统中，采用结构简单的插入式热式流量计测量废气流量有诸多的优势。另外在水泥生产流程中，也可用插入式热式流量计监控如窑系统和立磨系统的废气流量。 

 3.由于水泥工艺中废气含粉尘,而且在大管道以一定的流速流动，在选用时务必与热式流量计供货商 “量身定制”，并确定直接安装时每一细节，有些必要的附件一定要在定货中确定。