热式气体流量计在CEMS系统中的应用

 

随着环保行业的发展，CEMS系统得到了广泛需求。 大多应用在热力厂和发电厂的CEMS系统，烟气特点是：高温、高粉尘、高水份、负压及腐蚀性等；工况条件通常是：烟气介质温度在150℃左右，热电厂的一次风或二次风一般在200℃，但个别也有的400℃左右，；流速一般在30m/s左右；准确度一般要求在1~2%左右；粉尘颗粒0～1000mg/m³；压力测量范围：-70～70mbar。在这种条件下，应保证必要的检测准确度，应有较快的反应速度；应易安装、易标定；防尘、防溅、防腐等防护要求；应有较高的自动化程度，较少的维护工作量。 针对这些特点，目前在CEMS行业中多用皮托管流量计，其优势是耐高温，而其缺点也存在很多。

 

        差压法测量流量是将传感器装入被测管内并与介质流向垂直，这样在该传感器的正方和背方将相应的测出动压与静压，用差压传感器测出动、静压之差（位能相等）。在一定条件下动压能与静压能可以相互转换，但能量总和是恒定的。我们可以运用公式。

 

Q v = CεΑ/sqr(2ΔP/(1-β＾4)/ρ1)

 

其中：

• C 流出系数；

• ε 可膨胀系数

• Α 节流件开孔截面积，M＾2

• ΔP 节流装置输出的差压，Pa;

• β 直径比

• ρ1 被测流体在I-I处的密度 ，kg/m³;

• Qv 体积流量，m³/h

 

        但在实际的测量时，我们发现了许多问题：

 

        当气体流速低于10m/s的时候，由于皮托管/孔板等产生的节流件ΔP非常小，即使选用高端的rosemount3051微差压变送器测量结果也不是很理想，况且管道、传感器自身、安装工艺等因素都会对测量的结果导致直接性的影响。

 

另外，由于介质本身为气体，很容易受压力和温度的影响而改变自身的密度，所以我们在测量的时候需要用温度和压力信号在线对气体的密度进行修正，我们称之为温压补偿。这样，我们又需要加装一台压力变送器和一台温度变送器，不仅在成本上提升了，而且压力变送器和温度变送器本身的精度也会对流量测量造成影响。

 

        随着热式气体质量流量计的产生，很好的解决了CEMS及烟气排放的低流速测量问题。

 

        热式气体质量流量计应用金氏定理即热扩散原理：流过热源的流体分子多少与热量散失的多少成正比。采用这种原理有两种实现方法：一是恒功率法，二是恒温差法。可用表达式来具体说明：

 

P/ △ T=A+B（Q）m

 

        其中P表示消耗功率；△T表示两个传感器之间的温度差；Q表示质量流量；m表示指数系数，A，B是与气体物理性质有关的常数。从上述公式可以看出：加热功率与热源的温度差的比值可以得出质量流量Q。在实际的工作中，我们把加热功率或温度差任一个参数固定来测量流体的质量。前者为恒功率法；后者为恒温差法。

 

       下面是两种实现方法的性能比较，其中表一为恒温度原理输出号与流速信号的关系图；表二为恒功率原理输出信号与流速信号的关系图。

       

从外观上看通常热式气体质量流量计探头上有两个直径在3～5mm的不锈钢棒，这就是流量计的传感器。RTD就被封装在每一个不锈钢棒内。见图1。

 

图1

 

      工作时，一个传感器不间断地测量介质的温度（T1），并作为惠斯登电桥的一侧，惠斯登电桥另一侧的传感器进行自加热到T2，T2>T1。△T＝T2-T1。当介质流过传感器时，气体分子的温度为T1，并将T2的热量带走，这样T2温度下降，若使△T不变，就必须对T2的传感器用电流进行补偿。气体流速越快，单位时间内通过传感器的气体分子越多，根据金氏定律，带走到热量也就越多。这就是恒温差原理。对于此原理，我们用相应当函数关系表示为：

 

V=K[Q/△T]1.87/ρg

 

其中：

• V 流速

• K 平衡系数系数

• Q 加热量

• T 温差

• ρg 流体比重（工况下介质密度）

•  

由于传感器温度T2永远比被测介质温度自动恒定高出△T，所以热式气体质量流量计从原理上不需要作任何温度补偿。

 

ρg＝ρn×[(101.3+P)/101.3]×[273/(273+T)]

•  

• ρn 标况下介质密度

• P 工况压力（kpa）

• T 工况温度（℃）

 

        所以，流速和工况压力，气体密度，工况温度函数关系已经确定

 

        综上所述，恒温差热式气体质量流量计不受温度和压力的影响，不需要温压补偿，是真正测量分子数的质量流量计。

 

        用热式气体质量流量计做CEMS流量测量是十分方便的，不仅仅不需要温压补偿，提高了精确度，在国外已经是非常成熟的运用在CEMS和烟气的排放上，但是在国内，还未在CEMS系统中普及应用。

 

        由于CEMS系统中介质成分比较恶劣，常有粉尘、水分、焦油等杂质易对流量计形成堵塞，造成测量误差大甚至无法测量。针对这种情况，许多厂家增加了吹扫装置，但吹扫装置只有在不测量时才能使用，无法从根本上解决问题。

 

        ARX3000型热式气体质量流量计针对CEMS系统，对传感器进行革新。在对T2的测量中不再是单点测量，而是在不锈钢棒内均匀装入多个RTU传感器，T2取各个传感器信号后取平均值。

 

        在流量计的安装上，ARX3000型热式气体质量流量计采用将仪表斜下方45度角垂直安装在官道上（见图2）。

 

图2

 

在测量过程中，当有水或者焦油滞留在不锈钢柱上，会迅速沿着不锈钢柱向下留，这样热量就会顺着不锈钢柱内的RTU向下散开，每一个RTU都会测量到数据，避免了介质聚集成水滴滴落而带走热量。ARX3000可测量-40℃～350℃的气体流量，在-20℃～200℃内效果最为理想。

 

此外，ARX3000型热式气体质量流量计拥有

● 不同气体系数的设定

● 显示零点的清零

● 输出模拟量的校正

● 多点非线性曲线修正

● 宽量程比大于1000：1（可测量流速从0.05m/s到141m/s）

● 大口径小流量测量精确

● 现场可对仪表设定

● 接近零压力损失的封装传感器

● 对振动不敏感

● 直管段要求较小，1D-2D即可实现高精度测量

● 测量值与压力无关，真正的质量流量检测

● 插入式安装并配球阀，真正的安全便捷安装及方便清理

● 采用专家算法，实现仪表的高精度和稳定性

● 小于一秒的响应时间

● 液晶显示，具有瞬时累积双显示，无需切换

● 经证实，能够在危险地区安装（Ex防爆）

● 航天防腐涂层，可测量腐蚀性及黏性较大的气体

● 德国原装传感器

 

        等在流体测量方面拥有其独特点特点。能够在恶劣的条件下对气体进行测量，在可靠性、重复性和精确定方面设立了新的标准，超高的性价比使其在CEMS系统及烟气排放流量测量上有很强的可塑性和应用性。目前已在首钢、天钢等实地应用。