毛新業
一、前言
1.形勢嚴峻
溫室效應、節能減排已成為全人類所關注的課題。在2009年的哥本哈根會議上，我國宣布到2020年，將在2005年基礎上，將單位GDP產值降耗40～45％。要達到這個減排指標，將面臨很大的困難與壓力。雖然我國近年已將節能減排放在國策中的重中之重，竭盡全力，加大了力度，但與發達國家相比，仍存在較大的差距。我國中小火電廠供電耗煤為380～500g/kw；大型電廠為320～354 g/kw，如全部達到國外先進水平299g/kw（日本），可節約1億噸煤，減排SO2 180萬噸，CO2 2.2億噸，火電的技改應是我國節能減排的重點之一。
“十一、五”火電節能減排主要依靠行政手段進行產業結構調整，關停產值小、能耗大的中小企業，僅火電就關停了5000多萬kw機組，這終究只是權宜之計，今后的重點還是應用科學發展觀，采取節能新技術促進節能減排。
2.準確測量風量，提高鍋爐熱效率
近些年，我國火電的節能減排重點是除塵，脫硫，尚未對提高風量測量準確度以增加鍋爐熱效率引起足夠的重視。鍋爐的燃燒，是碳與氧的化學反應，應有一個恰當的燃料/空氣比，才能有效地完成這個化學反應.。空氣（氧）不足，燃燒不完全；空氣過多則造成鍋爐熱效率降低。長期以來，為避免供氧不足引起熄火，往往采取過氧運行，過氧量常達2～3％，導致10～15％的空氣被無謂的加熱、輸運、排放，造成鍋爐熱效率不高。前三年我國電廠平均凈效率僅34.43％，而國際先進水平已達40％以上。
據相關資料估算2，如風量準確度為8～10％，鍋爐熱效率僅為70～74％，如采取多項措施，將風量測量準確度提高至2～3％，則可將鍋爐熱效率提高至80～84％，我國火電裝機達5.5億kw，如普通采用新技術提高風量測量準確度，將有力促進我國節能減排，具有重大的意義。
二、火電風量檢測的特點與其檢測儀表
1.火電風量的特點
①管徑可達5～6米以上，多為矩形管，且組合復雜（圖1a，華北某火電廠二次風管道），直管段長度放短，往往不足1D，流速分布復雜（圖1b），且隨負荷不斷變化，不可能存在固定不變的平均流速點。
②管內存在漩渦，其大小及位置隨流量不斷變化。
③為減小壓力損失（管道壓損與流速大小按幾何級數增長），管內流速多低至5～10m/s，在常溫下，空氣的總靜壓差僅15～60Pa（約1.5~6mm水柱）。
④氣體中常含有粉塵，采取常用的差壓儀表易于堵塞。
⑤由于流量分布復雜，如提高準確度多采用速度面積法，測取幾十點流速推算流量，每一點流速的大小、流體物性、加權個數……均不相同，計算復雜。
2.已使用過的檢測儀表
①測單點
基于取樣原理，通過測管道中某一特定點（圓中心或0.242R）流速來推算流量.如:插入式渦輪、渦街、雙文丘里、熱式等……，其前提是前直管段長度應達到30～50D（Ｄ管內徑）。
由于火電廠直管段長度極短，且存在變化無常的漩渦，不可有位置固定不變的平均流速點，甚至不存在輸出值隨流量變化的規律，且不說流量準確度，即或用于工控系統也是不合適的。
不少廠家曾宣稱其流量計曾在風洞中進行了標定，準確度可達到±1％，這僅是流速準確度，流量準確度由于管道的影響，即使直管段較長也只可能達到±3％。3、4
當前仍有不少電廠采用熱式流量計測風量，它的優點是可測很低的流速且不會阻塞，但它只能測干燥的氣體，溫度不能太高，且當存在漩渦時，還可能給出虛假信號，只是這個信號究竟反映什么，那就說不清了，而可肯定不是真實的流速。
從上所述，由于火電廠流速分布過于復雜，這類測單點的插入式流量計已完全不適用于火電廠的風量測量。
②測線上多點5
通過測管道中某一直線（圓管為直徑，矩形管為高或寬）上多點流速來推算流量，安裝仍為插入式的流量儀表，于上述測單點流量相比，準確度將有所提高，且具有安裝簡便，工作穩定，壓損小等優點，以均速管（即Bar類）為典型。但其前提也需要有不少于20D的前直管道長度，管內流速分布的等速線近似于同心圓才有可能獲得必要的準確度。
均速管用于各項工程已有四、五十年的歷史，根據技術的發展、應用中的問題不斷改進更新，檢測桿的截面形狀、取壓方式歷經了圓形、菱型Ｉ型、菱型型Ⅱ（組合式）、菱型Ⅱ（一體式）、彈頭型（威力巴）、T型（Annubar485）等多種型式。當前在冶金、鋼鐵、市政、化工、建材……等行業應用較多的是菱形Ⅱ一體式(Itabar、Deltabar)及彈頭型的Verabar。
而對于火電廠測風量來說，如僅采用均速管（不配合采取其他措施）已不能取得較好的效果。在華北某電廠筆者曾見用三支均速管測矩形管道中的二次風（圖1a），管道橫截面僅0.9*1.1m，由于管道中存在漩渦，其大小及位置還隨風量不斷變化，因而在30～50％風量范圍內，出現了當風量增大時均速管的輸出差壓反而減小的現象。說明在火電廠測風量，即使管道不大，由于流速分布復雜，插入多支均速管也不可能正確反映流量值，而且輸出差壓在某一流量范圍還呈現反常現象，用于工控系統也是不合適的。
③滿管流量計 曾用過機翼式、文丘里管等流量計測火電廠的風量，由于火電廠管徑已大至5～6米，這些流量計體積都過于龐大，其本身的長度也需要一定長度，且不說制造、運輸、安裝的困難，火電廠已沒有足夠的空間來安裝這些“龐然大物”了。
三、大管道氣體流量測量系統
從上所述，由于火電廠進風管徑極大，直管段長度又很短，流速分布十分復雜，且存在漩渦。幾十年以來所采用的單臺流量計已無法準確測量，制約了鍋爐燃燒效率的提高及節能減排的實施。
當無法改變工程現場條件時，就應采取相應的措施來改善現場條件，以達到準確測量風量的目的。
基于這一理念，采取了以下措施組成了大管道氣體流量測量系統。
1.整流器
①必要性 火電廠風管流速分布十分復雜，可增加流速測量點準確進行描述，但如果存在漩渦，且其大小及位置將隨風門的開度，流量大小不斷變化，不清除漩渦就無法正確測量流量。當前最有效的辦法就是采用整流器（圖2）。
②結構 這種整流器不同于ISOTC30幾十年以來所推薦的整流器，而采用近百年來成功應用于風洞設備中的蜂窩狀整流器。其特點是：流通面積/管道截面比值較大，以減小壓力損失。
2.多點流速計(圖3)
①原理 根據皮托管測速原理，通過測流體總靜壓之差推算流速，測點位置及數量按相關規范組成矩陣，充分反映管道中流速分布。
②流速計截面 采用圓管，當管徑大于1米，空氣流速大于2m/s時，雷諾數已超過106，采用圓截面管道已不存在“阻力危機”問題，而且還易于制造、降低成本。
③總壓孔 總壓孔加工了一個凹形槽，當氣流偏斜±20％時，仍可準確測量差壓。
④靜壓孔 根據菲克亥爾摩方法，圓管在迎向流向±30％處壓力分布（圖4），為理想靜壓孔的位置，因而流速系數等于1，可以避免壓力分布帶來的誤差，但在相同流速下，輸出差壓將比均速管小50％。
3.微差壓變送器
①低量程 長期以來制約插入式流量計應用于火電廠風量測量的因素之一是輸出差壓太小，據了解國外已推出一種超低差壓變送器，最低量程可為0～13Pa。
②自動歸零
一般的變送器都有零點漂移問題，如果量程很低又存在零點漂移，將造成很大的誤差，這種差壓變送器具有自動歸零功能，以確保測量準確度。
4.自動及吹掃裝置
火電廠的進風、二次風都難免含有粉塵，通過測差壓來推算流量的儀表難免堵塞，長期制約了這類儀表（如均速管）在火電廠的應用。為解決粉塵的堵塞，不少廠家采用了吹掃裝置取得了較好的效果，確保了流量計長期可靠的工作。該裝置可根據現場的需要設定吹掃的間隔時間（每小時、數小時或一天吹掃一次），而每次吹掃持續的時間也可在30～120秒范圍內設定，吹掃時將自動關閉測量閥門，保證不影響測量數據，整個過程設定后均由計算機自動完成。
5.流量計算機
火電廠的進風管道已達5～6米，滿管流量計已難以采用，由于直管段十分短，流速分布及其復雜，必需采用插入式多點流速計。根據速度面積法在一個截面上測幾十點流速，才可能充分反映管道中的流速分布，以確保流量測量的準確度，應當考慮以下因素：每一個測點因流速不同差壓值會有差異；溫度、壓力不等必需進行補償；因測點位置不同加權系數不相同（見IS03966）；----等，計算十分復雜。所以必需采用的流量計算機。
6.效果與 應用
1效果
● 精確測量流量可達到風量與燃煤的最佳比值，減少風機功耗，提高鍋爐熱效率。
●
插入式多點流速計的永久壓損僅為滿管流量計的十幾分之一，且安裝、維修簡便。
● 風量大小處于最佳狀態，使煤粉得以充分燃燒，減少CO的排放。
● 維持燃燒火焰的最佳位置，避免火焰貼近爐壁，提高鍋爐的壽命。
● 實現低碳燃燒，避免采用過于昂貴的SCR脫硝工藝，降低成本。
● 實現空氣量隨鍋爐負荷進行調整，確保有效燃燒。
2應用
大管道氣體流量測量系統在國外已應用了十余年，據稱在美國火電已占有90%以上的市場。我國采用該技術僅數年，如：廣東汕尾電廠2X600MW機組； 福建湄洲灣電廠2*396MW機組； 遼源電廠2*300MW機組； 綏中電廠2*1000MW機組；國產技術也有成功的案例，如廣東陽西電廠2X600MW 機組6。
四、大管道氣體流量儀表的檢驗7
為了確保儀表的測量準確度，出廠前都應在試驗室進行校驗，流量試驗室在流體工況，流動的穩定性，測試儀表的精確度，流場┉--等都應具有理想的條件，其中流場的相似是重要條件之一。否則，所標定的流量系數傳遞就失去了意義，目前在國內曾用以下方法（或裝置）用于校驗流量儀表：
1、在風洞中校驗
風洞是研究、測定物體與大氣產生相對運動時物體受力狀況的設備。 在其試驗段截面上應是流速大小一致、方向相同的直均流。它雖是研究航空、航天的高科技試驗設備，但并不可能成為理想的流量校驗裝置。因為工業現場無法產生直均流，流場不一致校驗就沒有意義。
廠家可以用它校驗流速計，但流速計并非流量計。
2、在流量試驗室中檢驗
這些流量試驗室都在較長的直管段長度，具有充分發展紊流流場。各種流儀表規范也要求在現場安裝時，必需具有較長的直管徑長度（大于30D）。這樣，試驗室校驗的流量系數才有意義。有人曾將均速管在風洞中標定后，又在充分發展紊流中進行標定，由于流場的不同，流量系數相差10％。說明流量系數與流場密切相關。
3、現場校驗
由于工程中管徑日益增大，而又無法保證必要的直管徑長度，上述二種方法已不太適用于大管道氣體流量儀表的校驗。電廠的風量校驗尤為突出，較為現實的方法是進行現場校驗。
五、小結
1.要正視，適應現實
由于火電風量測量的特殊性（管徑極大，長度很短，流速分布復雜，含有粉塵等）是無法改變的現實，單臺儀表目前已不可能準確測量。因此，只能采取各項措施組成系統，有的放矢、逐一解決難題，才有可能準確地測量火電的風量，促進節能減排。
2.在我國已取得初步成效
近年來大管道風量測量系統，已部分或完整地應用于我國火電廠，取得了較好的效果，如福建湄州灣電廠，華能汕頭電廠、大唐遼源電廠、國能綏中電廠等。
3.現場校驗是發展趨勢
由于特大管道流場的復雜性，且千變萬化，沒有確定的模式，也難以在試驗室復制。而校驗又必需具有相似的流場，用統一模式的試驗室進行校驗已失去意義。
