利用速度場常數(shù)測量煙氣平均流速方法的研究

1、利用速度場常數(shù)測量煙氣平均流速方法的研究王世龍 第一作者：王世龍，男，1951年生，教授，研究方向：在線檢測。 鄭 財2(1淮海工學(xué)院，江蘇 連云港 222005；2.吉林省高速公路管理局，吉林 長春 130022)摘要通過對煙道速度場常數(shù)的研究和應(yīng)用，實現(xiàn)了煙道煙氣平均流速的自動監(jiān)測。同時研制出速度場常數(shù)自動檢測裝置。結(jié)果表明，該裝置檢測結(jié)果穩(wěn)定、可靠，具有應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞 速度場常數(shù)自動連續(xù)監(jiān)測 平均流速排放總量我國是燃煤大國，燃煤排放煙氣中含有大量的二氧化硫，對大氣污染十分嚴重。我國已相繼出臺多項法規(guī)，旨在對污染源實施監(jiān)控，并做出對二氧化硫排放總量實施監(jiān)控的規(guī)定。對煙氣中二氧化硫排放總量

2、實施監(jiān)控，須同時監(jiān)測煙氣中二氧化硫的濃度和煙氣流量，而監(jiān)測煙氣流量，首先要監(jiān)測其平均流速，這是二氧化硫在線自動連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）要解決的主要技術(shù)問題。本文重點研究了利用速度場常數(shù)監(jiān)測煙道內(nèi)煙氣平均流速的方法及速度場常數(shù)自動檢測裝置的實現(xiàn)和應(yīng)用。1煙氣平均流速的測定方法測定煙氣流速有多種方法，如超聲波法、熱導(dǎo)法、靶式流量計法和皮托管法等，其中，皮托管法應(yīng)用較為廣泛。皮托管法的測定原理是：將S型皮托管置于煙道截面內(nèi)的某一位置，將流動煙氣在該位置產(chǎn)生的全壓和靜壓通過皮托管全壓、靜壓管口接收并輸送至差壓傳感器，差壓傳感器將二者之差值（即動壓）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?jīng)放大、整形、計算，得到該位置的煙氣流速

3、測定值。只選定一個位置進行測定的方法，稱為單點測定法。單點測定法簡單、易實現(xiàn)，但存在的主要問題是：若測定點選擇不當(dāng)，測定的煙氣平均流速將不準確。比較理想的測定方法是：將煙道的測定截面平均分成若干大小相等的小矩形（小矩形的個數(shù)與煙道截面積有關(guān)），分別測定每個小矩形中心點的流速，再取其流速平均值，即為整個煙道截面的煙氣平均流速。該方法能獲得準確的測定結(jié)果，但煙道內(nèi)布線多而繁瑣，給測定工作帶來很多不便。為此，研發(fā)一種即方便又準確的自動檢定測方法具有重要的實際應(yīng)用價值。2 速度場常數(shù)的研究和應(yīng)用根據(jù)動壓測定流速原理可知，氣體的流速與其動壓的平方根成正比，即 （1） 式中： 為氣體流速，m/s；P為氣體

4、動壓，Pa； 為煙氣密度，/m³； 為皮托管系數(shù)。在通常污染源煙氣條件下，式（1）可簡化為： （2） 式中：為煙氣溫度，。根據(jù)式（2），如測出某點的煙氣動壓與煙氣溫度，便可計算出該點的煙氣流速。設(shè)：采用多點手工方法測定的監(jiān)測截面的煙氣平均流速為，采用在線自動連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）測定的監(jiān)測截面某一點的煙氣流速為，則 （3）式中：為監(jiān)測截面平均動壓的平方根；為監(jiān)測截面某一點動壓的平方根。由于兩種測定方法的測定位置接近，可認為二者所處位置的煙氣溫度相同，即，則 （4）式中：為皮托管系數(shù)之比。若兩種方法的皮托管系數(shù)近似相等，則（一般S型皮托管系數(shù)為0.84），則：，這樣，兩種測定方法的流

5、速之比即可轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的動壓的平方根之比。經(jīng)分析，在P2的測定點不變的條件下，于任一時刻，應(yīng)為一近似定值。這樣，即可用監(jiān)測系統(tǒng)測定的某一時刻固定點煙氣流速去確定整個監(jiān)測截面的煙氣平均流速。在這里，將Kv定義為速度場常數(shù)。則速度場常數(shù)是指在相同時間區(qū)間，煙道或管道全截面煙氣平均流速與截面內(nèi)某一固定點的煙氣流速之比值。為驗證上述結(jié)論的正確性，特做如下實測試驗：在環(huán)境大氣壓為101.30 kPa，煙氣濕度為6.4的檢測條件下，于同一時間段，在全監(jiān)測截面范圍內(nèi)，用手工方法測得1個動壓平均值，再用CEMS于某一固定點采集1個動壓值，重復(fù)檢測6次，檢測數(shù)據(jù)見表1。上述測定結(jié)果表明，在6次同時間段檢測中，用同

6、一固定點測得的煙氣流速計算得到的速度場常數(shù)基本上是一個穩(wěn)定值，波動小于3。因此，可推論：位于煙道截面內(nèi)某一合適固定點放置一皮托管探頭，測出該點的煙氣流速，利用該點的煙氣流速及速度場常數(shù)即可計算出煙道截面的煙氣平均流速，從而用于二氧化硫排放總量的計算。表1手工方法與CEMS流速對比檢測記錄序號 (Pa) ( Pa) K v (m/s) () 1 148 356.0 0.645 15.0 112 2 194 472.9 0.641 17.3 112 3 201 477.9 0.649 17.7 112 4 112 271.3 0.643 13.1 112 5 124 298.7 0.644 13.

7、7 112 6 137 341.0 0.634 14.5 112 注：為煙氣溫度； 為手工方法計算得到的整個監(jiān)測斷面的平均流速。3 煙氣平均流速的自動檢測方法前文述及，采用手工多點測量法檢測煙氣平均流速，煙道內(nèi)布線多而繁瑣，不適用于在線自動監(jiān)測。 為此，確立了多點連續(xù)自動檢測方案。該方案借助于速度場常數(shù)自動檢測裝置來實現(xiàn)。速度場常數(shù)自動檢測裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝置由步進電機驅(qū)動、由絲杠螺母機構(gòu)帶動皮托管自動進給，實現(xiàn)連續(xù)移位、等距取樣。 圖1 速度場常數(shù)自動檢測裝置1.步進電機；2.螺母；3.絲杠；4.移動套筒；5.皮托管用皮托管可在位移方向上取足夠多的點進行檢測，在煙道全監(jiān)測截面內(nèi)獲取足夠

8、多的動壓值，然后由系統(tǒng)自動計算其平均值。根據(jù)式（2）可方便地確定某一時刻的平均流速。再取一合適固定測點的動壓值，即可計算出速度場常數(shù)。進而推算出煙道全截面的煙氣平均流速。4 煙氣流量的計算（1）速度場常數(shù)的計算kv （5）（2）煙氣平均流速的計算 由式（2）及式（5），煙氣平均流速（m/s） （6）式中：為皮托管修正系數(shù)（出廠標定值）；為速度場常數(shù)。（3）煙氣流量（排放量）的計算根據(jù)煙氣平均流速和煙道截面有效截面積，可計算出煙氣流量（排放量）Q =（m3/h）式中：為煙氣平均流速，m/s；為煙道截面有效截面積，m2。（4）干煙氣流量的計算根據(jù)有關(guān)標準規(guī)定，二氧化硫CEMS須采用標準狀態(tài)下的干煙氣流量參數(shù)參與二氧化硫排放總量的計算，干煙氣流量（m3/h） （7）式中： t 為煙氣溫度，；為煙氣絕對壓力，kPa；為煙氣中水分含量體積百分數(shù)，；為煙道截面有效截面積，m2。5 結(jié) 語二氧化硫CEMS采用皮托管動壓法測定煙氣流速，若煙道內(nèi)的固定測點位置選取適當(dāng)，則可用速度場常數(shù)自動檢測裝置測定的速度場常數(shù)（固定點流速與平均流速的比值）為一穩(wěn)定值，于任一時刻，用固定點流速測定值去推算整個煙道的煙氣平均流速值，用于二氧化硫排放總量的計算。從而