利用速度場(chǎng)常數(shù)測(cè)量煙氣平均流速方法的研究

1、利用速度場(chǎng)常數(shù)測(cè)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(cè)。 鄭 財(cái)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(zhǎng)春 130022)摘要通過(guò)對(duì)煙道速度場(chǎng)常數(shù)的研究和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了煙道煙氣平均流速的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。同時(shí)研制出速度場(chǎng)常數(shù)自動(dòng)檢測(cè)裝置。結(jié)果表明，該裝置檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定、可靠，具有應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞 速度場(chǎng)常數(shù)自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè) 平均流速排放總量我國(guó)是燃煤大國(guó)，燃煤排放煙氣中含有大量的二氧化硫，對(duì)大氣污染十分嚴(yán)重。我國(guó)已相繼出臺(tái)多項(xiàng)法規(guī)，旨在對(duì)污染源實(shí)施監(jiān)控，并做出對(duì)二氧化硫排放總量實(shí)施監(jiān)控的規(guī)定。對(duì)煙氣中二氧化硫排放總量

2、實(shí)施監(jiān)控，須同時(shí)監(jiān)測(cè)煙氣中二氧化硫的濃度和煙氣流量，而監(jiān)測(cè)煙氣流量，首先要監(jiān)測(cè)其平均流速，這是二氧化硫在線自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）要解決的主要技術(shù)問(wèn)題。本文重點(diǎn)研究了利用速度場(chǎng)常數(shù)監(jiān)測(cè)煙道內(nèi)煙氣平均流速的方法及速度場(chǎng)常數(shù)自動(dòng)檢測(cè)裝置的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。1煙氣平均流速的測(cè)定方法測(cè)定煙氣流速有多種方法，如超聲波法、熱導(dǎo)法、靶式流量計(jì)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(cè)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(dòng)煙氣在該位置產(chǎn)生的全壓和靜壓通過(guò)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(dòng)壓）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)放大、整形、計(jì)算，得到該位置的煙氣流速

3、測(cè)定值。只選定一個(gè)位置進(jìn)行測(cè)定的方法，稱為單點(diǎn)測(cè)定法。單點(diǎn)測(cè)定法簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，但存在的主要問(wèn)題是：若測(cè)定點(diǎn)選擇不當(dāng)，測(cè)定的煙氣平均流速將不準(zhǔn)確。比較理想的測(cè)定方法是：將煙道的測(cè)定截面平均分成若干大小相等的小矩形（小矩形的個(gè)數(shù)與煙道截面積有關(guān)），分別測(cè)定每個(gè)小矩形中心點(diǎn)的流速，再取其流速平均值，即為整個(gè)煙道截面的煙氣平均流速。該方法能獲得準(zhǔn)確的測(cè)定結(jié)果，但煙道內(nèi)布線多而繁瑣，給測(cè)定工作帶來(lái)很多不便。為此，研發(fā)一種即方便又準(zhǔn)確的自動(dòng)檢定測(cè)方法具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。2 速度場(chǎng)常數(shù)的研究和應(yīng)用根據(jù)動(dòng)壓測(cè)定流速原理可知，氣體的流速與其動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)化為： （2） 式中：為煙氣溫度，。根據(jù)式（2），如測(cè)出某點(diǎn)的煙氣動(dòng)壓與煙氣溫度，便可計(jì)算出該點(diǎn)的煙氣流速。設(shè)：采用多點(diǎn)手工方法測(cè)定的監(jiān)測(cè)截面的煙氣平均流速為，采用在線自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）測(cè)定的監(jiān)測(cè)截面某一點(diǎn)的煙氣流速為，則 （3）式中：為監(jiān)測(cè)截面平均動(dòng)壓的平方根；為監(jiān)測(cè)截面某一點(diǎn)動(dòng)壓的平方根。由于兩種測(cè)定方法的測(cè)定位置接近，可認(rèn)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(cè)定方法的流

5、速之比即可轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的動(dòng)壓的平方根之比。經(jīng)分析，在P2的測(cè)定點(diǎn)不變的條件下，于任一時(shí)刻，應(yīng)為一近似定值。這樣，即可用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)定的某一時(shí)刻固定點(diǎn)煙氣流速去確定整個(gè)監(jiān)測(cè)截面的煙氣平均流速。在這里，將Kv定義為速度場(chǎng)常數(shù)。則速度場(chǎng)常數(shù)是指在相同時(shí)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(diǎn)的煙氣流速之比值。為驗(yàn)證上述結(jié)論的正確性，特做如下實(shí)測(cè)試驗(yàn)：在環(huán)境大氣壓為101.30 kPa，煙氣濕度為6.4的檢測(cè)條件下，于同一時(shí)間段，在全監(jiān)測(cè)截面范圍內(nèi)，用手工方法測(cè)得1個(gè)動(dòng)壓平均值，再用CEMS于某一固定點(diǎn)采集1個(gè)動(dòng)壓值，重復(fù)檢測(cè)6次，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。上述測(cè)定結(jié)果表明，在6次同時(shí)間段檢測(cè)中，用同

6、一固定點(diǎn)測(cè)得的煙氣流速計(jì)算得到的速度場(chǎng)常數(shù)基本上是一個(gè)穩(wěn)定值，波動(dòng)小于3。因此，可推論：位于煙道截面內(nèi)某一合適固定點(diǎn)放置一皮托管探頭，測(cè)出該點(diǎn)的煙氣流速，利用該點(diǎn)的煙氣流速及速度場(chǎng)常數(shù)即可計(jì)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(jì)算。表1手工方法與CEMS流速對(duì)比檢測(cè)記錄序號(hào) (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(jì)算得到的整個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的平均流速。3 煙氣平均流速的自動(dòng)檢測(cè)方法前文述及，采用手工多點(diǎn)測(cè)量法檢測(cè)煙氣平均流速，煙道內(nèi)布線多而繁瑣，不適用于在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)。 為此，確立了多點(diǎn)連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)方案。該方案借助于速度場(chǎng)常數(shù)自動(dòng)檢測(cè)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。速度場(chǎng)常數(shù)自動(dòng)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝置由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、由絲杠螺母機(jī)構(gòu)帶動(dòng)皮托管自動(dòng)進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)連續(xù)移位、等距取樣。 圖1 速度場(chǎng)常數(shù)自動(dòng)檢測(cè)裝置1.步進(jìn)電機(jī)；2.螺母；3.絲杠；4.移動(dòng)套筒；5.皮托管用皮托管可在位移方向上取足夠多的點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，在煙道全監(jiān)測(cè)截面內(nèi)獲取足夠

8、多的動(dòng)壓值，然后由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算其平均值。根據(jù)式（2）可方便地確定某一時(shí)刻的平均流速。再取一合適固定測(cè)點(diǎn)的動(dòng)壓值，即可計(jì)算出速度場(chǎng)常數(shù)。進(jìn)而推算出煙道全截面的煙氣平均流速。4 煙氣流量的計(jì)算（1）速度場(chǎng)常數(shù)的計(jì)算kv （5）（2）煙氣平均流速的計(jì)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(biāo)定值）；為速度場(chǎng)常數(shù)。（3）煙氣流量（排放量）的計(jì)算根據(jù)煙氣平均流速和煙道截面有效截面積，可計(jì)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(jì)算根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，二氧化硫CEMS須采用標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算，干煙氣流量（m3/h） （7）式中： t 為煙氣溫度，；為煙氣絕對(duì)壓力，kPa；為煙氣中水分含量體積百分?jǐn)?shù)，；為煙道截面有效截面積，m2。5 結(jié) 語(yǔ)二氧化硫CEMS采用皮托管動(dòng)壓法測(cè)定煙氣流速，若煙道內(nèi)的固定測(cè)點(diǎn)位置選取適當(dāng)，則可用速度場(chǎng)常數(shù)自動(dòng)檢測(cè)裝置測(cè)定的速度場(chǎng)常數(shù)（固定點(diǎn)流速與平均流速的比值）為一穩(wěn)定值，于任一時(shí)刻，用固定點(diǎn)流速測(cè)定值去推算整個(gè)煙道的煙氣平均流速值，用于二氧化硫排放總量的計(jì)算。從而