大氣污染防治是我國(guó)環(huán)保工作的重點(diǎn)。煙塵濃度及煙氣（氣態(tài)和固態(tài)組成）的含量觀察、分析其變化和對(duì)環(huán)境影響的過(guò)程， 是冶金企業(yè)、化工企業(yè)及其他工業(yè)企業(yè)污染源監(jiān)測(cè)的主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目之一。煙道氣監(jiān)測(cè)的目的是：（1）檢查煙氣中的各種污染物的排放濃度和排放量是否符合國(guó)家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)；（2）檢查煙氣凈化裝置及污染防治措施的行能和使用情況；（3）為大氣環(huán)境管理和大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)提供依據(jù)。確定污染物排放量的關(guān)鍵是煙道氣流速，而測(cè)點(diǎn)位置和布置對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響很大。本文首先是歸納了各種流量計(jì)在煙道氣測(cè)量上的方式、效果及其不足之處。從而能引出本文闡述的論點(diǎn)：使用均速管 – 質(zhì)量流量計(jì)組合測(cè)量來(lái)確定企業(yè)排放煙氣體流量。

煙道氣是有毒有害氣體和煙塵的混合物，是污染大氣的重要原因。煙氣的成分很復(fù)雜，氣體中包括 SO2、CO、CO2 碳?xì)浠衔镆约暗趸衔锏?，煙塵包括燃料的灰分、煤塵、油滴以及高溫裂解產(chǎn)物等。因此煙道氣對(duì)環(huán)境的污染是多種有毒物質(zhì)的復(fù)合污染。
顯而易見(jiàn)，控制煙道氣流量的排放是至關(guān)重要的，傳統(tǒng)的煙道氣流量測(cè)量方法有：（1）超聲波流量計(jì)；（2）單一的均速管流量計(jì)；（3） 熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)。
二、問(wèn)題的提出
雖然煙道氣的測(cè)量方式有多種多樣，但是通常的測(cè)量方法均存在一定的問(wèn)題。
（1） 超聲波流量計(jì)：超聲波氣體流量計(jì)是利用超聲波在流體中順流和逆流傳播的速度差與流體的流速成正比的原理測(cè)量流量的。運(yùn)用此方法測(cè)量的缺點(diǎn)是造價(jià)昂貴，測(cè)量精度不高，通常只有 ±2 ～ 5%。
（2） 單一的均速管流量計(jì)：均速管流量計(jì)是采用皮托管測(cè)量原理測(cè)量流體的全壓與靜壓，從而達(dá)到測(cè)量流量的目的。均速管流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維修方便、運(yùn)行及制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大管徑、允許壓損小的場(chǎng)合。由均速管流量計(jì)的測(cè)量原理可知其測(cè)量的是體積流量，而煙氣是變組分的介質(zhì)，密度是變化的。因此要得到煙氣的質(zhì)量流量?jī)H僅通過(guò)單一的均速管流量計(jì)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
（3） 熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)：熱式流量計(jì)是利用傳熱原理檢測(cè)流量?jī)x表，即流動(dòng)中的流體與熱源之間熱量交換關(guān)系來(lái)測(cè)量流量的儀表。該儀表的傳感器由兩個(gè)基準(zhǔn)級(jí)熱電阻 RTD 組成。一個(gè)是質(zhì)量速度傳感器T1，一個(gè)是測(cè)量氣體、溫度變化的溫度傳感器 T2。當(dāng)這兩個(gè) RTD 置于被測(cè)氣體中時(shí)，其中傳感器 T1 被加熱到氣體溫度以上的一個(gè)恒定的溫差， 另一個(gè)傳感器 T2 用于感應(yīng)被測(cè)氣體溫度。隨著氣體質(zhì)量流速的增加， 氣體帶走更多熱量，傳感器 T1 的溫度下降，要維持 T1、T2 恒定的溫度差，T1 的加熱功率就要增大。根據(jù)熱效應(yīng)的金氏定律，加熱功率 P、溫差△ T=（T1-T2）與質(zhì)量流量 Q 有確定的數(shù)學(xué)關(guān)系式。但是和均速管流量計(jì)一樣，熱式流量計(jì)在測(cè)量氣體組分變化較大的場(chǎng)所，因 CP 值和熱導(dǎo)率的變化，測(cè)量值會(huì)有較大的變化，從而產(chǎn)生較大的誤差。
由此可見(jiàn)，以上三種測(cè)量方法均不適合用于在煙道氣質(zhì)量流量的測(cè)量。

三、解決方法
運(yùn)用均速管流量計(jì)、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)組合測(cè)量的方法就可以很好地解決以上三種測(cè)量方式的不足之處。
科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是利用流體在直線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)處于一旋轉(zhuǎn)系中，產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力原理制成的一種直接式質(zhì)量流量?jī)x表。基于此原理，該流量計(jì)可以測(cè)得流體的密度。
上文已介紹過(guò)均速管流量計(jì)的測(cè)量原理，其測(cè)量的是流體的體積流量。采用科里奧利質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量煙氣密度，均速管流量計(jì)測(cè)量煙氣體積流量， 兩者結(jié)合，利用平均值補(bǔ)償，就可以推算出整個(gè)煙道氣管道的流量了。

四、安裝要求
質(zhì)量流量計(jì)和均速管流量計(jì)的安裝位置和安裝方式將會(huì)直接影響到整個(gè)測(cè)量精度。首先應(yīng)確定均速管流量計(jì)的安裝位置，煙道氣的測(cè)量是在煙囪管道內(nèi)部進(jìn)行測(cè)定或采試樣測(cè)定，為了使測(cè)量點(diǎn)具有代表性，測(cè)
量點(diǎn)的位置盡可能選在煙道氣氣流均勻而穩(wěn)定的管段上，應(yīng)避開(kāi)彎頭、閥門(mén)和變徑管等容易產(chǎn)生渦流的阻力構(gòu)件，原則是：以煙氣流向?yàn)闇?zhǔn)， 測(cè)定斷面與其上游方向阻力構(gòu)件的距離，最好大于煙道氣測(cè)量管直徑的10 倍，與其下游方向阻力構(gòu)件的距離，最好大于煙道氣測(cè)量管直徑的
10 倍，與其下游方向阻力構(gòu)件的距離大于煙道氣測(cè)量管直徑的 5 倍。此外，由于水平管道中氣流速度分布和粒狀物濃度分布不如垂直管道內(nèi)均勻，所以選擇測(cè)量點(diǎn)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選取垂直管段。

均速管流量計(jì)安裝位置確定后，再確定質(zhì)量流量計(jì)的安裝位置。在均速管流量計(jì)的前端另開(kāi)一側(cè)。斜向 30°側(cè)開(kāi)一個(gè)口，引出一段為 1 寸大小的分支測(cè)量管（圖 1），把質(zhì)量流量計(jì)安裝在導(dǎo)管上，把質(zhì)量流量計(jì)另一端連接在煙道氣管道上形成一個(gè)環(huán)路（圖 2）。
 
圖 1 圖 2
質(zhì)量流量計(jì)的位置取舍是至關(guān)重要的，如果測(cè)量點(diǎn)的位置必須位于均速管流量計(jì)前端，引出一段分支測(cè)量管深入煙道氣管道內(nèi)側(cè)，深入的長(zhǎng)度約為管道內(nèi)徑的 1/8D 之處，如若調(diào)整深入長(zhǎng)度的話，可運(yùn)用在線插拔裝置調(diào)整深入長(zhǎng)度，此處位置點(diǎn)的取舍是根據(jù)流體力學(xué)得出的—— 流體力學(xué)是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的一門(mén)分支，是研究流體（包含氣體及液體） 現(xiàn)象以及相關(guān)力學(xué)行為的科學(xué)。分支測(cè)量管的角度為與煙道氣管道成30°安裝。分支測(cè)量管的大小為 1 寸左右。詳見(jiàn)圖 2 所示。
分支測(cè)量管安裝完成后把質(zhì)量流量計(jì)安裝在分支測(cè)量管上即可。另外一端使用相同口徑的測(cè)量管連接到主管測(cè)量管上即可（安裝位置必須在均速管流量計(jì)開(kāi)孔處后側(cè)位置）。
安裝完質(zhì)量流量計(jì)后，在質(zhì)量流量計(jì)兩側(cè)開(kāi)孔的中心位置上，安裝均速管流量計(jì)，此流量計(jì)必須處于此兩側(cè)開(kāi)孔之間。
安裝完質(zhì)量流量計(jì)和均速管流量計(jì)后，使用電纜把信號(hào)傳輸?shù)椒e算儀上即可使用測(cè)量。
此測(cè)量方式的原理在于：運(yùn)用質(zhì)量流量計(jì)，測(cè)出煙道氣管道中的介質(zhì)的密度及流速（V1）：即判斷出整個(gè)煙道氣管道中的介質(zhì)即為質(zhì)量流量計(jì)測(cè)得的密度。根據(jù)此得到介質(zhì)的密度與均速管流量計(jì)測(cè)得的體積量， 運(yùn)用積算儀或 PLC 等，處理從而得到整個(gè)煙道氣管道的質(zhì)量流量。
五、取得的效果（效益）
使用此方案測(cè)量的好處在于：其安裝過(guò)程中非常的方便也可不停產(chǎn)在線安裝，只需在管段上開(kāi)四個(gè)取壓孔即可，大大地減少了安裝時(shí)間， 節(jié)省了大量的人力。
其測(cè)量的效果與使用超聲波流量計(jì)相比其價(jià)格便宜，測(cè)量精度相比高于單一的均速管流量計(jì)。其測(cè)量方式又不受限于介質(zhì)的組合成分，密度的變化。
以傳統(tǒng)的測(cè)量方法加上密度的組合而成的質(zhì)量流量。

1大管道煙風(fēng)測(cè)量
1.1常用大管道氣體流量測(cè)量裝置
根據(jù)工作原理不同，流量測(cè)量?jī)x表主要分為以下 6種：差壓式流量計(jì)、葉輪式流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲 波流量計(jì)、渦街流量計(jì)、容積流量計(jì)¹。目前，工業(yè)上 風(fēng)量的測(cè)量介質(zhì)是含有一定雜質(zhì)/煙塵的空氣或者煙 氣，常用的風(fēng)量測(cè)量?jī)x表是熱線風(fēng)速儀、皮托管、氣體 超聲波流量計(jì)、風(fēng)量罩和均速管等。
熱線風(fēng)速儀利用熱耗散原理，將一根通以電流而 被加熱的細(xì)金屬絲感測(cè)元件置于管道中。當(dāng)氣體流過(guò) 它時(shí)，將帶走一定的熱量，此熱量與流體的速度存在一 定關(guān)系。其最大特點(diǎn)是只能測(cè)量單點(diǎn)的流速，不能實(shí) 現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)，流體成分會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，響應(yīng)時(shí)間大于 1 s, 一般要求所測(cè)氣體溫度不高于350 °C ²。
皮托管通過(guò)測(cè)量氣流全壓和靜壓來(lái)確定氣體的流 速。其特點(diǎn)是只能測(cè)單點(diǎn)流速，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)，管 道中流速分布對(duì)其影響較大。同時(shí)，皮托管操作要求 高、消耗工時(shí)較多，適用于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，可作為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng) 風(fēng)量測(cè)量校驗(yàn)的儀器。
氣體超聲波流量計(jì)利用流體的流動(dòng)速度對(duì)超聲波 的傳動(dòng)信號(hào)所造成干擾，通過(guò)測(cè)量電信號(hào)的變化來(lái)獲 得流速回。采用便攜式超聲波流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量 時(shí)，只需將其安裝在測(cè)量管道的外表面，不與被測(cè)流體 接觸，沒(méi)有壓力損失,操作十分方便，但測(cè)量精度不高， 并且大部分超聲波流量計(jì)不適用于對(duì)含粉塵氣體流量 的測(cè)量。
風(fēng)量罩主要用來(lái)測(cè)量管道出口處的氣體流量?jī)x 器，其測(cè)量原理是利用速度矩陣中心測(cè)量差壓，獲得截 面平均流速。風(fēng)量罩質(zhì)量輕便、操作簡(jiǎn)單，但它局限于 對(duì)風(fēng)口處的測(cè)量，不適用于封閉煙風(fēng)管道的氣體流量 測(cè)量。
均速管流量計(jì)是一種差壓式流量計(jì)，通過(guò)測(cè)量管 道同一截面徑向不同點(diǎn)的全壓與靜壓之差，計(jì)算出該 截面的平均流速。均速管不適用于小流量的測(cè)量，在 大流量測(cè)量中具有優(yōu)勢(shì)。均速管因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格 低廉、穩(wěn)定性好、動(dòng)力消耗少、安裝方便、維護(hù)量小、壓 力損失小、準(zhǔn)確度好和適用測(cè)量管徑范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，其 應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣泛可。
1.2風(fēng)量測(cè)量存在的主要問(wèn)題
工業(yè)大型煙風(fēng)管道中的流體多為紊流，要準(zhǔn)確地 測(cè)量流量，必須具有較長(zhǎng)的直管段，而實(shí)際測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)往 往無(wú)法滿足此要求國(guó)。
燒結(jié)余熱煙風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)量測(cè)量特點(diǎn)如下。
① 煙風(fēng)直管段較短（直管段僅有0. 5D ~2D，D為 管道內(nèi)徑），同時(shí)風(fēng)管通道測(cè)點(diǎn)的上游可能存在調(diào)節(jié) 風(fēng)門(mén)、彎頭、各種加強(qiáng)支撐件等阻力件，造成管道內(nèi)測(cè) 點(diǎn)所在截面上的流場(chǎng)分布很不均勻，甚至有漩渦存在。 流場(chǎng)的不穩(wěn)定，將導(dǎo)致測(cè)量精確度降低。
② 管道中煙氣含有一定濕度、粉塵等不利因素，容 易造成傳感器堵塞，從而使得測(cè)量不準(zhǔn)確或者無(wú)法 測(cè)量。
③ 煙風(fēng)管道內(nèi)壓力低、差壓小，若采用靈敏度不高 的差壓測(cè)量?jī)x器，將導(dǎo)致所測(cè)參數(shù)不準(zhǔn)確，甚至導(dǎo)致測(cè) 量的數(shù)據(jù)無(wú)意義。
④ 測(cè)量環(huán)境惡劣，由于環(huán)冷機(jī)煙風(fēng)罩處密封不 嚴(yán)密，同時(shí)煙風(fēng)罩常常未采取保溫措施，這就使得在 所要測(cè)量位置常常有高溫?zé)焿m。人員因此不易或者 無(wú)法靠近煙風(fēng)管道，自然也無(wú)法采用手持儀器進(jìn)行 現(xiàn)場(chǎng)熱工測(cè)量。
針對(duì)這些問(wèn)題，只有在環(huán)境條件具有可操作性的 情況下，才可將插入式熱線風(fēng)速儀或皮托管作為現(xiàn)場(chǎng) 風(fēng)量測(cè)量校驗(yàn)的儀器。
在檢測(cè)大管道氣體流量時(shí)，均速管因具有安裝穩(wěn) 定、運(yùn)行可靠、壓力損失小、準(zhǔn)確度高和適用測(cè)量管徑 范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，常作為首選儀表。針對(duì)燒結(jié)余熱煙風(fēng) 測(cè)量中存在的問(wèn)題，均速管能較好地實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，新 型均速管測(cè)量系統(tǒng)就是基于此設(shè)計(jì)的。

這些區(qū)域中各點(diǎn)流體的流速相等。通過(guò)測(cè)量每一個(gè)區(qū) 域中某個(gè)特征點(diǎn)的流速，計(jì)算出整個(gè)管道截面的平均 流速，進(jìn)而得到通過(guò)管道截面的流體流量值⁷。
均速管測(cè)速原理圖如圖2所示。

 

圖2均速管測(cè)速原理圖
Fig. 2 Principle of velocity measurement of Annubar
 
本裝置主要是對(duì)燒結(jié)余熱風(fēng)量進(jìn)行測(cè)量，所測(cè)介 質(zhì)是熱空氣，可近似為不可壓縮的理想定常流體，符合 不可壓縮流體伯努利方程國(guó)。截面選取如圖2中截面 1 -1與2 -2所示,可得：
2 2
pVi Q%
P1 + 2 + （人a – 人）X （名2 -名1） = P2 + 2 + P1 – ² 式中 :P₁、P₂分別為截面^{1 -1}、2 ^{– 2}的靜壓，Pa； p為空 氣密度,kg/m³:V1、2分別為截面1 -1P – 2流體的平 均流速,m/s,（A_a —人）X （z₂ — z₁）為截面 1 – 1、2 — 2 的 位壓差，Pa；P1和P2分別為截面1 -1P – 2間的壓力 損失，Pa。
根據(jù)穩(wěn)定不可壓縮流體連續(xù)性方程，有：
A₁ v₁ = A₂ v₂ （1）
式中:A₁P₂為截面1 -1、2 -2的有效通風(fēng)面積。
由此可推得均速管流量傳感器的流量計(jì)算公式為:
X
［）^{+ Y}
式中：Ap為與均速管連接的差壓測(cè)量裝置所測(cè)得的差 壓，Pa；丫為均速管檢測(cè)桿局部阻力系數(shù)；K為均速管 流量系數(shù)。
3裝置在項(xiàng)目上的應(yīng)用實(shí)例
3.1燒結(jié)余熱煙風(fēng)系統(tǒng)
目前,燒結(jié)余熱煙氣系統(tǒng)主要利用環(huán)冷機(jī)的煙氣 余熱資源。高溫?zé)Y(jié)礦經(jīng)過(guò)破碎后落入環(huán)冷機(jī)，通過(guò) 環(huán)冷機(jī)底部的鼓風(fēng)機(jī)鼓入冷空氣來(lái)進(jìn)行逐步冷卻。冷 空氣被高溫?zé)Y(jié)礦加熱產(chǎn)生高溫?zé)峥諝猓瑢囟仍?250 -450 T的高溫?zé)峥諝庖胗酂徨仩t加熱給水，產(chǎn) 生過(guò)熱蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，從而達(dá)到燒 結(jié)余熱資源回收利用的目的。在此煙風(fēng)系統(tǒng)中，為了 進(jìn)一步提高余熱鍋爐的進(jìn)口煙氣溫度，常常將余熱鍋 爐排放的100 – 150 °C低溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)循環(huán)風(fēng)機(jī)輸送回 環(huán)冷機(jī)的前段風(fēng)箱，從而進(jìn)一步提高余熱煙溫和余熱 利用率⁹。
3.2均速管布置情況及煙道參數(shù)
燒結(jié)余熱鍋爐有2段入口煙風(fēng)管道,新型均速管布 置的2個(gè)測(cè)點(diǎn)所在煙道相關(guān)參數(shù)如表1所示。均速管 所安裝位置的管道前后直管段總長(zhǎng)度約為2D，直管段 較短，同時(shí)所測(cè)煙風(fēng)中含有一定粉塵，容易造成測(cè)量裝 置堵塞和磨損問(wèn)題。因此,新型均速管檢測(cè)桿配置了反 吹裝置，防止檢測(cè)桿測(cè)量孔堵塞，從而保證測(cè)量準(zhǔn)確性。
表1煙道相關(guān)參數(shù)
Tab. 1 Pipeline parameters of the flue pipe

 
3.3風(fēng)量測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
新型均速管測(cè)量系統(tǒng)由新型均速管、微差壓/壓力 變送器、鎧裝熱電偶、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、 定時(shí)防堵反吹裝置組成。均速管測(cè)量孔所測(cè)得的壓力 經(jīng)均值腔平均之后，通過(guò)引壓管引至差壓變送器和壓 力變送器，再通過(guò)數(shù)據(jù)電纜線將變送器信號(hào)傳送至數(shù) 據(jù)采集處理系統(tǒng)；通過(guò)PC對(duì)該信號(hào)進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān) 測(cè)和處理，計(jì)算出所測(cè)點(diǎn)的煙風(fēng)流量。
微差壓/壓力變送器采用的是精度高的羅斯蒙特 變送器。鎧裝熱電偶采用熱電偶冷端自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)， 從而提高溫度測(cè)量精度。
定時(shí)防堵反吹裝置可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的需要設(shè)定吹掃時(shí) 間、壓力和間隔時(shí)間，定期對(duì)均速管和引壓管路進(jìn)行吹 掃，防止粉塵堵塞造成測(cè)量不準(zhǔn)確。吹掃時(shí)將自動(dòng)關(guān)閉 測(cè)量閥門(mén)，以保證不影響測(cè)量數(shù)據(jù)。吹掃氣源直接引自 鋼鐵廠內(nèi)的壓縮空氣，通過(guò)過(guò)濾器來(lái)保證氣源清潔、減壓 閥來(lái)控制吹掃壓力，從而得到穩(wěn)定清潔的防堵反吹動(dòng)力。
3.4風(fēng)量測(cè)量系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量效果
2011年10月初，該套風(fēng)量測(cè)量系統(tǒng)在鋼鐵廠燒 結(jié)余熱發(fā)電煙風(fēng)系統(tǒng)中投入使用，經(jīng)過(guò)一個(gè)月運(yùn)行工 作，風(fēng)量測(cè)量系統(tǒng)工作平穩(wěn)正常，測(cè)量煙氣流量效果理 想，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
測(cè)量結(jié)果顯示，新型均速管所測(cè)風(fēng)量參數(shù)與皮托 管、熱式風(fēng)速儀所測(cè)風(fēng)量參數(shù)十分吻合,滿足了工程可 接受的測(cè)量誤差范圍和準(zhǔn)確度要求。