CN105865542A - 一种烟气流量与污染物一体化测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种烟气流量与污染物一体化测量装置及测量方法，其中测量装置包括采集单元、烟气流量测量单元以及烟气污染物测量单元，采集单元包括多个采集管、正差压连通管以及负差压连通管，采集管包括正取压管和负取压管，在正取压管上沿长度方向设置有多个正取压孔，在负取压管上沿长度方向设置有多个负取压孔，多个采集管的正取压管之间通过正差压连通管相连，多个采集管的负取压管之间通过负差压连通管相连，正差压连通管和负差压连通管的出口与烟气流量测量单元连接。本发明实现点流速向线流速及面流速的转变，克服了短烟道流速场分布不均匀问题，有效的降低了所需测量烟道的管道直径大、截面上流场不均匀带来的测量影响，使得测量更准确。
Description
技术领域
本发明涉及烟气流量及烟气中污染物浓度一体化测量领域，具体涉及到多点矩阵式烟气流量与污染物一体化测量方法及其装置，本方法及其装置应用于大型烟道中烟气的实时在线监测***中。
背景技术
燃煤电厂是二氧化硫、氮氧化物、烟尘及温室气体二氧化碳等的主要排放源，目前随着国家对环境保护不断的重视，燃煤电厂排放的烟气中的污染物标准也不断提高，为了保证我国的重点污染源烟气排放工业朝着绿色化、无污染的方向发展，燃煤电厂都已经安装了烟气在线监测***（CEMS），并用该***对需要往大气中排放的烟气进行实时采样并检测，避免烟气对环境造成污染。
烟气的排放量测定是以监测断面的平均烟气流速为依据，因此流速测量的准确度直接关系到污染物排放总量、浓度计算及烟气净化***效率的评估，是确定污染物排放总量的重要参数。目前国内燃煤电厂的CEMS大多采用单点的采样方式，即在烟道中采用选取一个测点的采样的方式对通过烟道的烟气进行烟气采样。然而由于受场地的限制，国内大多数电厂的烟道布设都不能满足监测要求，并且烟道的流场分布复杂，流场在时刻的改变，污染源的浓度也随着流场改变而时刻改变，即使在同一监测断面，不同时刻不同点位的流场分布都是不相同的，因此单点的采样方式难以保证测量的流量值代表截面真实流量，也难以准确测量烟气中的污染物的浓度。
目前，用于烟气流量的测量仪表大多是皮托管，其工作原理为根据差压原理测量，依据伯努利方程，皮托管产生的差压信号经仪表转换成流量输出信号。现有的皮托管装置，皮托管长度最长为2m，对于大型机组的应用性不强，无法监测到烟道截面靠近内壁面的位置，但若将皮托管加长，由于烟道振动、风速较大等原因，会使皮托管在烟道中抖动而使测孔无法与烟气流向保持垂直，且容易使皮托管折断。同样的，用于烟气污染物浓度的测量仪器与皮托管遇到了同样的问题，并且烟气流量与烟气污染物浓度的测量不能同步进行，对测量的精确度有很大的影响。
并且由于在火力发电厂燃煤锅炉运行时，烟气中会附带的大量的杂质，在测量时，皮托管的取压口乃至取压管会严重堵塞，造成皮托管测量失准或无法工作，如若配套专门的吹扫装置，必然会提高测量***的运行成本，降低***的经济性。因此，在实际工况下对燃煤电厂烟道中烟气流量及烟气污染物浓度进行在线测量需要解决如下问题：①测量参数值必需真实客观地反映烟道内的状况，测量精度要高；②测量装置的防堵性能好；③经济性好，安装维护方便。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术中存在的不足，提供一种能真实反映烟道内烟气流量和污染物浓度的测量装置及测量方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案实现：
一种烟气流量与污染物一体化测量装置，包括采集单元、烟气流量测量单元以及烟气污染物测量单元，所述采集单元包括正压输出端和负压输出端，所述烟气流量测量单元与所述正压输出端和负压输出端连接，其特征在于，所述采集单元包括多个采集管、正差压连通管以及负差压连通管，所述多个采集管位于与烟气流向方向垂直的同一平面上，所述采集管包括正取压管和负取压管，在所述正取压管上沿长度方向设置有多个正取压孔，该正取压孔的开口方向正对所述烟气流向，在所述负取压管上沿长度方向设置有多个负取压孔，在所述负取压管上沿长度方向同一位置上的负取压孔为两个，该负取压孔的开口方向与所述烟气流向垂直，所述多个采集管的正取压管之间通过所述正差压连通管相连，所述多个采集管的负取压管之间通过所述负差压连通管相连，所述正差压连通管和负差压连通管的出口与所述烟气流量测量单元连接，所述负差压连通管的出口通过一三通电磁阀与所述烟气污染物测量单元连接。本发明负取压管上的负取压孔没有采用设置在底部（背面），避免了因为烟气绕流产生涡流，造成压损。采用对立形式设置在两侧，可克服局部烟压不平等的现象，使测量的烟气压力更加准确。
所述采集管还包括一连接所述正取压管和负取压管的套筒，在所述套筒内设置有伴热管和测温管，在所述测温管内设置有温度传感器，在所述伴热管内设置由加热器件。
所述正取压管与负取压管的轴向平行且二者的外径相切，所述伴热管和测温管与正取压管、负取压管的外径同时相切。通过彼此相切的连接方式，不仅便于相互间的固定，也减少了套管的体积，降低了烟道内套管内烟气流场的影响，从而提高了测量的精度。同时，也降低了套筒材料成本。
所述正差压连通管和负差压连通管均为包含一尘灰室的三通管。
所述多个采集管平行布置，所述正取压孔等距布置，所述负取压孔等距布置，所述正取压孔和负取压孔位于采集管长度方向的同一位置。通过在同一位置开设正取压孔和负取压孔，使的烟气的流程一致，有沿程阻力损失，能更准确的反应烟气的压差。
在所述负取压管内设有防堵塞装置；所述防堵塞装置包括设置在所述负取压管内的转动轴，设置在所述负取压管内与所述转动轴相连的通过从所述负取压孔进入的烟气进行推动旋转的防堵塞叶片。
所述烟气流量测量单元由差压传感器、静压传感器和数据采集电路构成，所述差压传感器的两个压力采集管分别连通所述正差压连通管和负差压连通管用于测定压差；静压传感器采集管与负差压连通管相连通用于测定静压；数据采集电路采集静压传感器、差压传感器和温度传感器的信号，转化成烟气的流量。
所述烟气污染物测量单元包括一个三通电磁阀，一个烟气预混器、一个烟气分析仪及数据采集电路，负差压连通管的出口与三通电磁阀进气口连接，三通电磁阀的出气口一端与烟气预混器进口连接，三通电磁阀出气口另一端与烟气流量测量单元的负压进气口连接，烟气预混器出口与烟气分析仪连接，数据采集电路采集烟气分析仪的电信号，转化成烟气中污染物的浓度。
一种烟气流量与污染物的测量方法，采用上述任一烟气流量与污染物测量装置进行测量。
本发明采用如下工作原理实现：
本发明在同一烟道测量截面上采用多个采集管和设置在采集管上的多个正取压孔和多个负取压孔形成多点矩阵式测量方式，根据待测截面的实际情况布置测点数，然后将各个测点通过差压连通管连接，正压与正压相连，负压与负压相连，正、负压侧各引出一根差压连通管与烟气流量测量单元相连，测得烟道截面的流量。其原理是：依据伯努利方程原理，通过测量安装在管道中的节流件输出的流体差压信号来反映流量。同样的，本发明在同一烟道测量截面上采用多点矩阵式测量方式测量烟气中污染物的浓度，其原理是：利用三通电磁阀的切换将负差压连通管与烟气分析仪相连，从而对烟气中污染物的浓度进行测量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1. 本发明在同一烟道截面采用多点矩阵式测量方式，以各测点的正压和负压获得的差压大小来测算整个烟道截面的烟气流量。实现点流速向线流速及面流速的转变，克服了短烟道流速场分布不均匀问题，有效的降低了所需测量烟道的管道直径大、截面上流场不均匀带来的测量影响，使得测量更加准确。
2. 本发明可以同步完成在同一烟道截面烟气中污染物浓度的测量，因此可以更加准确的控制烟道中污染物的去除装置的运行，例如SCR***中喷氨量的控制，节约运行成本，并且相较于现有污染物浓度测量技术，本发明还具有一定的经济性并且有较高的精确度。本发明相较于烟道直接采样法烟气污染物浓度测量技术可省去取样管的成本，并且利用多点矩阵式测量方式可准确反映整个烟道截面的污染物浓度，其次相较于光学法烟气污染物浓度测量技术，本发明具有更高的准确度，且不受测量环境的影响，成本也更低廉。
3. 本发明可应用于各种类型、尤其是大截面烟道的烟气的流量及污染物测量，可以根据截面的实际情况随意增减测量点数，安装方便灵活。
4. 正取压管采用凹形结构设计，能够克服气流不均匀现象；同时利用气流自平衡原理，实现了多点压力平均化，负取压管采用对立形式，克服了局部烟压不平等的现象，使测量的烟气压力更加准确。设置伴热管，能防止烟气温度降低，使污染物浓度的测量更加准确。设置温度传感器内置管，能够同时检测烟道内的温度。
5. 通过防堵塞装置及沉灰室的设置达到了防止烟尘堵塞气路的目的，无需使用反吹气源，较好的解决了在烟气流量与污染物浓度测量中粉尘杂质浓度很高的工况下的正常工作，有效的避免了皮托管被粉尘杂质堵塞，始终保持皮托管的通畅，实现了防堵功能。
6. 本发明将皮托管置于子弹型套筒内，使烟气流经测点时流动更加均匀，有效地提高了皮托管的输出压差，增大量程比，减小压损并且有效的防止在烟气对皮托管的冲刷及腐蚀。
7. 子弹型套筒选用耐磨材料和防腐蚀工艺，有效防止在烟气对子弹型套筒的冲刷及烟气中SOx、NOx等腐蚀性气体对子弹型套筒的腐蚀。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的内容，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，其中：
图 1 为在同一烟道检测截面安装 4 个采集管的结构示意图 ；
图 2 为取压孔及采集管结构示意图 ；
图 3 为灰尘收集装置的结构示意图 ；
图 4 为烟气流量测量单元及烟气污染物测量单元结构示意图。
附图标记说明：
1、采集单元 ；2、采集管 ；3、测量矩阵 ；4、正取压孔 ；5、负取压孔 ；6、正取压管 ；7、负取压管 ；8、正差压连通管；9、负差压连通管 ；10、沉灰室 ；11、伴热管 ；12、测温管 ；13、套筒 ；14、安装法兰 ；15、固定件 ；16、转动轴 ；17、叶片 ；18、封堵装置 ；19、烟气流量测量单元 ；20、三通电磁阀 ；21、烟气污染物测量单元 ；22、烟气预混器 ；23、烟气分析仪。
具体实施方式：
通过结合下面附图和实施例对本发明做进一步阐述。
如图 1 所示，本发明一种烟气流量与污染物一体化测量装置，包括采集单元 1、烟气流量测量单元 19 以及烟气污染物测量单元 21。其中，采集单元 1 包括多个采集管 2、正差压连通管 8 以及负差压连通管 9，多个采集管 2 位于与烟气流向方向垂直的同一平面上，采集管 2 包括正取压管 6 和负取压管 7，在正取压管 6 上沿长度方向设置有多个正取压孔 4，该正取压孔 4 的开口方向正对烟气流向，在负取压管 7 上沿长度方向设置有多个负取压孔 5，在负取压管 7 上沿长度方向同一位置上的负取压孔 5 为两个，该负取压孔 5 的开口方向与烟气流向垂直，多个采集管 2 的正取压管 6 之间通过正差压连通管 8 相连，多个采集管 2 的负取压管 7 之间通过所述负差压连通管 9 相连，正差压连通管 8 和负差压连通管 9 的出口与烟气流量测量单元 19 连接，用于测量烟气的流量。负差压连通管 9 的出口通过三通电磁阀 20 与烟气污染物测量单元 21 连接，用于测量烟气污染物的浓度。
本发明测量装置安装于烟道壁上，采集管位于烟道内并垂直于烟道壁。以图 1 所示烟道截面为例，同一烟道的测量截面上的测量矩阵总共有 4 个采集管，每个采集管上开设 4 个正负压的取样孔，因而总共有 16 个取样测量点，根据烟道截面的大小，可以任意加减测点的数量，因此测量结果能够很好地反应该测量截面的烟气流量与烟气污染物浓度。
如图 2a 所示，正取压孔 4 为正取压管 6 上按等距离开的若干个凹形孔，孔方向平行于烟气流动方向，可同时侦测到不同点位的动压，同时利用气流自平衡原理，实现了多点压力平均化，同时开孔为凹形孔，正对烟气流过来的方向，可排除气流方向不均匀现象。负取压孔 5 位于负取压管 7 上按等距离开的若干组负压对立孔，负压对立孔两凹形孔分别与烟气流动方向成 90 度夹角，负取压孔 5 采用对立形式，能够克服局部烟压不平等的现象，使测量的烟气压力更加准确。采集管 2 包括正取压管 6、负取压管 7、伴热管 11、测温管 12 及套筒 13，其中套筒 13 可为子弹型或其他形状，测温管 12 为温度传感器内置管。正取压管 6 与负取压管 7 的轴向平行且二者的外径相切，伴热管 11 和测温管 12 与正取压管 6、负取压管 7 的外径同时相切，正取压管 6、负取压管 7、伴热管 11、测温管 12 贯穿于套筒 13 中。套筒 13 的顶部设有密封件及固定件 15，正取压管 6、负取压管 7 长度为 4.2 m，外径为 12 mm，伴热管 11、测温管 12 长度为 4.2 m，外径为 5 mm。子弹型套筒 13 的长度为 4.5 m。正取压管 6、负取压管 7、伴热管 11、测温管 12 的连接方式是固定连接，比如：焊接、胶结等。
设置伴热管 11，能防止烟气温度降低，使污染物浓度的测量更加准确。设置测温管 12，能够同时检测烟道内的温度。套筒 13 和安装法兰 14 及固定件 15 采用耐磨材料和防腐蚀工艺，可以有效防止在烟气对子弹型套筒 13 和安装法兰 14 及固定件 15 的冲刷及烟气中SOx、NOx等腐蚀性气体对子弹型套筒 13 和安装法兰 14 及固定件 15 的腐蚀。正取压管 6、负取压管 7 放置于套筒内，使烟气流经测点时流动更加均匀，有效地提高了皮托管的输出压差，增大量程比，减小压损并且有效的防止在烟气对取压管的冲刷及腐蚀。显然套筒 13 的形状还可以为其他形状，比如：中空的圆柱形等，在实际中可以根据需要灵活调整套筒 13 的形状。
如图 2b 所示，在负取压管 7 内设有防堵塞装置，防堵塞装置包括设置在负取压管 7 内的转动轴 16，设置在所述负取压管 7 内与所述转动轴 16 相连的叶片 17。叶片17采用不锈钢材料制成的，叶片 17 位于负取压管 7 的中心位置。当多点矩阵式烟气流量、污染物一体化测量装置在运行时，不论是测烟气的流量还是对烟气中的污染物浓度进行测量，由于气流的作用力和管道的震动，会引起叶片 17 的摆动，在摆动的同时能够将负取压管 7 内的依附的杂质刮下或震落，进而被气流吹走，实现对负取压管 7 的自动疏通，有效的避免了负取压管 7 被粉尘杂质堵塞，能够始终保持负取压管 7 的通畅，实现了防堵功能。
如图 3 所示，并联后的正差压连通管 8 和负差压连通管 9 置于沉灰室 10 的上方，即并联后的正差压连通管 8 和负差压连通管 9 均与沉灰室 10 组成 L 型状，在正差压连通管 8 和负差压连通管 9 上增设的沉灰室 10 可有效的收集取压装置采集过程中进入其内部的灰尘，防止少量灰尘颗粒以布朗运动方式进入烟气流量测量单元 19 与烟气污染物测量单元 21。沉灰室 10 的末端还设有可拆卸的封堵装置 18，差压连通管及沉灰室上均安装有用于固定测量组位置的法兰。由正差压连通管 8 和负差压连通管 9 及沉灰室 10 组成的 L 型状的组合，可增加结构稳定性，防止结构喘振。
如图 4 所示，烟气流量测量单元 19 由差压传感器、静压传感器、数据采集电路、温度传感器构成。差压传感器的两个压力采集管分别连通正差压连通管 8 和负差压连通管 9 ，用于测定正压和负压的压力差，并将其转化成电信号，静压传感器采集管只与负差压连通管 9 相连通，用于测定静压，并将其转化成电信号，温度传感器采集管只与测温管 12 相连通，用于测定测点温度，并将其转化成电信号，数据采集电路采集静压传感器、差压传感器和温度传感器的电信号，转化成烟气的流量。
烟气污染物测量单元 21 包括一个三通电磁阀 20、一个烟气预混器22、一个烟气分析仪 23 及数据采集电路，负差压连通管 9 的出口与三通电磁阀 20 进气口连接，三通电磁阀 20 的出气口一端与烟气预混器 22 进口连接，三通电磁阀 20 出气口另一端与烟气流量测量单元 19 的负压进气口连接，烟气预混器 22 出口与烟气分析仪 23 连接，数据采集电路采集烟气分析仪的电信号，转化成烟气中污染物的浓度。
Claims (9)
1.烟气流量与污染物一体化测量装置，包括采集单元、烟气流量测量单元以及烟气污染物测量单元，所述采集单元包括正压输出端和负压输出端，所述烟气流量测量单元与所述正压输出端和负压输出端连接，其特征在于，所述采集单元包括多个采集管、正差压连通管以及负差压连通管，所述多个采集管位于与烟气流向方向垂直的同一平面上，所述采集管包括正取压管和负取压管，在所述正取压管上沿长度方向设置有多个正取压孔，该正取压孔的开口方向正对所述烟气流向，在所述负取压管上沿长度方向设置有多个负取压孔，在所述负取压管上沿长度方向同一位置上的负取压孔为两个，该负取压孔的开口方向与所述烟气流向垂直，所述多个采集管的正取压管之间通过所述正差压连通管相连，所述多个采集管的负取压管之间通过所述负差压连通管相连，所述正差压连通管和负差压连通管的出口与所述烟气流量测量单元连接，所述负差压连通管的出口通过一三通电磁阀与所述烟气污染物测量单元连接。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述采集管还包括一连接所述正取压管和负取压管的套筒，在所述套筒内设置有伴热管和测温管，在所述测温管内设置有温度传感器，在所述伴热管内设置由加热器件。
3.如权利要求 2 所述的测量装置，其特征在于：所述正取压管与负取压管的轴向平行且二者的外径相切，所述伴热管和测温管与正取压管、负取压管的外径同时相切。
4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于：所述正差压连通管和负差压连通管均为包含一尘灰室的三通管。
5.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于：所述多个采集管平行布置，所述正取压孔等距布置，所述负取压孔等距布置，所述正取压孔和负取压孔位于采集管长度方向的同一位置。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的测量装置，其特征在于：在所述负取压管内设有防堵塞装置；所述防堵塞装置包括设置在所述负取压管内的转动轴，设置在所述负取压管内与所述转动轴相连的通过从所述负取压孔进入的烟气进行推动旋转的防堵塞叶片。
7.根据权利要求1、2、3、4或5所述的测量装置，其特征在于：所述烟气流量测量单元由差压传感器、静压传感器和数据采集电路构成，所述差压传感器的两个压力采集管分别连通所述正差压连通管和负差压连通管用于测定压差；静压传感器采集管与负差压连通管相连通用于测定静压；数据采集电路采集静压传感器、差压传感器和温度传感器的信号，转化成烟气的流量。
8.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于：所述烟气污染物测量单元包括一个三通电磁阀，一个烟气预混器、一个烟气分析仪及数据采集电路，负差压连通管的出口与三通电磁阀进气口连接，三通电磁阀的出气口一端与烟气预混器进口连接，三通电磁阀出气口另一端与烟气流量测量单元的负压进气口连接，烟气预混器出口与烟气分析仪连接，数据采集电路采集烟气分析仪的电信号，转化成烟气中污染物的浓度。
9.一种烟气流量和污染物一体化测量方法，其特征在于：采用权利要求1-8任一所述测量装置进行测量。
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