一、前言

一、前言

1.形势

我国已宣布至2020年将单位GDP降耗40~45%，要达到这个指标，将面临巨大的困难与压力。我国电力装机总量为9.6亿KW，而火电为7亿KW（占72.9%）。燃煤发电安全、稳定、可靠，仍是我国能源结构的主力军，至2020年也难改变这个基本格局。但是，我国火电的发电效率总体与国外还有一定差距，在火电节能减排上存在较大的潜力，应成为我国节能减排的重点。

2.准确测量风量，提高锅炉热效率

近些年，我国火电的节能减排重点是除尘，脱硫，尚未对提高风量测量准确度以增加锅炉热效率引起足够的重视。锅炉的燃烧，是碳与氧的化学反应，应有一个恰当的燃料/空气比，才能有效地完成这个化学反应.。空气（氧）不足，燃烧不完全；空气过多则造成锅炉热效率降低。需强调的是还不能仅满足于笼统的燃料/空气比，满足于一次风的准确检测，而必须要细化到冷热一、二、三次风；送风机入口或出口；增压机风量；磨煤机入口；循环流化床所有风量；烟气等，都应准确进行风量检测。（图1）

美国Air Moniter公司(简称AM公司)从事气体流量检测、控制达40余年，技术处于世界领先水平。近20年集中技术力量，优先发展火电的“优化燃烧、节能减排”，研发了独享技术专利的一系列产品^*2,为火电企业提高燃烧效率、减少废气排放做出了卓有成效的贡献，得到了美国环保局、国际气体控制、自动化等协会的肯定。占有美国火电风量测量市场九成以上的骄人业绩。

据该公司资料估算，如风量准确度为8～10％，锅炉热效率仅为70～74％，如采取AM技术，将风量测量准确度提高至2～3％，则可将锅炉热效率提高至80～84％（图2），我国火电装机达7亿kw，如普通采用AM新技术以提高风量测量准确度，将有力促进我国节能减排，具有重大的意义。

二、准确的风量检测促进锅炉节能减排

1、风量检测与锅炉热效率 

锅炉是火电厂三大主机的动力源头，节能减排的重点。提高锅炉燃烧效率关键在于根据负荷的变化，准确测量风量，控制各阶段燃烧过程的“风煤比”。我国在风量检测上还处于较落后的状态，在管道内流速分布十分复杂的条件下，至今还采用技术落后、结构简单的单点流速计如，如皮托巴、双文丘里、单点热式---等，测量误差可达百分之十几到几十，已完全失去了检测功能，风量检测仪表几乎只是一个摆设。

因此，不少火电厂十分无奈地将风量检测仅作为辅助参数，而以烟道中的过氧量作为调节“风煤比”的依据。遗憾的是过氧量的检测滞后，其准确度也并不理想。为保证发电不熄火，不得不采取过氧供气。如过氧仅2%，即有10%的空气被无谓的输送、加热、排放，造成极大的浪费，使锅炉效率难以提高。而实际操作过氧量远远不止2%。

2、风量检测与有害气体排放

    胡锦涛在十八大政治报告中特别强调我国今后将大力加强生态文明建设，减少有害物质的排放，而火力发电是空气污染，产生粉尘；有害气体(NO_X 、COx 、SO₂---）等的大户。我国火电装机容量仅次于美国达7亿KW，但减排的水平不及美国，因此将排放大量的有害气体，令世界瞩目，在世界环保会议上压力较大。它是产生灰霾的罪魁祸首，引起人们呼吸道的疾病，必须认真对待。

    研究表明，有害气体的产生是因锅炉中燃料未充分燃烧所致，与炉膛内温度和过氧量有直接关系(图3），通过准确测量、控制送风量和分级燃烧等措施，可有效降低有害气体的生成。AM公司可提供准确的一、二次风测量方法，并研发了专用的燃烧器内部风量检测系统（IBAM),通过准确的风量测量，优化燃烧过程，有效减少有害气体的排放。

3、提高循环流化床锅炉的燃烧效率

    根据循环流化床锅炉的燃烧的特点，一次风从密相区布风板进入时应保证燃料正常流化，充分燃烧。为此，必须准确检测、控制空气流量。风量过大，会使粒径小的燃料在炉膛内停留的时间过短；风量过小，又会使燃料无法充分流化，得不到充分燃烧，并导致炉床局部过热、结焦。二次风从密相区与稀相区的交界处进入，补充氧气以确保燃料充分燃烧。二次风过大，造成过氧量增加；过小燃烧不完全。只有准确的测量风量，才能保持流化床的最佳高度，确保燃烧稳定；防止结焦；减小煤对炉膛的磨损，减少炉渣及对锅炉的腐蚀。

三、如何准确检测火电气体流量

1.火电风量的特点

管径可达5～6米以上，直管段长度多不足2~3D，流速分布复杂不仅存在漩涡，且随负荷不断变化（图4），不可能存在固定不变的平均流速点；管内流速常低至5～10m/s，输出压差仅15～60Pa；气体中常含有粉尘，易于堵塞；流速分布复杂，为提高准确度必须测取几十点流速推算流量，计算复杂。

2、AM气体流量测量系统

AM公司有的放矢，针对火电厂不同部件的特点，研发了多款流量测量系统，如CAMS锅炉燃烧气流管理系统；CEMS烟气排放连续侦测系统；IBAM燃烧器内部风量检测系统；以及其他相关产品，它们主要由下列的部件组成。

①.整流器（图5）

火电厂风管中流速分布十分复杂，如果存在漩涡，无论增加多少测点都难以准确测量流量。且其大小及位置将随风门的开度，流量大小不断变化，不就无法正确测量流量。当前最有效的办法就是采用整流器清除漩涡。

    ②.多点流速计(图6)

根据速度面积法在一个截面上测几十点流速^*6，才可能充分反映管道中的流速分布。

原理  根据皮托管测速原理，通过测流体总静压之差推算流速，测点位置及数量按相关规范组成矩阵，充分反映管道中流速分布。

流速计截面  当雷诺数已超过10⁶，采用圆截面管道已不存在“阻力危机”问题，且易于制造、还降低成本。

总压孔  总压孔加工了一个凹形槽，当气流偏斜±20％时，仍可准确测量差压。

静压孔  根据菲克亥尔摩方法，圆管在迎向流向约±30％处压力分布，为理想静压孔的位置，无需标定流速系数即等于1。

③.流量计算机

超低自然量程的微差压变送器   在保证±0.1%精度的前提下，最低自然量程可达到0～13Pa；微差压变送器具有“自动归零”功能,消除因环境、工况变化及其他各种原因引起的“零点漂移”及“静压误差”；“自动归零”期间具有输出保持功能，不会造成输出和控制的波动。

流量计算   根据系统的差压及静压输出，以及接入的温度和特殊功能，利用内部固化的数学模型计算出无温压补偿或温压补偿后的线性流量显示变输出。

PLC程控   输出控制信号控制电磁阀及气控阀，用仪用空气定时对传感器进行吹扫，可以选用内部时控、外接脉冲和内部时控+外接脉冲等3种方式启动吹扫功能，吹扫期间也可以输出开关信号到DCS或冗余的流量计算机。

④自动吹扫装置

火电厂的进风、二次风都难免含有粉尘，为解决粉尘的堵塞，AM公司采用了吹扫装置取得了较好的效果。AM公司的吹扫装置可根据现场的需要设定吹扫的间隔时间及每次吹扫持续的时间，吹扫时将自动隔离传感器和流量计算机，保证差压及静压变送器的膜片不受到吹扫压缩空气的冲击，使整个测量系统做到免维护。

3、大管道气体流量仪表的检验^*7、

1准确测量风量必需通过现场校验

上述的各种差压式流速计，无论测多少点，汇总后的总、静压究竟反映了什么？它的平方根虽与流量成正比，但据此计算的流速,并非管道中的平均流速，也就是说用它乘以管道截面，并不等于流量，这是因为：

◆测量的高、低压并非真实的总、静压值 ，汇集的平均差压并不是平均流速点的差压；乘以截面的流量与真实流量有差别；

◆流速计的阻塞作用   所插入的多支流速计，将减小测量截面的流通面积，增大气体的流速；还将扭曲原来的流速分布。

◆有限测点无法完全反映管道中的流速分布。  实际应用时，只能要求所检测、计算的流量稳定，然后再用流量系数进行修正以得到真实的流量值。

由于没有试验室能提供各种火电厂的流场，所以校验必需在现场进行，它是准确测量火电风量的关键。我国在新建火电厂点火前都要由中试所进行风量校验，但方法比较简单，准确度也不够理想。

  ②、AM三维现场校验技术

  由于火电厂在运行时热风可达350^OC，测量截面上的温度并非常数，与冷态的流量有差异，AM公司提供的是更为准确热态现场校验。它由以下4部分组成：三维传感器、定位罗盘、变送器箱和手持式操作存贮终端

◆、高精度的三维（3D）传感器及定位罗盘（图7），传感器上有5个压力孔及一个温度传感器，P1为总压孔，P2、P3为一对互为补偿的静压孔，当P2、P3相等时，说明传感器找准了这一点流体的流向，这时在手持式操作存贮终端上输入传感器相对定位罗盘偏转的角度按确认后，即可记录下实时的总压P1，静压P23 ,直接计算得出动压=P1-P23，P4、P5用来检测和纠正三维传感器上下的偏差。                           

◆手持式操作存贮终端，高精度变送单元通过通讯将所有的测量信号传输到操作存贮终端，，因为系统中标定和被标定参数同时记录，从而减少了标定时运行参数变化及人工记录不同时的误差。该单元可以用通讯线输入电脑存贮标定参数同时自动生成电子版的各标定点三维流速图，为现场分析提供了极大的便利。

◆采用AM三维现场校验的效果：

   对辽源电厂的3^#、4^#炉进行了满负荷热标，在风管侧面加工了5个测试孔，为保证锅炉正常运行，在每一个校验孔上均安装了球阀，校验时才打开插入AM3D检测传感器，每个测孔测8点流速，整个截面共40点，充分反映了管道中的流速分布。

大唐辽源一次风测试对比数据

表中所列数据说明：在冷态下校验的平均误差可达到—23%；而用AM三维热态校验流量平均误差为-1.62%，精确度显著提高。

4、AM的一、二次风模拟测试技术

 ①当前测量大管径气体流量存在的问题

  我国不少相关企业在测量大管径气体流量时，没有充分认识到管道中的气体流速分布的复杂性，不仅流速分布没有规律、存在漩涡；而且还随负荷变化（图3），想当然地认为管道中的气体流速分布是理想的，仅用简单的单点流速计（如：皮托巴、双文丘里、单点热式、----），或少数测点的均速管、测管---就能测量流量。事实上，由于过于简单完全无法反映复杂的流动情况，绝大多数事与愿违，测量误差可高达十几至几十，这种流量计往往只是个摆设，失去了仪表的作用。

  当然，也有企业对管道中的非充分发展紊流，进行了测试研究，如测量了单弯头下游流速分布，及对流量的影响。但这个测试是在相关试验室中进行的，弯头的上游仍是较理想的流场（较长的直管道，或直匀流），它与现场复杂的管道布局有很大的差异，不能浅尝辄止，就宣告大功告成。现场应用说明，以此为据用于现场的流量计并不理想，仍有较大的误差。

  ②AM公司模拟测试中心

AM公司充分认识到现场管道中流动的复杂性，为了提高流量测量准确度，必须真实地反映现场的流动，消除上游阻力件的影响，对用户的管道不是局部，而是全面的进行测试。

由于经济及实施上的困难根据实验流体力学的相似准则，在实验室条件下，进行模拟测试，首要条件就是几何相似。据此，AM公司对用户的现场管道等比例缩小，为了尽可能地接近真实情况，模型缩小比例最大不超过1/5,甚至用足尺寸进行测试（图8）。

从成本考虑，AM公司这样做似乎不可思议。笔者认为：火电厂虽然成千上万，但同一类型布局的管道可能也以千、百计，这样认真的测试建立在可靠的基础上，它确实提高流量的准确度，均摊在每一个管道上就寥寥无几了，这么做是必要的、值得的。

七、小结 : 二种态度；二种结果

 从上所述，准确的风量检测，将有效地提高火电锅炉的热效率，减少有害气体的排放。而如何测量风量，当前有二种态度：

其一，对火电厂管道中气体流动的复杂性视而不见，想当然地认为是“理想的”，仅采用极简单的单点（或少量几点）流速计就宣称（实为炒作）可达到±1%的流量准确度。违背自然规律，无视现实，必然事与愿违，准确度极差，已无法完成仪表的基本功能，这个现实已日益为用户所认识。

其二，正视火电厂管道中气体流动的复杂性，不惜人力物力，力求尽善尽美，采取上述一系列措施，认真对待气体流动的复杂性，已取得火电厂气体流量测量较高的准确度，有助于提高火电厂的锅炉燃烧效率，减少有害气体的排放，这就是AM气体检测技术，它已占美国火电风量九成以上的市场，也会逐渐为我国用户所认识，所接受。