（西安西热锅炉环保工程有限公司 陕西西安 710054）
摘要：本文结合几个实际工程应用，分析了火电厂SCR脱硝系统中烟气流量的测量方法，介绍了烟气流量对SCR脱硝控制系统喷氨自动控制的重要性，并针对实际工况介绍了几种烟气流量的测量方法，分析现场一次元件测量和通过机组重要参数的利弊，根据现场实际应用效果，对几种方法进行总结。
关键词：SCR；烟气流量；测量
0 引言
我国氮氧化物的排放量中近70%来自于煤炭的直接燃烧，而火力发电厂又是我国的主要燃煤大户，由此可见，燃煤火力发电厂是NOX排放的主要来源之一。SCR脱硝是国际上使用最广泛，也是技术最成熟的烟气脱硝技术。为了能够有效控制火力发电厂锅炉的NOX排放总量，以便能够应对国内日益严格的环保政策要求，SCR烟气脱硝的控制系统不仅要保障工艺设备的连续运行，还要满足脱销系统的安全和稳定，对SCR烟气脱硝过程控制的技术进行探讨，其中包括测量技术和先进的控制技术，实现了对生产指标如脱脱硝效率、SCR反应器出口氮氧化物浓度、氨逃逸等的控制，从而为火力发电厂SCR烟气脱硝技术的普及化提供了基本的参考和指导，具有一定的理论和工程实际意义。根据质量守恒定律，所有的工艺生产过程，其原料消耗量应为产生物质的量与物料损失量之和。通过研究SCR工艺还原反应过程，可以知道输入系统的原料转变为脱硝产物以及流失的情况，以便寻求改善这一转变过程的途径[1]。
SCR喷氨闭环自动调节系统基本原理是根据烟气温度、烟气流量、SCR反应器的进出口NOX浓度和出口氨逃逸等运行参数，计算出喷氨的理论值，控制喷氨调门开度，调节喷氨量。控制原理如下图1。
SCR脱硝喷氨闭环自动控制系统中，理论喷氨量的计算需要用到烟气流量信号，其对喷氨闭环自动调节的品质好坏起着很大的决定作用，而烟气流量的直接测量目前还是烟气脱硝工程的一个难题。
1.烟气流量的测量方式
目前在实际工程应用中，烟气流量的测量通常是通过以下几种途径计算得到：
（1）根据机组DCS提过的锅炉负荷计算烟气流量。
（2）根据机组DCS提供的燃料量计算烟气流量。
（3）根据机组DCS提供的主蒸汽流量来计算烟气流量。
（4）根据机组DCS提供的空气流量计算烟气流量。
（5）利用差压式流量计直接测量烟气流量。
（6）利用热式流量计直接测量烟气流量。
2.仪表直接测量
2.1差压式流量计
差压式流量计测量方法是流速测量方法中广泛应用的一种测量方法，差压式流量计是通过检测安装在管道中的流量测量装置产生的差压，根据伯努利定理，利用流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量。目前对于烟气流量和风量的测量普遍采用皮托管、阿牛巴和威力巴流量计三种[2]。这三种差压流量计不但测量原理相同，结构也相似，由取压部件、导压部件和压力测量部件组成[3]。普通的皮托管是由垂直在支杆上的圆筒形流量头组成的管状装置，在侧壁周围有一些静压孔，它能测出差压，并根据差压确定流场中某处的流速，由流速和截面积的乘积即可计算出流量。阿牛巴流量计又称均速管流量计，是一根沿直径插入管道中的中空金属杆，在迎向流体流动的方向上有成对的测压孔，一般来说是两对，也有多对的形式，外形与笛相似，迎流面的多点测压孔测量的是总压，与全压管相连通，引出平均全压P1，背流面的中心处一般开有一只孔，与静压管相通，引出静压P2，均速管流量计是利用测量流体的全压与静压之差来测量流体的，均速管输出差压，P1-P2=差压。根据伯努利方程就可求出流速，流速乘以管道截面积就是流量，但在高粉尘的烟气中，阿牛巴流量计取压孔很容易被堵塞。威力巴流量计的取压部件也是多点取压型，但其外形设为子弹头型，并对取压孔位置做了改进，在精度、差压脉动和防堵方面有了进一步的改善。高灰段的SCR区布置中，由于烟气的高温、高尘、大截面等特点，不建议选用普通皮托管型流量计，应选用阿牛巴和威力巴流量计[3]。设计选型时要注意传感部件要具有防磨、防腐、耐高温等特性，同时施工过程中传感部件要加装防堵吹扫装置。
2.2热导式气体流量计
热式气体质量流量计采用热扩散原理，热扩散技术是一种在苛刻条件下性能优良、可靠性高的技术，其典型传感元件包括两个热电阻（铂RTD），一个是速度传感器，一个是自动补偿气体温度变化的温度传感器。当这两个RTD 被置于介质中时，其中速度传感器被加热到环境温度以上的一个恒定的温差，另一个温度传感器用于感应介质温度。流经速度传感器的气体质量流量是通过传感元件的热传递量来计算的。气体速率增加，传感器传递给介质的热量增多，因此需要供给更多的功率，而电子单元加热RTD 的功率与质量流量成一定的对应关系[4]。
被测介质的气体的物理性质受气体组分和气体温度的变化影响，会影响到测量的准确性。在SCR系统的烟气中，助燃空气中的剩余N2和燃煤燃烧产生的CO2占了近90％的体积，运行时的温度变化与机组的负荷有关，变化范围在100℃左右，对气体物理性质影响很小。热式流量计的传感器部分可采用耐高温、耐磨损的材料，而且它的阻力小，元件组成简单，并且故障概率，在阻力、防堵、耐磨性及安装方便性上比差压式的流量计具有更大的优势，所以比差压式更适合应用到高温、高粉尘的SCR烟道中。SCR脱硝系统中建议采用热式流量计作为烟气流量的测量。
2.3测量位置的选取
对于差压式流量计和热导式流量计来说，测量原理都是针对流场中某个点或某个截面上的线上的多点进行烟气流速的测量。但在电厂锅炉的尾部烟道上，通常具备有截面大、直段短、流场情况复杂的特点，尤其在锅炉负荷变化或者燃烧方式改变的情况下，烟气的流场情况变化很大。只是选用个点的流速作为全截面的平均流速，则不具有代表性，导致流量测量误差大。因此，合适的测量位置的选取就显得非常重要。在设计安装过程中也是比较令人头痛的问题。在SCR系统中，根据CFD模拟烟道中流场的情况分析，可以把SCR区域的烟道分为喷氨格栅前、喷氨格栅至SCR反应器入口、SCR反应器、SCR反应器出口至空预器入口四个部分。考虑到大多数SCR工艺系统整流板的安装位置，以及要有反应器与省煤器的对接烟道存在，喷氨格栅前的烟气流场一般均未经充分整流，其流场的均匀情况是最差。喷氨格栅至SCR反应器的入口段，不同的SCR技术的工艺设计对这段烟气流场的均匀程度要求是不同的，但大多数SCR设计技术是要求对这段烟气流场的流速偏差要控制在15％以内，SCR反应器内流场都要求比较高，SCR反应器入口处经过入口整流板后速度偏差根据脱硝效率的不同，基本都能控制在5%-15％之间，烟气经过布置在反应器内的催化剂床层的整流后，流场则会更加的均匀。经过SCR反应器的SCR出口段，流场对SCR的化学还原反应影响大大减小，所以在设计要求上这段流场情况较前两段差，且该段处于SCR末端，处于反应器与空预器的对接烟道处，肯定不满足测量归于烟道的直管道要求，不能在该段上安装流速测量装置。
在SCR区域内，最为合适的流速测量点应选择在喷氨格栅至SCR反应器入口或SCR反应器内。参考CFD的流场模拟情况，若喷氨格栅至SCR反应器入口流场较为均匀，应优先选择该段。如果由于工现场艺布置原因或流场原因不能把流速测点布置在该段，则应考虑在反应器内的第一层或第二层催化剂入口上方布置流速测点，但要注意实际布置在这区域的吹灰系统及支撑梁对测量的影响。
阿牛巴流量计和威力巴流量计均为多点取样，热导式为单点测量。设计选型时要注意传感部件的防磨、防腐、防堵灰及耐高温，对阿牛巴流量计和威力巴流量计应加装防堵吹扫装置。根据上述的分析，流速测量装置测量位置的选择正确与否是测量准确与否的关键因素，对于SCR脱硝工艺来说，流速测量应尽量选择在喷氨格栅至SCR反应器入口之间的烟道上。在张掖电厂SCR脱硝改造工程中采用这种方式安装，但在现场调试过程中发现仍然存在一定的测量偏差，通过预留环保测口实际测量确保NOX分布均匀的情况下，通过实测的准确的氮氧化物含量和氨气流量反算的烟气流量与实际测得的烟气流量有近10%的偏差。根据大多数实际运行工程工况来看，由于目前SCR脱硝多属于改造工程，对于老机组的烟气脱硝技术改造受空间限制，反应器入口烟道结构一般比较复杂，设计布置紧凑，易造成烟气流场严重不均匀，很难找到能够满足条件的流速测量装置位置。无论差压式还是热式流量计在测量上都存在较大的偏差，一般在5%~15%之间，尤其是在负荷变动时期，而通过烟气流量计算理论喷氨量时相当于喷氨自动的一个前馈作用，主要是在负荷变动期间起着超前作用。目前各地环保部门均要求SCR脱硝工程有直接测量的烟气流量监视并且远传至环保监视，所有建议安装后作为参考监视，不作为喷氨量的闭环控制计算。而测量方式最好采用进口的热式流量计，安装位置选择在氨格栅至SCR反应器入口。
3．通过计算得到烟气流量
4 结论
通过几个工程实践观察，聚达电厂SCR烟气流量通过负荷计算、华润阜阳电厂SCR烟气流量通过燃料量计算，结果比较准确，能够满足用于闭环控制的要求。但在张掖电厂调试SCR脱硝控制系统时通过这两种方式均不准确，张掖电厂为热电，进行了供热联产改造，在汽机侧抽汽供暖期间电负荷不能完全表征锅炉热负荷，所以计算出的烟气流量小于实际烟气流量，改为给煤量计算后发现在锅炉变负荷时同样存在着很大的偏差，导致喷氨闭环控制品质调节的不好，后研究锅炉控制系统发现由于该厂的磨煤机存在着很大的容积滞后，机组长时间不投机炉协调（CCS）控制，在锅炉负荷变动时给煤机给煤量变化响应不是很及时，所以在负荷变动期间给煤量也不能表征锅炉烟气量负荷，只有在负荷稳定时才能正确表征。最后改为蒸汽流量计算，蒸汽流量是通过汽轮机的调节级压力计算得来，表征的是汽轮机的实际功率，正常情况下能够表征锅炉的负荷变化，通过在稳定工况和变工况下观察，计算的烟气流量均比较准确，可以满足喷氨闭环自动的计算要求。所以具体采用哪种方法计算需要根据锅炉和机组的实际运行情况考虑。大致做了以下总结：
（1）对于热电联厂的机组，不要通过电负荷来计算烟气流量。
（2）对于平时运行煤质变化较大的机组，最好采用给煤量来计算烟气流量。
（3）对于机组不能投入CCS运行的机组，且由于磨煤机的容积滞后，给煤自动投运不好的机组不要采用给煤量计算烟气流量。
（4）空气流量的测量本身的测量误差就比较大，应作为最后的选择，在以上几种方式满足的情况下不建议采用空气流量测量来计算的方法。
参考文献：
[1] 张玉胜．600MW超临界机组SCR法烟气脱硝系统控制策略[J．仪器仪表用户，2011
[2] 罗培军．电站锅炉烟气流量测量常用流量计的选择．电工文摘，2013
[3] 胡长清，刘长东，余峰苹．火SCR脱硝工艺中烟气流速测量仪表的选型分析．自动化仪表，2010
[4] 巩爱华，马金权，朱成伟．热式气体质量流量计原理分析及其应用．齐齐哈尔大学学报，2002
作者简介：
薛大禹（1985.01.23），男，学历：东北电力大学自动化学士，单位：西安西热锅炉环保工程有限公司，研究方向：自动化
论文作者:薛大禹
论文发表刊物:《电力设备》2017年第4期
论文发表时间:2017/5/16
标签：烟气论文; 测量论文; 流量论文; 流量计论文; 反应器论文; 流速论文; 机组论文; 《电力设备》2017年第4期论文;