美國EPI熱式氣體流量計在CEMS系統中的應用

隨著環保行業的發展，CEMS(煙氣排放連續在線監測系統)得到了廣泛需求, 大多應用在電站、冶金、水泥、造紙和垃圾處理廠。CEMS系統中,煙氣的流量測量是必不可少的，它是污染排放物排放多少的重要計算依據。我們知道，煙氣特點是：混合氣體、高溫、高粉塵、高水分、負壓及腐蝕性等；工況條件通常是：煙氣介質溫度在150℃左右，熱電廠的一次風或二次風一般在200℃，但個別也有的400℃左右，；流速一般在30m/s左右；準確度一般要求在1~2%左右；粉塵顆粒0～1000mg/m3；壓力測量范圍：-70～70mbar。在這種條件下，應保證必要的檢測準確度，應有較快的反應速度、易安裝、易標定；同時要防塵、防濺、防腐、防堵等要求；要有較高的自動化程度，較少的維護工作量。

目前在CEMS行業中多用皮托管流量計，其優勢是耐高溫，而其缺點也存在很多。差壓法測量流量是將傳感器裝入被測管內并與介質流向垂直，這樣在該傳感器的正方和背方將相應的測出動壓與靜壓，用差壓傳感器測出動、靜壓之差（位能相等）。在一定條件下動壓能與靜壓能可以相互轉換，但能量總和是恒定的。我們可以運用公式。

Q v = CεΑ/sqr(2ΔP/(1-β＾4)/ρ1)

其中：C 流出系數；

ε: 可膨脹系數

Α: 節流件開孔截面積，M＾2

ΔP: 節流裝置輸出的差壓，Pa;

β :直徑比

ρ1: 被測流體在I-I處的密度 ，kg/m3;

Qv: 體積流量，m3/h

但在實際的測量時，我們發現了許多問題：

其一，當氣體流速低于10m/s的時候，由于皮托管/孔板等產生的節流件ΔP非常小，即使選用高端的ROSEMOUNT3051微差壓變送器測量結果也不是很理想。

其二，管道、傳感器自身、安裝工藝等因素都會對測量的結果導致直接性的影響。

其三，由于介質本身為混合氣體，很容易受壓力和溫度的影響而改變自身的密度，所以我們在測量的時候需要用溫度和壓力信號在線對氣體的密度進行修正，我們稱之為溫壓補償。這樣，我們又需要加裝一臺壓力變送器和一臺溫度變送器，不僅在成本上提升了，而且壓力變送器和溫度變送器本身的精度也會對流量測量造成影響。

但隨著熱式氣體質量流量計的問世，很好的解決了CEMS及煙氣排放的低流速測量問題。

熱式氣體質量流量計應用金氏定理即熱擴散原理：流過熱源的流體分子多少與熱量散失的多少成正比。采用這種原理有兩種實現方法：一是恒功率法，二是恒溫差法?？捎帽磉_式來具體說明：

P/ △ T=A+B（Q）m

其中P表示消耗功率；△T表示兩個傳感器之間的溫度差；Q表示質量流量；m表示指數系數，A，B是與氣體物理性質有關的常數。從上述公式可以看出：加熱功率與熱源的溫度差的比值可以得出質量流量Q。在實際的工作中，我們把加熱功率或溫度差任一個參數固定來測量流體的質量。前者為恒功率法；后者為恒溫差法。

下面是兩種實現方法的性能比較，其中表一為恒溫度原理輸出號與流速信號的關系圖；表二為恒功率原理輸出信號與流速信號的關系圖。 

從外觀上看通常熱式氣體質量流量計探頭上有兩個直徑在3～5mm的不銹鋼棒，這就是流量計的傳感器。RTD就被封裝在每一個不銹鋼棒內。

工作時，一個傳感器不間斷地測量介質的溫度（T1），并作為惠斯登電橋的一側，惠斯登電橋另一側的傳感器進行自加熱到T2，T2>T1。△T＝T2-T1。當介質流過傳感器時，氣體分子的溫度為T1，并將T2的熱量帶走，這樣T2溫度下降，若使△T不變，就必須對T2的傳感器用電流進行補償。氣體流速越快，單位時間內通過傳感器的氣體分子越多，根據金氏定律，帶走到熱量也就越多。這就是恒溫差原理。對于此原理，我們用相應當函數關系表示為：

V=K[Q/△T]1.87/ρg

其中：

V： 流速

K： 平衡系數系數

Q： 加熱量

T： 溫差

ρg： 流體比重（工況下介質密度）

由于傳感器溫度T2永遠比被測介質溫度自動恒定高出△T，所以熱式氣體質量流量計從原理上不需要作任何溫度補償。

ρg＝ρn×[(101.3+P)/101.3]×[273/(273+T)]

ρn 標況下介質密度

P 工況壓力（kpa）

T 工況溫度（℃）

所以，流速和工況壓力，氣體密度，工況溫度函數關系已經確定

綜上所述，恒溫差熱式氣體質量流量計不受溫度和壓力的影響，不需要溫壓補償，是真正測量分子數的質量流量計。

用熱式氣體質量流量計做CEMS流量測量是十分方便的，不需要溫壓補償，提高了精確度，在國外已經非常成熟的運用在CEMS上；在國內，在CEMS系統中，則方興未艾。

由于CEMS系統中介質成分比較惡劣，常有粉塵、水分、焦油等雜質易對流量計形成堵塞，造成測量誤差大甚至無法測量。針對這種情況，許多廠家增加了吹掃裝置，但吹掃裝置只有在不測量時才能使用，無法從根本上解決問題。

EPI多點插入型熱式氣體質量流量計針對CEMS系統，對傳感器進行革新。測量中不再是單點測量，而是在不銹鋼棒內均勻裝入多個RTU傳感器，取各個傳感器信號后取平均值。

● 顯示零點的清零

● 輸出模擬量的校正

● 多點非線性曲線修正

● 寬量程比大于1000：1（可測量流速從0.05m/s到240m/s）

● 大口徑小流量測量精確

● 現場可對儀表設定

● 接近零壓力損失的封裝傳感器

● 對振動不敏感

● 直管段要求較小，1D-2D即可實現高精度測量

● 測量值與壓力無關，真正實現質量流量的檢測

插入式安裝并配球閥，真正的安全便捷安裝及方便清理

● 采用專家算法，實現儀表的高精度和穩定性

● 小于一秒的響應時間

● 液晶顯示，具有瞬時累積雙顯示，無需切換

● 經證實，能夠在危險地區安裝（ExdIICT4防爆）

● 可選航天防腐涂層，可測量腐蝕性及黏性較大的氣體

正是由于EPI氣體質量流量計的獨特性，能夠在惡劣的條件下對氣體進行測量，在可靠性、重復性和精確性等方面指標優異，超高的性價比使其在CEM系統及煙氣排放流量測量上有很強的可塑性和應用性，目前已在華能大連電廠、沈陽熱電廠、首鋼、天鋼、太鋼等單位實地應用。