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衔锏龋瑹焿m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，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，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)避開彎頭、閥門和變徑管等容易產(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，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
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)的前端另開一側(cè)。斜向 30°側(cè)開一個(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。

2均速管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和原理
2.1新型均速管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
均速管是基于皮托管測(cè)速原理發(fā)展起來(lái)的一種 差壓式流量傳感器，其主要部件是流量檢測(cè)桿。檢 測(cè)桿常見截面形狀有圓形、菱形、機(jī)翼型、頭型、 德爾塔巴型和威力巴型⁶³。新型均速管的流量檢測(cè) 桿由一根菱形外管中內(nèi)套圓形管的雙管組成，內(nèi)管 測(cè)量全壓，外管測(cè)量靜壓。其結(jié)構(gòu)主要由以下6個(gè) 部分組成。
① 全壓測(cè)量孔。全壓孔主要測(cè)量與迎面風(fēng)速相關(guān) 的壓力值，作為全壓。本檢測(cè)桿按等環(huán)面積法共選取 8個(gè)全壓孔,在檢測(cè)桿的迎風(fēng)面?zhèn)妊乇粶y(cè)管道中軸線 上下對(duì)稱分布鉆取。
② 全壓均值腔。本檢測(cè)桿內(nèi)管是全壓均值腔，其 連接了所有全壓孔，將全壓孔獲取的壓力值進(jìn)行穩(wěn)定 平均。
③ 靜壓測(cè)量孔。靜壓孔主要是用于測(cè)量靜壓。本 檢測(cè)桿同樣按等環(huán)面積法選取8個(gè)靜壓孔，在檢測(cè)桿 外管的背風(fēng)側(cè)與被測(cè)管道軸線相交處鉆取，與全壓孔 位置相對(duì)應(yīng)。
④ 靜壓均值腔。本檢測(cè)桿外管是靜壓均值腔，將 所有靜壓孔獲取的壓力值進(jìn)行穩(wěn)定平均。
⑤ 全壓引壓管。全壓引壓管與全壓均值腔連接， 將測(cè)得的全壓均值傳至二次儀表。
⑥ 靜壓引壓管。靜壓引壓管與靜壓均值腔連接， 將測(cè)得的靜壓均值傳至二次儀表。
新型均速管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1新型均速管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖
Fig. 1 Structure design of the new type of Annubar
 
2.2測(cè)速原理及計(jì)算方法
一般情況下，管道中流體的流速分布是不均勻的。 為了測(cè)得管道中流體平均流速，通常采用等環(huán)面積法 將管道橫截面分割成若干個(gè)面積相等區(qū)域，近似認(rèn)為

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,（Aa —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