趙 揚(yáng)，張 珂

(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200030)

0 引言

目前，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。SO2的大量排放影響了生存環(huán)境[1]。因此，減少SO2的排放至關(guān)重要。燃料在鍋爐中燃燒后會(huì)產(chǎn)生大量的有害氣體，包括NOX、SO2及其他有毒有害氣體。這些氣體必須經(jīng)過除塵工藝、脫硝工藝、脫硫工藝處理后達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，才可排放到空氣中[1-2]。為了保證煙氣符合國家排放標(biāo)準(zhǔn)，不僅對(duì)氣體測(cè)量裝置的精度和穩(wěn)定性要求較高，而且對(duì)測(cè)量裝置的抗腐蝕性能要求也非常高。

1 測(cè)量原理

熱式氣體流量計(jì)分為恒溫差技術(shù)與恒功率技術(shù)兩種。傳感器原理示意圖如圖1所示。

圖1 傳感器原理示意圖

熱式氣體流量計(jì)具有兩個(gè)傳感器探頭，采用鉑電阻作為敏感元件。鉑電阻作為一種新型的感溫元件,具有尺寸小、響應(yīng)快、受溫度影響小等特點(diǎn)[5-6]。其中：一個(gè)傳感器探頭為速度傳感器探頭,也叫加熱傳感器探頭，采用Pt32電阻；另一個(gè)為參比傳感器探頭，采用Pt9電阻。根據(jù)熱力學(xué)可知，熱傳遞有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射三種方式[5]。氣體流動(dòng)時(shí)造成了溫度的變化，通過對(duì)流換熱的方式從傳感器表面帶走熱量，可表示為：

Q=hA(T2-T1)

(1)

式中：Q為電流對(duì)Pt32電阻產(chǎn)生的熱量；h為散熱系數(shù);A為探頭表面積;T2為速度傳感器表面的溫度;T1為參比傳感器測(cè)得的環(huán)境溫度。

電流和溫差的關(guān)系可表示為：

I2R=hA(T2-T1)

(2)

式中：I為通過速度傳感器表面的電流;R為速度傳感器探頭的電阻。

根據(jù)強(qiáng)迫對(duì)流換熱公式[1]，有：

(3)

由式(3)、式(4)可知，hA可表示為：

(4)

式中:q為通過傳感器探頭的質(zhì)量流量;C、B為常數(shù)。

式(3)和式(4)聯(lián)立可得：

(5)

式中：K1、K2為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；ΔT為速度傳感器與參比傳感器的溫差。

由式(5)可知，氣體流量q與電流I和溫度差存在對(duì)應(yīng)關(guān)系[1]。恒功率技術(shù)可保持電流I恒定，由溫差的變化來反映流量的大小。在流量很小的情況下，參比傳感器溫度T1與速度傳感器T2的溫差ΔT較大。速度傳感器產(chǎn)生的熱量會(huì)影響環(huán)境溫度。而探頭的散熱條件與環(huán)境溫度有極大的關(guān)系，會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)的精度下降。這也說明了小流量應(yīng)用中，恒功率技術(shù)測(cè)量精度受環(huán)境溫度影響較大。同理，恒溫差測(cè)量技術(shù)用于保持溫差恒定，通過電流的變化來反映流量的大小，相對(duì)于恒功率技術(shù)受環(huán)境溫度影響較小。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)參數(shù)

熱式氣體流量計(jì)性能優(yōu)異、維護(hù)量小，常用于各種氣體監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。技術(shù)參數(shù)規(guī)格如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)規(guī)格表

2.2 應(yīng)用案例分析

流量計(jì)安裝于脫硫煙氣出口處。煙氣經(jīng)過除塵、脫硝、脫硫，通過流量計(jì)，再進(jìn)行除塵，最后排放到空氣中。傳感器材質(zhì)為316 L不銹鋼。在Cl-濃度較高的條件下，316 L的耐腐蝕能力有限。濕法脫硫后煙氣中攜帶的液滴在傳感器表面發(fā)生沉積[7-8]，造成流量計(jì)傳感器的腐蝕。流量計(jì)安裝點(diǎn)流程如圖2所示。

圖2 流量計(jì)安裝點(diǎn)流程圖

2.3 傾斜45°測(cè)量法

傳統(tǒng)的安裝方式采用水平安裝，將傳感器探頭插入管道中心點(diǎn)。從腐蝕原理可知，酸性溶液會(huì)隨著時(shí)間的流逝，大量吸附在傳感器上，在適宜的溫度下與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)的電比學(xué)反應(yīng)[8-9]。針對(duì)脫硫工藝的特殊性，本文采用斜向上45°的方式安裝。熱式質(zhì)量流量計(jì)安裝示意圖如圖3所示。

圖3 熱式質(zhì)量流量計(jì)安裝示意圖

由圖5可知，由于重力的作用，附著在傳感器探頭上的酸性溶液部分會(huì)從探頭流出，從而緩解傳感器探頭的腐蝕，延長(zhǎng)了流量計(jì)的使用壽命。另外，由于酸性氣體冷凝后形成水珠附著在傳感器探頭上，會(huì)使傳感器探頭的表面散熱系數(shù)發(fā)生變化。而根據(jù)熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的原理可知，氣體流過探頭表面時(shí)，加快了傳感器探頭的散熱速度，相同的風(fēng)量會(huì)從傳感器探頭上帶走更多的熱量，造成測(cè)量值偏離實(shí)際值。所以采用45°斜向上的安裝方式，既緩解了酸性氣體對(duì)傳感器的腐蝕，也間接提高了熱式氣體流量計(jì)在濕法脫硫工藝應(yīng)用上的測(cè)量精度。

2.4 表面處理技術(shù)

特氟龍是一種高性能的涂料，具有耐腐蝕、耐磨損、化學(xué)性能穩(wěn)定和優(yōu)良的不粘性等特點(diǎn)，主要有PTFE、PFA、FEP、ETFE等幾種基本類型[10]。特氟龍技術(shù)規(guī)格如表2所示。脫硫煙氣的溫度一般小于100 ℃，壓力為101.325 kPa，氣體流速20 Nm/s。結(jié)合表2，選擇ETFE對(duì)熱式質(zhì)量流量計(jì)的傳感器進(jìn)行加工噴涂處理。

表2 特氟龍技術(shù)規(guī)格表

噴涂的工藝流程為噴涂底漆、面漆和表面處理[10]。底漆和面漆選擇953G-506和953G-401，底漆覆膜厚度選擇0.008 mm，烘干溫度200 ℃。面漆覆膜厚度選擇0.05 mm，烘干溫度200 ℃，分兩次進(jìn)行處理。需要注意的是，溫度不可超過200 ℃，以避免對(duì)傳感器內(nèi)部造成損壞。噴涂厚度選擇十分重要。如果底漆過厚，容易使傳感器表面涂層發(fā)生裂紋，從而達(dá)不到抗腐蝕的效果，且影響傳感器的散熱性能和精度。如果底漆過薄，由于底漆的主要成分為粘結(jié)劑，雖然避免了針孔和裂紋的產(chǎn)生，但是會(huì)導(dǎo)致附著力下降，涂層容易脫落[10]。

2.5 標(biāo)定校準(zhǔn)

特氟龍噴涂在傳感器探頭的表面，會(huì)降低其表面的散熱性能，風(fēng)量經(jīng)過探頭帶走的熱量會(huì)減小。由熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的原理可知，特氟龍涂層相當(dāng)于一層保溫層。在相同風(fēng)量情況下，經(jīng)過特氟龍噴涂的熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量值會(huì)偏小。為了保證測(cè)量精度，噴涂后對(duì)流量計(jì)進(jìn)行了校準(zhǔn)處理。校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)包括鼓風(fēng)機(jī)、自動(dòng)閥門、標(biāo)準(zhǔn)表、被校準(zhǔn)表、儲(chǔ)氣罐以及控制系統(tǒng)，如圖4所示。校準(zhǔn)環(huán)境溫度為0 ℃，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325 kPa。氣體由鼓風(fēng)機(jī)經(jīng)過閥門、壓力計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)表、流量計(jì)，最后至儲(chǔ)氣罐。

圖4 校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)圖

熱式氣體流量計(jì)在脫硫工藝應(yīng)用時(shí)，量程設(shè)置值為0～20 Nm/s。本文分別對(duì)滿量程的100%、50%、20%、10%進(jìn)行校準(zhǔn)，如表3所示。對(duì)每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)采集3個(gè)有效數(shù)據(jù)求取平均值和誤差，平均值公式為：

(6)

式中：X1，X2，…，Xn為采集的n個(gè)有效數(shù)據(jù)；XP為n個(gè)有效數(shù)據(jù)的平均值。

誤差公式可表示為：

(7)

式中:σ為絕對(duì)誤差，u為標(biāo)準(zhǔn)值，y為實(shí)際值。

由表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出：在滿量程的10%時(shí)，平均精度可達(dá)到-2.208 5%；在滿量程的20%時(shí)，平均精度為-1.180 9%；在滿量程的50%時(shí)，平均精度為-1.557 9%；在滿量程的100%時(shí)，平均精度可達(dá)到-0.964 7%。數(shù)據(jù)表明，儀表在進(jìn)行耐腐噴涂處理后，測(cè)量值偏小。在滿量程的10%處，特氟龍涂層對(duì)儀表的測(cè)量結(jié)果影響最大；在滿量程處，特氟龍涂層對(duì)儀表的測(cè)量結(jié)果影響最?。浑S著流速的增加，特氟龍涂層帶來的影響會(huì)減小。

表3 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表

儀表重復(fù)性可表示為：

(8)

式中:m為儀表的重復(fù)性;Xmax為最大誤差;Xmin為最小誤差;X為平均誤差。

在量程10%處，儀表的重復(fù)性小于0.1%；在量程20%處，儀表的重復(fù)性小于0.1%；在量程50%處，儀表的重復(fù)性小于0.25%；在量程100%處，儀表的重復(fù)性小于0.25%。從以上數(shù)據(jù)可知，雖然儀表的精確度未達(dá)到1%,但是具有很高的重復(fù)性，可通過內(nèi)部系數(shù)對(duì)儀表進(jìn)行修正，從而達(dá)到測(cè)量要求。評(píng)定儀表性能的指標(biāo)主要有重復(fù)性和精確度。如果重復(fù)性差，同一個(gè)工況測(cè)量的結(jié)果差別很大，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量來說沒有很大的意義。只要儀表的重復(fù)性好，測(cè)量值可通過現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)加以修正，依然有很高的指導(dǎo)意義。

3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

在淮南某電廠脫硫工藝上安裝了KURZ公司的2臺(tái)熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)。其中1臺(tái)經(jīng)過特氟龍噴涂處理，另外1臺(tái)未經(jīng)過特氟龍噴涂處理。經(jīng)過不同負(fù)荷運(yùn)行一段時(shí)間后，從現(xiàn)場(chǎng)采集到的功率-流速曲線如圖5所示。在相同功率條件下,低流速時(shí)經(jīng)過特氟龍?zhí)幚淼膬x表測(cè)量值略微偏高，高流速時(shí)經(jīng)過特氟龍?zhí)幚淼膬x表測(cè)量值略微偏小，但是曲線趨勢(shì)與未作處理的流量計(jì)的曲線趨勢(shì)相同。這說明經(jīng)過特氟龍?zhí)幚砗罅髁坑?jì)的測(cè)量性能未受到影響。

圖5 功率-流速曲線

為了使數(shù)據(jù)更加可靠，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工藝特點(diǎn)，對(duì)流量計(jì)進(jìn)行內(nèi)部修正。修正公式如下所示：

Vs=Vf×F×S×Vt

(9)

式中：Vs為現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)流速值；Vf為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際流速值；F為現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；S為現(xiàn)場(chǎng)管道影響因子；Vt為溫度修正系數(shù)。

不同類型表面腐蝕率對(duì)比如表4所示。

表4 腐蝕率對(duì)比表

經(jīng)過一年使用后，特氟龍?zhí)幚砗蟮牧髁坑?jì)支撐桿出現(xiàn)輕微的腐蝕，而傳感器基本未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，測(cè)量值穩(wěn)定，4～20 mA信號(hào)輸出正常。未經(jīng)過特氟龍?zhí)幚淼膬x表，使用4個(gè)月后開始出現(xiàn)輕微腐蝕，使用8個(gè)月后腐蝕現(xiàn)象明顯，而使用一年后支撐桿腐蝕率超過了40%，傳感器出現(xiàn)腐蝕損壞現(xiàn)象，4～20 mA信號(hào)輸出異常。通過對(duì)熱式氣體流量計(jì)表面耐腐性能進(jìn)行研究，達(dá)到預(yù)期的效果，滿足測(cè)量精度的情況下，提高流量計(jì)的耐腐性能，延長(zhǎng)了流量計(jì)的使用壽命。

4 結(jié)論

經(jīng)過表面處理和現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)整后，熱式氣體流量計(jì)在脫硫工藝應(yīng)用上取得了很好的效果。與傳統(tǒng)的熱式流量計(jì)相比，該方法強(qiáng)化了傳感器的耐腐蝕性能，提高了儀表的使用壽命。對(duì)流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)處理后，儀表的重復(fù)性可達(dá)到0.25%，精度可達(dá)到滿量程的1%。