一种高温高尘高腐蚀环境的流速测量方法及系统与流程

本发明属于流体流速测量，尤其涉及一种高温高尘高腐蚀环境的流速测量方法及系统。

背景技术：

1、流量测量是工业生产、能源利用、环境监测等领域的关键技术之一。目前，已存在多种流量测量方法及对应的测量设备，如热导式流量计、皮托管、靶式流量计、文丘里流量计等。然而，这些测量方法均存在特定的适用场景限制，在锅炉烟气等特殊工况下，难以满足精准测量需求。

2、锅炉烟气环境具有高温(通常为800~1200℃)、高粉尘浓度(50~200mg/m³甚至更高)、易污染且含有so2等腐蚀性气体的特点。同时，锅炉烟道及炉膛多为大尺度空间，流体分布不均匀，流动状态复杂，给流速的精准测量带来了极大困难。传统热导式流量计在高温环境下元器件易损坏，测量稳定性差；皮托管易被粉尘堵塞，且在大尺度空间中单点测量代表性不足；靶式流量计和文丘里流量计压损较大，且对高尘、腐蚀环境的适应性弱，长期使用易出现部件磨损、污染及腐蚀，导致测量精度大幅下降。

3、基于热消散效应的热式气体质量流量计，依托金氏定律(king's law)实现流量测量，具有压损低、量程大、高精度、高可靠性、无可动部件及可适配极低气体流量监控等优点。其核心原理是：电路提供给流量探头的电功率与管道内气体对流带走的热量相等，通过检测流体与传感器间的热量交换关系计算流量。然而，传统热式流量计仍存在以下不足：

4、第一，多采用双传感器设计(一个测温、一个测流量)，在高温高尘环境下，传感器表面易积尘，单一测点易受局部污染或流场扰动干扰，测量精度难以保证。

5、第二，气体组分变化时，流体的定压比热容和热导率随之变化，传统热式流量计缺乏有效的补偿机制，由此产生附加误差。

6、第三，传统热式流量计通常采用热敏电阻或铂电阻作为传感元件，其耐高温性能有限(一般不超过400℃)，无法适配800℃以上的锅炉烟气工况；且在高腐蚀性气体环境中，传感元件易腐蚀损坏。

7、第四，缺乏针对高温、高尘、高腐蚀工况的专属校准系统，测量系统难以在模拟真实工况条件下进行全量程校准，传感器老化、环境干扰带来的系统误差无法得到有效修正。

8、综上，现有流量测量方法在高温、高尘、高腐蚀、大尺度环境中的适用性差、测量精度不足，难以满足锅炉烟气等极端工况下流速长期稳定监测的实际需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高温高尘高腐蚀环境的流速测量方法及系统，旨在解决现有流速测量设备在高温高尘高腐蚀烟道环境下元件易损坏、易堵塞、测点代表性不足、测量误差大、无自动修正机制、长期稳定性差的问题。

2、本发明是这样实现的，一种高温高尘高腐蚀环境的流速测量方法，所述流速测量方法包括以下步骤：

3、s1、根据待测烟道截面形态布设多传感器测量阵列，所述测量阵列包含至少三支耐高温耐腐蚀热电偶传感器，阵列排布形式选自圆形、三角形、菱形中的任意一种；

4、s2、采用专属校准系统模拟高温、高尘、腐蚀工况，采集不同流速下各传感器的电压 u、电流 i、电阻 r、温度 t 基准数据，通过迭代比对人工实测数据构建校准数据库，基于采集的多源基准数据，经数据拟合与机器学习训练得到温速关联模型，其中综合温度参数，u为传感器电压、i为传感器电流、r为传感器电阻、t为传感器与流体的温差；

5、s3、动态调节各热电偶的加热功率、工作电流及等效散热面积，稳定维持热电偶与待测流体之间的稳定温差，同步采集阵列内全部热电偶输出的电压u、电流i、电阻r、温差t多源检测数据，其中，热电偶通电加热总功率满足

p=

i2

r，总散热功率由对流散热、辐射散热、传导散热三部分组成，辐射散热简化为，换热系数h与流体流速密切相关；

6、s4、采用差分融合算法对采集的多源数据进行降噪处理，依托多传感器数据冗余特性，通过多测点数据差分计算剔除粉尘附着、管壁腐蚀、局部涡流造成的单点异常干扰数据；

7、s5、调取校准数据库内全工况基准数据，并代入训练完成的温速关联模型，实时求解待测流体断面平均流速；

8、s6、采用均方差法，对比单测点流量、局部小块断面流量、烟道整体断面总流量，完成测量误差与不确定度量化评定，周期性调用专属校准系统开展一次工况复核，依据复核得到的基准偏差数据动态更新温速关联模型系数，并同步调整热电偶加热功率、工作电流调控参数，对实时流速测量结果持续修正。

9、本发明的进一步技术方案是：所述步骤s1中所述待测烟道分为圆形烟道与矩形烟道；所述圆形烟道划分为二环、三环或五环等面积测点环，每一环测点距离烟道内壁的距离按照烟道直径d给定标准化定值；所述矩形烟道依据断面面积阈值划分规格，不同规格匹配对应测点数量与等面积小块长边限值。

10、本发明的进一步技术方案是：所述热电偶传感器为k型异型热电偶或e型异型热电偶；所述步骤s3中调控过程中维持热电偶与待测流体之间的温差为50~100℃，加热功率调节区间为10~50w，工作电流调节区间为0.1~0.5a。

11、本发明的进一步技术方案是：所述专属校准系统内置高温加热单元、粉尘发生单元、腐蚀气体供给单元、标准流量比对单元，可独立调节500~1500℃温度、0~50g/m³粉尘浓度、含硫化物腐蚀性气体浓度、覆盖0.5~20m/s全量程区间模拟流速四类工况参数。

12、本发明的进一步技术方案是：所述温速关联模型基于金氏定律热消散效应构建过程引入努塞尔系数nu、普朗特数pr、流体热导率、介质定容比热容、烟气密度、热电偶直径及长度热物性参数，建立质量流量与加热功率、换热温差、探头尺寸的定量关联式。

13、本发明的进一步技术方案是：所述步骤s4中所述差分融合算法包括异常值剔除、多测点均值补偿、偏差差分抵消三级数据处理逻辑。

14、本发明的进一步技术方案是：所述步骤s6中的误差评定结果同步用于动态修正温速关联模型的基础系数，降低长期积污、传感器老化带来的系统漂移误差。

15、本发明的进一步技术方案是：所述测量阵列无运动部件，依靠热电偶静态加热换热实现流速检测，不存在粉尘堵塞通道结构。

16、本发明的进一步技术方案是：经校准与动态修正后，断面流速整体测量误差控制在 ±2% 以内。

17、本发明的另一目的在于提供一种高温高尘高腐蚀环境的流速测量系统，用于执行上述的流速测量方法，所述流速测量系统包括多传感器测量阵列、驱动调控模块、数据处理模块及专属校准模块；

18、所述多传感器测量阵列包含至少三支k型异型热电偶或e型异型热电偶，通过圆形或三角形或菱形排布形式适配圆形烟道多环标准化等面积布点或矩形烟道分块等面积布点；

19、所述专属校准模块集成高温加热单元、粉尘发生单元、腐蚀气体供给单元、标准流量比对单元，能够模拟500~1500℃高温、0~50g/m³粉尘、含硫化物腐蚀烟气，模拟流速0.5~20m/s；用于采集全工况基准数据，迭代生成校准数据库，并基于机器学习训练得到温速关联模型；

20、所述驱动调控模块电连接全部热电偶，用于动态调节10~50w加热功率、0.1~0.5a工作电流及等效散热面积，稳定维持热电偶与流体50~100℃换热温差，并同步采集各传感器u、i、r、t多源检测数据；

21、所述数据处理模块内置存储单元、差分融合算法单元、温速关联模型单元、误差评定单元；数据处理模块基于金氏定律热平衡关系开展计算，通过多测点差分抵消单点粉尘、腐蚀、涡流干扰，结合校准数据库求解流体实时流速；采用均方差法完成误差与不确定度评定；周期性接收专属校准模块复核数据，自动更新温速模型系数并下发调控参数至驱动调控模块，实现测量结果实时修正；所述温速关联模型可补偿烟气组分、环境温度波动产生的附加误差；系统整体无运动部件，长期连续工作测量误差稳定控制在±2%以内。

22、本发明的有益效果是：选用k型或e型异型热电偶作为传感元件，可耐受800~1200℃高温、高粉尘浓度及含so2等腐蚀性气体的恶劣环境，解决了传统热敏电阻、铂电阻等传感元件耐高温性能差、易腐蚀损坏的问题，适用于锅炉烟气等大尺度极端场景。

23、通过多传感器协同测量、参数动态调节、布置形式优化及专属校准系统，利用多源数据冗余抵消单一传感器误差，消除环境干扰及系统误差；结合基于金氏定律构建的温速算法模型及其对气体组分变化的补偿机制，大幅提升流速测量精度，经校准与动态修正后断面流速整体测量误差可控制在±2%以内。

24、无可动部件设计结合多源数据冗余机制，减少粉尘堵塞、部件磨损对测量的影响；多传感器协同测量使单一传感器受污染或损坏时系统仍能正常工作，长期工作稳定性优异，连续工作30天无传感器损坏、精度衰减现象。

25、可通过调整传感器布置形式(圆形、三角形、菱形等)、传感器参数及模型参数，适配圆形烟道、矩形烟道等不同截面形态及不同尺寸、不同恶劣程度的工况场景；量程覆盖范围大(0.5~20m/s)，压损低，兼顾极低流速与较高流速的测量需求。