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2017-03
電站鍋爐一、二次風(fēng)風(fēng)速在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制與開發(fā)
項(xiàng)目的提出
鍋爐燃燒工況的好壞在很大程度上影響著電廠運(yùn)行的潔凈、安全和經(jīng)濟(jì)性。由于鍋爐設(shè)備龐大、煤粉燃燒工況極為復(fù)雜的特性,決定了燃燒過程以及與之有關(guān)的其它過程是難以控制和測(cè)量的,需要對(duì)影響燃燒工況的主要參數(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確地測(cè)量,從而能夠達(dá)到有目的、有計(jì)劃的控制、調(diào)整燃燒,實(shí)現(xiàn)鍋爐最佳的運(yùn)行方式。
目前,國(guó)內(nèi)采用四角布置切圓燃燒方式的電站鍋爐是極為普遍的。對(duì)于四角布置的直流燃燒器來說,燃燒調(diào)整的目的是尋找最佳的燃燒方式,建立起爐內(nèi)良好的空氣動(dòng)力工況。其中,關(guān)鍵的調(diào)整項(xiàng)目是使四角配風(fēng)均勻合理。這對(duì)于攜帶煤粉的一次風(fēng)有著較為嚴(yán)格的要求,對(duì)動(dòng)能、剛性比一次風(fēng)大得多的二次風(fēng)有著更高的要求。而要達(dá)到這一目的,則必須實(shí)現(xiàn)對(duì)各一、二次風(fēng)噴口風(fēng)速的準(zhǔn)確測(cè)量,這是問題的關(guān)鍵。從設(shè)計(jì)、制造鍋爐的角度出發(fā),燃燒系統(tǒng)中燃燒器出口風(fēng)速是燃燒器設(shè)計(jì)的主要參數(shù),也是指導(dǎo)運(yùn)行的重要依據(jù)。但是,由于目前鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)壓測(cè)量裝置自身測(cè)量條件要求的限制等原因,使得鍋爐燃燒系統(tǒng)的噴口風(fēng)速,到目前為止難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量。
多年來,司爐進(jìn)行的鍋爐燃燒調(diào)整一直停留在依靠觀測(cè)風(fēng)道靜壓、風(fēng)門開度和肉眼看火這種傳統(tǒng)、落后的監(jiān)測(cè)手段上。司爐無法直接、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到鍋爐一、二次風(fēng)的噴口風(fēng)速,燃燒調(diào)整一直處于靠感覺、憑經(jīng)驗(yàn)的盲目、半盲目的狀態(tài)。無法有效地監(jiān)測(cè)和調(diào)整爐膛內(nèi)的實(shí)際燃燒工況。
因此,如何開發(fā)先進(jìn)的燃燒監(jiān)測(cè)的手段,解決實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒系統(tǒng)一、二次風(fēng)噴口風(fēng)速實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)量的問題,改變目前的被動(dòng)局面就成為當(dāng)務(wù)之急。
• 現(xiàn)狀和存在的問題分析
目前,司爐調(diào)整鍋爐一、二次風(fēng)風(fēng)速配比,主要的監(jiān)測(cè)手段有三種:
第一種:依據(jù)安裝于每個(gè)燃燒器一、二次風(fēng)支管及風(fēng)箱上的靜壓測(cè)點(diǎn)指示,調(diào)平各層風(fēng)速
其測(cè)量原理是利用流體力學(xué)的伯努力方程,即假設(shè)在全壓相等的前提下,動(dòng)壓等于全壓減靜壓,通過測(cè)量靜壓來比對(duì)動(dòng)壓。
該方法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單、直觀。存在的問題是:第一,由于風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的差異,風(fēng)箱到各個(gè)噴口的煙風(fēng)阻力不相等,而且隨爐型增大,差異變大。第二,一、二次風(fēng)風(fēng)道中,尤其是在二次風(fēng)管道中,由于結(jié)構(gòu)的影響,流場(chǎng)的穩(wěn)定性相當(dāng)差,在不采取一定有效措施的前提下,準(zhǔn)確測(cè)量靜壓值都是很困難的。第三,即使能夠測(cè)量到準(zhǔn)確的靜壓,由于系統(tǒng)中各個(gè)管道的阻力無法得到較好的補(bǔ)償,只能實(shí)現(xiàn)定性測(cè)量,無法實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)風(fēng)速值的定量比對(duì)。
現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況常常是,集控室內(nèi)的一、二次風(fēng)風(fēng)壓指示表計(jì),要么無指示,要么指示無規(guī)律,幾乎形同虛設(shè)。
第二種:通過對(duì)各風(fēng)門進(jìn)行冷、熱態(tài)的風(fēng)門特性試驗(yàn),依據(jù)風(fēng)門開度的大小來實(shí)現(xiàn)一、二次風(fēng)的調(diào)整
該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、直觀,無需其它附屬設(shè)備。存在的問題是:該方法的前提是要求風(fēng)門開度指示與擋板的實(shí)際位置建立起一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。但是由于風(fēng)門控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)、擋板所處的環(huán)境惡劣,風(fēng)道內(nèi)擋板的實(shí)際開度往往與執(zhí)行器開度指示相脫節(jié),風(fēng)門特性經(jīng)常變化,加之運(yùn)行中,風(fēng)門的檢查、維修工作困難,難以保證這種一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。
第三種:近幾年,一些科研院所做過一些工作,如在一、二次風(fēng)支管中安裝全壓測(cè)速管;把二次風(fēng)小風(fēng)門作為阻力件,通過測(cè)量風(fēng)門前后的管道靜壓差,或直接在風(fēng)道安裝靠背管和笛形管等項(xiàng)技術(shù),來試圖解決一、二次風(fēng)風(fēng)速的測(cè)量。
但是,由于現(xiàn)場(chǎng)所能提供的測(cè)量條件和上述一次測(cè)量元件自身測(cè)量條件要求的限制,在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用中難以勝任燃燒器噴口風(fēng)速準(zhǔn)確測(cè)量的工作。
系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想
鍋爐燃燒系統(tǒng)中二次風(fēng)依次從四角二次風(fēng)大風(fēng)箱進(jìn)行分組,分別分配給各層二次風(fēng)水平支管,然后進(jìn)入爐內(nèi)。在這種結(jié)構(gòu)中能實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)二次風(fēng)噴口風(fēng)速測(cè)量的場(chǎng)所,只能在水平直管段。但水平管段一般為變徑管和組合彎頭,可供正常安裝風(fēng)速測(cè)量裝置的位置幾乎沒有,即使對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的改造,能創(chuàng)造出的直管段一般最多只有2～3倍D(當(dāng)量直徑)長(zhǎng)。在這樣的條件下,距常規(guī)動(dòng)壓測(cè)量裝置基本測(cè)量條件的要求相差懸殊。如笛形管、靠背管、皮托管等所需的測(cè)量直管段,在測(cè)量截面前要有6～8倍D,測(cè)量截面后有2～3倍D長(zhǎng)的直管段。如果勉強(qiáng)使用,由于測(cè)量條件不能滿足,測(cè)試數(shù)據(jù)誤差不能保證。同樣,一次風(fēng)速測(cè)量也存在相類似的問題。到目前為止,由于一次風(fēng)風(fēng)粉混合物氣流的煤粉含量高,因測(cè)量元件的磨損和堵塞問題無法有效解決,對(duì)氣流直接取壓,進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量是難以實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際可行的方案是通過測(cè)量一次風(fēng)混合點(diǎn)前的空氣氣流動(dòng)壓,并對(duì)其進(jìn)行必要的修正,得出實(shí)際的噴口風(fēng)速。由于結(jié)構(gòu)的限制,在現(xiàn)場(chǎng)可提供的動(dòng)壓測(cè)量條件也很有限,因此,要實(shí)現(xiàn)一次風(fēng)風(fēng)速的準(zhǔn)確測(cè)量也有相當(dāng)?shù)睦щy。
上面是從一、二次風(fēng)風(fēng)道的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的分析。對(duì)于動(dòng)壓(風(fēng)速)測(cè)量元件來說,目前,可應(yīng)用于鍋爐風(fēng)速測(cè)量的成型的裝置有皮托管、文丘里管、機(jī)翼、笛形管、靠背管、雙文丘里管(動(dòng)壓倍增管)等較多類型,但是由于各自的適用范圍、安裝、測(cè)量條件和測(cè)量精度的不同,能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)一、二次風(fēng)管道結(jié)構(gòu)所形成的惡劣測(cè)量條件,保證測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定和精度,可供選擇的一次測(cè)量元件幾乎沒有。
因此,通過對(duì)上述存在問題的仔細(xì)分析、研究,我們得出如下結(jié)論:從測(cè)量的理論和技術(shù)上講,要改變這種局面,實(shí)現(xiàn)鍋爐的一、二次風(fēng)速的準(zhǔn)確測(cè)量,必須同時(shí)滿足如下三個(gè)必要條件:
• 對(duì)于任何測(cè)量裝置或儀器來說,要保證測(cè)量的準(zhǔn)確、穩(wěn)定,即有誤差限作保證,都需要一個(gè)基本的測(cè)量條件。對(duì)于動(dòng)壓測(cè)量裝置也是如此,即需要一定的整流直管段。因此,需要根據(jù)鍋爐風(fēng)箱和風(fēng)道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的技術(shù)改造,為一次測(cè)量元件的安裝和測(cè)試提供一定的測(cè)量條件。
• 設(shè)計(jì)、開發(fā)出能夠適合于一、二次風(fēng)噴口平均風(fēng)速測(cè)量的較為理想的一次動(dòng)壓測(cè)量元件。該元件應(yīng)具有測(cè)量條件要求低(即所需直管段為2～3倍的管道當(dāng)量直徑),輸出信號(hào)穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)矩形、圓形截面,小管徑,高流速,局部阻力小,潔凈或低含塵氣流管道平均風(fēng)速(多點(diǎn)、網(wǎng)格法)的測(cè)量。
• 在此基礎(chǔ)上,利用微差壓傳感器、先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)處理技術(shù),對(duì)動(dòng)壓信號(hào)進(jìn)行必要的修正,以數(shù)字量和模擬量的方式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來,指導(dǎo)運(yùn)行。
筆者認(rèn)為,上述步驟對(duì)于解決鍋爐的一、二次風(fēng)速實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)量的難題來說,是缺一不可的,而且也是唯一可行的出路。而且對(duì)于鍋爐實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行的實(shí)際意義是非常重大的。
研究過程與結(jié)果
一次元件的開發(fā)
我們通過細(xì)致的技術(shù)分析比較,得出如下結(jié)論:在常規(guī)測(cè)速裝置中,翼形風(fēng)速測(cè)速裝置由于它是喉部取壓,測(cè)量信號(hào)穩(wěn)定,精度和靈敏度較高;本身可以對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行整形,要求的前后直管段短;整個(gè)形狀為流線型,不可恢復(fù)的動(dòng)壓損失小;輸出的差壓信號(hào)能放大3～5倍,能夠滿足傳感器對(duì)微差壓信號(hào)的要求,同時(shí)也滿足鍋爐送風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、風(fēng)道結(jié)構(gòu)布置的要求。
但是,傳統(tǒng)意義上的機(jī)翼測(cè)量裝置是由單板成型的,適用于低流速、大管徑、矩形截面、純凈空氣流速測(cè)量領(lǐng)域的裝置。因此,我們?nèi)绻x定機(jī)翼形測(cè)速裝置為該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一次測(cè)量元件,就需要對(duì)它的結(jié)構(gòu)、制造工藝、計(jì)算方法進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn),使之適合于矩形、圓形、小管徑、高流速、全截面(多點(diǎn)、網(wǎng)格法)平均風(fēng)速、低含塵氣流動(dòng)壓準(zhǔn)確測(cè)量的需要。并且,需要在此基礎(chǔ)上,對(duì)開發(fā)出的機(jī)翼形測(cè)速裝置進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)室冷態(tài)?；囼?yàn),對(duì)設(shè)計(jì)方法、制造工藝進(jìn)行驗(yàn)證,為進(jìn)一步改進(jìn)和最終能夠投入工業(yè)運(yùn)行,提供第一手的試驗(yàn)資料。
此項(xiàng)研究、開發(fā)工作從1996年初開始,歷時(shí)11個(gè)月結(jié)束。主要工作內(nèi)容和結(jié)論如下:
通過自行設(shè)計(jì)和外委加工、安裝,建立?；囼?yàn)臺(tái);設(shè)計(jì)、加工各種型號(hào)、規(guī)格的機(jī)翼形測(cè)量裝置;確定試驗(yàn)方法、計(jì)算方法和試驗(yàn)內(nèi)容;進(jìn)行各種條件下的測(cè)試、試驗(yàn);對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、處理,編制試驗(yàn)報(bào)告。
試驗(yàn)結(jié)論:開發(fā)出的機(jī)翼形風(fēng)速測(cè)量裝置,在阻力系數(shù)較小(ξ=0.3～0.5)的情況下,機(jī)翼前后各有1D和0.5D的直管段,就能保證風(fēng)速測(cè)量誤差<2.5%。如果測(cè)量條件還能改善,誤差可以控制在小于2%的范圍內(nèi)。
目前,已開發(fā)出的應(yīng)用型測(cè)速裝置,并已申報(bào)國(guó)家專利。
系統(tǒng)軟、硬件的選型和開發(fā)
• 微差壓傳感器組研制
根據(jù)我們對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的防塵、防電磁和高溫的要求,與中國(guó)航天部傳感器研究所聯(lián)合開發(fā)出YZ2B2型微差壓傳感器組,作為該系統(tǒng)傳感器部件。
每個(gè)傳感器組由八路信號(hào)組成。傳感器的核心元件是選用進(jìn)口的典型的擴(kuò)散硅電阻橋硅膜片,具有良好的穩(wěn)定性。根據(jù)硬件系統(tǒng)的需要,感壓信號(hào)經(jīng)放大轉(zhuǎn)換成4m～20m或1V～5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出,系統(tǒng)精度<0.5%/F.S。
• 分散式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的選型
本系統(tǒng)選用了英國(guó)生產(chǎn)的DATASCAN7000分散式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有高度的分散特性,由RS485通訊總線構(gòu)成,網(wǎng)絡(luò)可延伸1.2km,可達(dá)1000個(gè)數(shù)據(jù)采集通道。系統(tǒng)同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制能力。有高的轉(zhuǎn)換精度(萬分之一)和抗干擾能力,支持各種信號(hào)的輸入。能很好地適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣的工作環(huán)境。
• 系統(tǒng)選用高性能的研華P586工業(yè)控制計(jì)算機(jī),能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的需要。
• 系統(tǒng)應(yīng)用軟件包的編制
軟件包完全是自行編制、開發(fā),主要由下述功能模塊組成:系統(tǒng)主程序模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊、采集模塊、數(shù)據(jù)計(jì)算、處理模塊、數(shù)值、模擬界面顯示模塊、傳感器零點(diǎn)自補(bǔ)償模塊、傳感器電信號(hào)校驗(yàn)?zāi)K、風(fēng)速測(cè)量裝置輸出信號(hào)校驗(yàn)?zāi)K。
現(xiàn)場(chǎng)改造和鍋爐的冷、熱態(tài)試驗(yàn)
• 現(xiàn)場(chǎng)改造
提出方案 根據(jù)鍋爐一、二次風(fēng)風(fēng)箱、風(fēng)道的具體結(jié)構(gòu)和相關(guān)的技術(shù)參數(shù),設(shè)計(jì)機(jī)翼形測(cè)速裝置,并提出具體的改造方案。
技術(shù)改造 利用機(jī)組大修的機(jī)會(huì)對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造工作,加裝機(jī)翼形測(cè)速裝置。
系統(tǒng)安裝 系統(tǒng)的熱工監(jiān)測(cè)部分,也結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的具體情況進(jìn)行安裝。
系統(tǒng)調(diào)試 在系統(tǒng)全部安裝完畢后,進(jìn)行系統(tǒng)軟、硬件的整體調(diào)試工作,消除系統(tǒng)中存在的缺陷。
• 鍋爐的冷、熱態(tài)試驗(yàn)
冷態(tài)試驗(yàn) 由于機(jī)翼形測(cè)速裝置是一種非標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)速裝置,因此,必須對(duì)其進(jìn)行流量系數(shù)的標(biāo)定工作。此項(xiàng)工作可以通過試驗(yàn)風(fēng)洞或在現(xiàn)場(chǎng)通過冷態(tài)試驗(yàn)完成。另外,對(duì)燃燒設(shè)備的狀況進(jìn)行必要的檢查。
熱態(tài)試驗(yàn) 在鍋爐啟動(dòng)以后,還需要對(duì)鍋爐進(jìn)行熱態(tài)的燃燒調(diào)整試驗(yàn),目的是通過該項(xiàng)試驗(yàn)確定,在一定的煤質(zhì)范圍內(nèi),鍋爐在不同負(fù)荷、不同工況的磨組合方式下的最佳的燃燒運(yùn)行方式。其中,最主要的是鍋爐一、二次風(fēng)的調(diào)整、匹配方式,并建立燃燒運(yùn)行卡。
試驗(yàn)結(jié)果 試驗(yàn)結(jié)果表明,加裝了電站鍋爐燃燒在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐燃燒工況較為精確的控制。不僅提高了鍋爐的熱效率,提高了主蒸汽溫度水平、低負(fù)荷穩(wěn)燃能力和煤種的適應(yīng)性,而且能夠較好地控制NOX的生成。
國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)比較
目前,國(guó)外鍋爐(主要是CE公司的四角切圓燃燒方式)的燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造較為過關(guān),燃燒調(diào)整手段比較多,加之吹灰手段比較完善,相應(yīng)的燃燒系統(tǒng)發(fā)生的問題不是很集中,是否必須要實(shí)現(xiàn)噴口風(fēng)速的準(zhǔn)確測(cè)量問題不是很突出。
在國(guó)內(nèi),鍋爐燃燒器是固定安裝的,燃燒調(diào)整的主要手段是各層一、二次風(fēng)噴口風(fēng)速和上下一次風(fēng)的負(fù)荷(粉量)分配。但由于監(jiān)測(cè)手段的落后,無法實(shí)行合理的燃燒調(diào)整,燃燒的安全、經(jīng)濟(jì)性差。最近幾年,一些科研院所雖然也先后在現(xiàn)有的常規(guī)動(dòng)壓測(cè)量裝置的基礎(chǔ)上,利用傳感器、數(shù)據(jù)采集和微機(jī)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)中儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)鍋爐一次風(fēng)噴口風(fēng)速的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。但是由于受到常規(guī)動(dòng)壓測(cè)量裝置本身測(cè)量條件的要求和現(xiàn)場(chǎng)條件的嚴(yán)重制約,在現(xiàn)場(chǎng)難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量。
另外,在二次風(fēng)噴口風(fēng)速的監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,由于可供測(cè)試的條件極為惡劣。目前,國(guó)內(nèi)外尚未見能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)定風(fēng)速的類似報(bào)道。
我們開發(fā)的“電站鍋爐一、二次風(fēng)風(fēng)速在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”的風(fēng)速測(cè)量誤差小于5%,解決了國(guó)內(nèi)電站鍋爐一、二次風(fēng)噴口風(fēng)速的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)量的問題。1998年3月,該項(xiàng)目在電力工業(yè)部電力信息中心進(jìn)行了查新檢索,無相同的研究成果,同年通過了內(nèi)蒙科委組織的技術(shù)鑒定,技術(shù)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。
適用范圍和推廣應(yīng)用情況
根據(jù)本項(xiàng)目的課題來源和技術(shù)內(nèi)容的特點(diǎn),開發(fā)出的矩形、圓形截面管道翼形測(cè)速裝置,可以應(yīng)用在各種容量和燃燒方式的鍋爐純空氣或低含塵氣流(如回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)的攜帶作用,使得一、二次風(fēng)中包含一定濃度的飛灰,易造成感壓孔堵塞)矩形、圓形風(fēng)道的平均風(fēng)速監(jiān)測(cè)上,典型的應(yīng)用就是鍋爐燃燒器的各個(gè)二次風(fēng)噴口風(fēng)速監(jiān)測(cè)。另外對(duì)于一次風(fēng)風(fēng)速的測(cè)量,目前只應(yīng)用于中儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)的鍋爐。
該項(xiàng)目較好地解決了鍋爐燃燒系統(tǒng)一、二次風(fēng)噴口風(fēng)速實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)量的問題。目前已分別在豐鎮(zhèn)發(fā)電廠1號(hào)、2號(hào)、6號(hào)670t/h鍋爐和海勃灣發(fā)電廠2號(hào)機(jī)組410t/h鍋爐上安裝使用。整個(gè)系統(tǒng)投入生產(chǎn)運(yùn)行后,工作正常,性能優(yōu)良,經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益顯著。系統(tǒng)在電站鍋爐投入使用后,能明顯改善燃燒工況,提高鍋爐效率和低負(fù)荷穩(wěn)燃能力,避免了因燃燒方面的原因造成的事故。根據(jù)測(cè)算,每臺(tái)鍋爐每年可創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益460萬元人民幣,間接經(jīng)濟(jì)效益420萬元人民幣;另外,可以降低NOX的生成量20%～30%,社會(huì)效益顯著,推廣應(yīng)用潛力巨大。目前,已被內(nèi)蒙科委批準(zhǔn)為1999～2001年度自治區(qū)重點(diǎn)科技推廣應(yīng)用項(xiàng)目。
2017-03
電廠鍋爐常用風(fēng)量測(cè)量裝置的比較與應(yīng)用
崔玉民
（華能濟(jì)寧運(yùn)河發(fā)電有限公司，山東濟(jì)寧272057）
引言
隨著火力發(fā)電廠自動(dòng)化水平的不斷提高，各電廠對(duì)風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)投入率的要求也在提高。目前國(guó)內(nèi)常用的風(fēng)量測(cè)量裝置類型有：機(jī)翼型、文丘里、巴類（阿牛巴、威力巴）、全截面插入多點(diǎn)式自清灰風(fēng)量測(cè)量裝置和熱擴(kuò)散式等幾種。
鍋爐風(fēng)量匹配合理，燃燒工況就會(huì)明顯改善，并且節(jié)約能源。對(duì)于燃燒過程來說，一、二次風(fēng)量配風(fēng)不均勻，會(huì)造成著火提前、燃燒器燒損、爐膛結(jié)渣等情況的發(fā)生。特別是一次風(fēng)量過大會(huì)導(dǎo)致鍋爐滅火和造成燃燒系統(tǒng)的管道磨損，影響機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。而風(fēng)量測(cè)量對(duì)電站鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性、環(huán)保水平等均有重要作用。
常用風(fēng)量測(cè)量裝置原理及特點(diǎn)
目前國(guó)內(nèi)常用的風(fēng)量測(cè)量裝置類型有：機(jī)翼型、文丘里、巴類（阿牛巴、威力巴）、全截面插入多點(diǎn)式自清灰風(fēng)量測(cè)量裝置和熱擴(kuò)散式等幾種。上述常用的風(fēng)量測(cè)量裝置除熱制式外，都是采用差壓式測(cè)量原理，其感壓體是一個(gè)帶有感壓空間，當(dāng)風(fēng)管內(nèi)有氣流流動(dòng)時(shí)，風(fēng)量測(cè)量裝置的迎風(fēng)面感壓空間受氣流沖擊，在此處氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓力能，因而迎面管內(nèi)壓力較高，其壓力稱為“全壓”，背風(fēng)面感壓空間由于不受氣流沖壓，其管內(nèi)的壓力為風(fēng)管內(nèi)的靜壓力，其壓力稱為“靜壓”，全壓和靜壓之差稱為差壓。差壓的大小與管內(nèi)風(fēng)量（速度）的大小有關(guān)，風(fēng)量越大，差壓越大；風(fēng)量小，差壓也小，風(fēng)量的大小與差壓的大小成正比的關(guān)系。因此，只要測(cè)量出差壓的大小，再找出差壓與風(fēng)量（速度）的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就能正確地測(cè)出管內(nèi)的風(fēng)量（速度）。
• 機(jī)翼型風(fēng)量測(cè)量裝置原理及特點(diǎn)
機(jī)翼型風(fēng)量測(cè)量裝置由機(jī)翼及一段矩形風(fēng)道構(gòu)成，為壓差型測(cè)量方式。感壓體是一個(gè)帶有感壓孔的空間，機(jī)翼式風(fēng)量測(cè)量裝置測(cè)量的理論基礎(chǔ)是在充滿流體的管道中，固定放置一個(gè)流通面積小于管道截面積的節(jié)流件，則管道內(nèi)流體在通過該節(jié)流件時(shí)就會(huì)造成局部收縮，在收縮處流速增加，靜壓力降低，在節(jié)流件前后將產(chǎn)生一定的壓力差。對(duì)于一定形狀和尺寸的節(jié)流件、一定的測(cè)壓位置和前后直管段、一定的流體參數(shù)情況下，節(jié)流件前后的差壓△P 與流量Q 之間關(guān)系符合伯努利方程。
機(jī)翼型風(fēng)量測(cè)量裝置占用面積大，導(dǎo)致截流大，增加了風(fēng)機(jī)電耗，不利于風(fēng)機(jī)的節(jié)能，在熱風(fēng)道含塵氣流測(cè)量中由于感壓孔灰塵只進(jìn)不出，較容易堵塞。
• 文丘里風(fēng)量測(cè)量裝置原理及特點(diǎn)
文丘里效應(yīng)的原理則是當(dāng)風(fēng)吹過阻擋物時(shí)，在阻擋物的背風(fēng)面上方端口附近氣壓相對(duì)較低，從而產(chǎn)生吸附作用并導(dǎo)致空氣的流動(dòng)。把氣流由粗變細(xì)，以加快氣體流速，使氣體在文氏管出口的后側(cè)形成一個(gè)“真空”區(qū)，真空區(qū)靠近工件時(shí)會(huì)對(duì)工件產(chǎn)生一定的吸附作用。
其構(gòu)造由等直徑入口段、收縮段、等直徑喉道和擴(kuò)散段等組成，串聯(lián)于管路中。設(shè)入口段和喉道處流體平均流速、靜壓和管道截面面積分別為v1、p1、S1和v2、p2、S2，密度ρ不變，根據(jù)連續(xù)性方程S1v1＝S2v2＝Q和伯努利方程p1＋（1/2 ）ρv²1＝p2＋（1/2 ）ρv²2（假定管軸線水平），可導(dǎo)出流量Q=S2√（2/ρ）（p1-p2）/［1-（s2/s1）］²。
風(fēng)道式文丘里風(fēng)量測(cè)量裝置因阻力大、信號(hào)放大倍數(shù)較小等缺點(diǎn)目前已較少使用，文丘里風(fēng)量測(cè)量裝置為壓差型測(cè)量方式，因在負(fù)壓測(cè)點(diǎn)取在內(nèi)文丘里喉部，很容易堵塞。
• 巴類風(fēng)量測(cè)量裝置原理及特點(diǎn)
巴類風(fēng)量測(cè)量裝置是基于皮托管測(cè)速原理發(fā)展而來的一種流量傳感器，為壓差型測(cè)量方式。感壓體是一個(gè)帶有感壓孔的小空間，其灰塵只進(jìn)不出，慢慢地沉積下來，時(shí)間一久就會(huì)逐步地堵塞取壓口，隨著時(shí)間地推移，堆積的高度越來越高，最終無法正常工作，需要重新吹掃后才能工作運(yùn)行。所以平時(shí)的吹掃維護(hù)工作量較大，影響風(fēng)量投自動(dòng)，但在直管段比較理想和不含灰塵的情況下使用效果較好。
圖1、圖2、圖3分別是威力巴、阿牛巴、德爾塔巴等的探頭模型圖。
圖1 威力巴流體模型圖
圖2 阿牛巴流體模型圖
圖3 德爾塔巴探頭模型圖
由于電廠的熱風(fēng)道沒有足夠的直管段，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，管道內(nèi)的速度場(chǎng)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，會(huì)造成氣流不穩(wěn)定，流場(chǎng)冷熱態(tài)差別大，從測(cè)量的準(zhǔn)確性來說，對(duì)于熱二次風(fēng)而言僅僅插入一組是肯定不夠的，從而會(huì)影響到測(cè)量的準(zhǔn)確性和自動(dòng)調(diào)節(jié)的投入率。
• 全截面插入多點(diǎn)式自清灰風(fēng)量測(cè)量裝置原理及特點(diǎn)
全截面插入多點(diǎn)式自清灰風(fēng)量測(cè)量裝置，在風(fēng)道截面上嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)采用等截面多點(diǎn)測(cè)量原理，測(cè)量截面的平均速度，再根據(jù)各測(cè)量管道截面尺寸的大小、直管段長(zhǎng)度等因素來確定測(cè)量點(diǎn)數(shù)。解決了含塵氣流風(fēng)量測(cè)量中的堵塞問題，風(fēng)量測(cè)量裝置本身具有利用流體動(dòng)能進(jìn)行自清灰防堵塞的功能，不需要外加氣體進(jìn)行吹掃，無論氣體含塵濃度多大，均可長(zhǎng)期運(yùn)行且免維護(hù)。與其他流量計(jì)相比，插入式多點(diǎn)測(cè)量裝置最突出的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)直管段的要求比較低，在完全沒有直管段的情況下，為一種較好的測(cè)量方式。
全截面插入多點(diǎn)式自清灰風(fēng)量測(cè)量裝置是基于靠背測(cè)量原理，感壓部件插入管內(nèi)，當(dāng)有氣流通過時(shí)，迎風(fēng)面測(cè)量氣流的動(dòng)能（全壓），背風(fēng)側(cè)測(cè)量氣流的靜壓力（靜壓），全、靜壓差的大小與風(fēng)量的之間有相互對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用這一原理正確測(cè)出管內(nèi)風(fēng)量。對(duì)于熱風(fēng)和混合風(fēng)中的含塵氣流的測(cè)量，要長(zhǎng)期準(zhǔn)確地測(cè)量出管內(nèi)風(fēng)量，首先要解決的是測(cè)量裝置的防堵塞問題。全截面插入多點(diǎn)式自清灰風(fēng)量測(cè)量裝置增設(shè)了自清灰裝置，即在測(cè)量管的垂直段內(nèi)懸掛了自清灰棒，該棒可以在管內(nèi)氣流的沖擊下作無規(guī)則擺動(dòng)，起到自清灰作用，圖4所示。
圖4 自清灰風(fēng)量測(cè)量裝置
• 熱擴(kuò)散式風(fēng)量測(cè)量裝置原理及特點(diǎn)
熱擴(kuò)散式風(fēng)量測(cè)量裝置有溫度敏感元件，利用傳熱原理，其中加溫棒：（RTD）升溫活冷卻有一個(gè)過程，所以它的測(cè)量滯后性較大，不能快速、及時(shí)地反映風(fēng)速、風(fēng)量的變化。
圖5 熱擴(kuò)散式風(fēng)量測(cè)量裝置
熱擴(kuò)散式風(fēng)量測(cè)量裝置（圖5）只測(cè)了一個(gè)點(diǎn)的速度，并不能代表整個(gè)風(fēng)道的平均速度，即使經(jīng)過標(biāo)定，得到修正，但當(dāng)機(jī)組負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，管道內(nèi)的速度場(chǎng)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，和原標(biāo)定值不一樣，而標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)也不可能在全部負(fù)荷下都做標(biāo)定，其誤差無法消除。如果采取增加幾個(gè)測(cè)點(diǎn)的方法，那價(jià)格要成倍增加。熱擴(kuò)散式雖然解決了含塵氣流風(fēng)量測(cè)量中的堵塞問題，但價(jià)格較貴。
鍋爐測(cè)風(fēng)測(cè)量點(diǎn)的布置
按照國(guó)家有關(guān)全截面測(cè)量點(diǎn)的布置規(guī)定，根據(jù)風(fēng)道的大小進(jìn)行等截面測(cè)量布點(diǎn)，且要求水平和垂直方向都要考慮測(cè)量點(diǎn)布置。例如：對(duì)于大截面風(fēng)道（如熱二次風(fēng)5000mm×4600mm），僅有幾個(gè)測(cè)量點(diǎn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確度，應(yīng)在大風(fēng)道截面上按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采用等截面多點(diǎn)測(cè)量，測(cè)得截面的平均速度。測(cè)量裝置將多個(gè)等截面測(cè)量點(diǎn)在風(fēng)道內(nèi)進(jìn)行連接，最后正、負(fù)壓側(cè)各引出一根總引壓管，分別與差壓變送器相連，以測(cè)得該截面上的平均風(fēng)量，圖6所示。圖中“O”表示實(shí)際測(cè)量點(diǎn)和分布位置，共分成16個(gè)小截面，每個(gè)截面上都分別布置測(cè)量點(diǎn)。
圖6 等截面多點(diǎn)測(cè)量測(cè)點(diǎn)布置
計(jì)算數(shù)學(xué)模型
Q=KAf（ΔP,T，P）
式中：Q為風(fēng)量；K為風(fēng)量測(cè)量裝置系數(shù)；A為風(fēng)量測(cè)量裝置安裝處的面積，m2；T為風(fēng)量所對(duì)應(yīng)的風(fēng)溫，℃；ΔP為風(fēng)量測(cè)量裝置輸出差壓，Pa；P為風(fēng)量所對(duì)應(yīng)的壓力，Pa。
上述數(shù)學(xué)模型對(duì)各風(fēng)管的風(fēng)量進(jìn)行壓力和溫度的實(shí)時(shí)修正。根據(jù)各臺(tái)鍋爐的設(shè)計(jì)要求，風(fēng)量Q的單位可以分別為m3/h，t/h或Nm3/h。
從上述數(shù)學(xué)模型中可以看出，風(fēng)量值與風(fēng)量測(cè)量裝置輸出差壓值之間為正比例的非線性關(guān)系。
全截面插入多點(diǎn)式自清灰風(fēng)量測(cè)量裝置應(yīng)用
華能濟(jì)寧運(yùn)河發(fā)電有限公司3、4號(hào)鍋爐，由于風(fēng)道布置受空間限制，改用全截面插入多點(diǎn)式自清灰風(fēng)量測(cè)量裝置，由于在風(fēng)道截面上嚴(yán)格采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格要求進(jìn)行多點(diǎn)式布置、且測(cè)量裝置本身具備的自清灰和防堵塞功能，壓損很小，裝置性能可靠，取得了良好的使用效果，風(fēng)量顯示穩(wěn)定。
其中冷一次風(fēng)量管道尺寸為Ф1020×4mm，采用了全截面9點(diǎn)布置，圖7所示。
圖7 冷一次風(fēng)量管道測(cè)點(diǎn)布置
熱二次風(fēng)量尺寸為5000mm×4100mm，采用了全截面16點(diǎn)布置，圖8所示。
圖8 熱二次風(fēng)量管道測(cè)點(diǎn)布置
結(jié)語
根據(jù)改造后多年的使用情況來看，只要在改造施工過程中嚴(yán)格保證了風(fēng)量、風(fēng)速測(cè)量變送器取樣管嚴(yán)密，風(fēng)量、風(fēng)速測(cè)量裝置在運(yùn)行中能夠準(zhǔn)確測(cè)量。現(xiàn)在，只在每年的大小修中，對(duì)變送器進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)安排對(duì)風(fēng)量、風(fēng)速測(cè)量裝置取樣管進(jìn)行一次常規(guī)吹掃，即可保證其全年的正常運(yùn)行。
2017-03
項(xiàng)目?jī)?nèi)容概述
國(guó)電某熱電廠采用自清灰風(fēng)量測(cè)量裝置，將對(duì)二臺(tái)鍋爐的磨入口風(fēng)量（5套/1爐）進(jìn)行改造。項(xiàng)目?jī)?nèi)容主要包括測(cè)量一次測(cè)量元件的安裝、磨入口風(fēng)量的計(jì)算數(shù)學(xué)模型的建立。
安裝技術(shù)要求
磨入口風(fēng)量測(cè)量裝置應(yīng)安裝在混合風(fēng)風(fēng)道2384*974*4mm（寬*高）的水平管道上，每爐5套。安裝時(shí)若風(fēng)道內(nèi)測(cè)量裝置前1-1.5米范圍內(nèi)有支撐架遮擋，影響風(fēng)量測(cè)量，務(wù)必割除。請(qǐng)參照安裝圖。
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應(yīng)特別注意的是：測(cè)量裝置的斜剖面必須在迎風(fēng)面上，迎風(fēng)面為“+”側(cè)，背風(fēng)面為“-”側(cè)。敷設(shè)引壓管時(shí)，測(cè)量裝置的“+”、“-”壓側(cè)應(yīng)分別與變送器的“+”、“-”側(cè)相連，避免差錯(cuò)。
每根引壓管路敷設(shè)應(yīng)確保無漏點(diǎn)，必須進(jìn)行嚴(yán)密性試驗(yàn)。引壓管路敷設(shè)完畢后，安裝變送器前必須用壓縮空氣進(jìn)行管路吹掃。
引壓管應(yīng)用φ16*2或φ14*2的不銹鋼管。
變送器量程按下表調(diào)校：
風(fēng)量計(jì)算數(shù)學(xué)模型
● 風(fēng)量計(jì)算數(shù)學(xué)模型
● 小信號(hào)切除及系統(tǒng)阻尼加裝要求
風(fēng)量計(jì)算，因涉及開根號(hào)，故應(yīng)加裝小信號(hào)切除功能，建議當(dāng)變送器輸出電流小于或等于4.2mA，認(rèn)為風(fēng)量為零。
為了確保顯示的穩(wěn)定性，系統(tǒng)應(yīng)加裝軟件阻尼。
建議系統(tǒng)采樣速度取用1次/秒，采用前6秒鐘平均值進(jìn)行顯示。
其他事項(xiàng)
為了確保項(xiàng)目順利完成，要求數(shù)學(xué)模型必須在鍋爐點(diǎn)火前檢驗(yàn)正確。
