程啟明 程尹曼 汪明媚 王映斐
(上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化學(xué)院,上海 200090)
一/二次風(fēng)速作為電站鍋爐燃燒調(diào)整的重要參數(shù),在鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中起著重要作用。準(zhǔn)確的風(fēng)速測(cè)量有助于選擇最佳燃燒工況和風(fēng)量調(diào)節(jié),提高系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)效益。多年來,司爐一般通過肉眼看火、風(fēng)道靜壓顯示、風(fēng)門擋板開度調(diào)節(jié)等傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段來調(diào)整鍋爐燃燒。這種方法雖然簡(jiǎn)單、直觀,但不能直接、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到鍋爐一/二次風(fēng)的風(fēng)速,燃燒調(diào)整仍處于靠感覺、憑經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài),無法有效地監(jiān)測(cè)和調(diào)整爐膛內(nèi)燃燒工況。因此,可能會(huì)使鍋爐配風(fēng)不均,甚至引起火焰中心偏斜,燃燒不穩(wěn),從而導(dǎo)致熄火放炮、局部結(jié)焦及爐管爆漏等后果,降低鍋爐熱效率。所以,可靠、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)鍋爐風(fēng)速是十分重要的。
火電廠風(fēng)速測(cè)量存在直管段短且風(fēng)道空間布置復(fù)雜、返料風(fēng)流速較低且管徑較小等缺點(diǎn),并受氣流性質(zhì)、管路系統(tǒng)以及流動(dòng)狀態(tài)多樣等多種影響因素,因此電站鍋爐風(fēng)速測(cè)量難度較大。目前測(cè)風(fēng)技術(shù)種類很多,特點(diǎn)各異,本文將分析比較當(dāng)前國(guó)內(nèi)電站鍋爐風(fēng)速在線監(jiān)測(cè)技術(shù),介紹各種技術(shù)的特點(diǎn)、應(yīng)用情況以及鍋爐風(fēng)速測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
目前,流量計(jì)有100多種,其中差壓式流量計(jì)在工業(yè)應(yīng)用較為廣泛,鍋爐風(fēng)速測(cè)量也普遍采用在風(fēng)道中安裝差壓式流量計(jì)來測(cè)量風(fēng)速。這種儀器是利用風(fēng)速與壓差間的關(guān)系間接計(jì)算出風(fēng)速。
標(biāo)準(zhǔn)噴嘴由二段圓弧形收縮段和圓筒形段組成[1],它是一個(gè)孔徑逐漸減小的流道,孔徑最小的流道部分稱為噴嘴的喉部。文丘里噴嘴的喉部后有孔徑逐漸擴(kuò)大的流道,臨界流文丘里噴嘴的喉部氣流速度達(dá)到臨界速度(即音速),其流速只與上游壓力有關(guān)而與下游壓力無關(guān),流出系數(shù)只與雷諾數(shù)有關(guān)。噴嘴測(cè)量?jī)x經(jīng)典成熟且已標(biāo)準(zhǔn)化,無需實(shí)流校準(zhǔn);結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小;沒有可動(dòng)部件,準(zhǔn)確度較高、性能穩(wěn)定、重復(fù)性好;噴嘴入口為光滑曲面,不易磨損,流出系數(shù)非常穩(wěn)定;壓損比孔板小一半多;對(duì)測(cè)試氣體的潔凈度要求不高。但它制造成本高;安裝較難、工藝復(fù)雜;壓損較大;負(fù)壓側(cè)的取樣孔因局部渦流的影響易堵塞;需要直管段較長(zhǎng)。因此,此測(cè)量?jī)x很少直接應(yīng)用于電廠現(xiàn)場(chǎng),常用作氣體流量的傳遞標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)定其他氣體流量的儀表。
標(biāo)準(zhǔn)孔板是一塊加工成圓形同心的[2]、具有銳利直角邊緣的薄板。充滿管道的氣體在流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流孔板時(shí),流束將在節(jié)流件處形成局部收縮,使氣速增加,靜壓力降低,孔板前后產(chǎn)生靜壓力差。通過測(cè)量此差壓,就能確定流過孔板的流速??装鍦y(cè)量?jī)x經(jīng)典成熟且已標(biāo)準(zhǔn)化,無須實(shí)流標(biāo)定;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于制造、方便維護(hù);通用性強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠;價(jià)格低廉、使用壽命長(zhǎng)。但它易積污、磨損、壓損很大,且由流體沖刷引起的邊緣磨損會(huì)導(dǎo)致測(cè)量精度下降,需要定期維護(hù);加工精度和安裝要求較高,安裝費(fèi)時(shí)費(fèi)力;量程較小;測(cè)量重復(fù)性和精確度一般;要求直管段較長(zhǎng);易產(chǎn)生泄漏、堵塞、凍結(jié)及信號(hào)失真等故障。因此,此測(cè)量?jī)x難以在電廠現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期使用,常用作氣體流量的傳遞標(biāo)準(zhǔn)。
畢托管利用垂直裝在支桿上的圓筒形測(cè)量頭[3],正對(duì)流向的端部孔測(cè)出流體全壓,再由環(huán)繞其圓周的多個(gè)側(cè)面孔測(cè)出流體靜壓,根據(jù)此差動(dòng)壓便可推算測(cè)點(diǎn)流速。畢托管測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用、制造方便;抽樣標(biāo)定容易,可用于標(biāo)定儀表;價(jià)格便宜,堅(jiān)固耐用;測(cè)量較高氣速時(shí)精確且分辨力好。但由于其屬于接觸式測(cè)量,全壓孔需正對(duì)風(fēng)向,且其靜壓孔尺寸較小,所以儀器本身對(duì)風(fēng)場(chǎng)影響較大;結(jié)構(gòu)脆弱,不宜在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期使用;壓差較小,不宜遠(yuǎn)傳,當(dāng)氣速較低時(shí),壓差更小,靈敏度低,難以精確測(cè)量;不適合測(cè)量含煙塵氣體的風(fēng)速;要求測(cè)量截面上下游直管段較長(zhǎng),上游≥5~7D、下游≥2~3D(D為測(cè)量管內(nèi)徑);屬于單點(diǎn)測(cè)量,至少要測(cè)20點(diǎn)才可求出較高精度的均速,工作量大。此儀器適用于氣體流量實(shí)驗(yàn)室或工業(yè)流量計(jì)定期檢定標(biāo)準(zhǔn),尤其適合利用網(wǎng)格法大管道氣體的大速度測(cè)量。
靠背管由兩根端面與水平面成75°的管子背靠背焊接而成[4],兩開口面成 180°對(duì)稱布置,一面迎向氣流作為全壓感壓孔,另一面背向氣流作為靜壓感壓孔。將靠背管安裝在管道或風(fēng)箱上,其探頭插入管內(nèi),當(dāng)管內(nèi)有氣流流動(dòng)時(shí),通過計(jì)算迎風(fēng)面管內(nèi)的全壓和背風(fēng)側(cè)管內(nèi)的靜壓之間的差壓,可算出管內(nèi)氣速。靠背管測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)可靠、安裝方便、維護(hù)容易、調(diào)節(jié)整定簡(jiǎn)單;靠背管開口較大,不易堵粉,且對(duì)氣流的偏斜敏感度很小,不會(huì)引起明顯的誤差。但它屬于單點(diǎn)測(cè)量,無法解決流場(chǎng)不均勻性造成的測(cè)量誤差,至少需要測(cè)量20點(diǎn)才可求出較好精度的平均流速;要求測(cè)量截面上下游直管段較長(zhǎng),上游≥8~10D、下游≥1~3D;屬于非標(biāo)準(zhǔn)測(cè)壓管,它的結(jié)構(gòu)型式和加工精確度各不相同,使用前必須逐個(gè)標(biāo)定。此儀器適用于含塵氣體及大管道氣體的速度測(cè)量,可用于電廠一/二次風(fēng)速測(cè)量。
均速管由全壓管和靜壓管組成[5]。全壓管上的測(cè)壓孔是迎著來流方向布置,而靜壓管上的測(cè)壓孔是背著來流方向或與之平行,測(cè)出平均動(dòng)壓(差壓),就可計(jì)算出平均流速。按取壓方式的不同,均速管可分為笛型管、雙笛型管和阿牛巴管等幾種。其中笛型管是一根或數(shù)根橫穿管道截面的中空細(xì)金屬管,在管子的迎風(fēng)面開一排全壓感壓孔。雙笛型管是將全壓側(cè)管和靜壓側(cè)管點(diǎn)焊在一起,全壓管的迎流面開有一排全壓測(cè)孔,靜壓管背面開有一排靜壓測(cè)孔。阿牛巴管是一種沿直徑方向插入圓形、菱形、橢圓形、扇形和機(jī)翼形等斷截面管道的均速管。威力巴管采用了根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)的子彈頭外形,具有良好防堵能力。均速管測(cè)量?jī)x用于多點(diǎn)測(cè)量,即一次測(cè)量沿一直線或曲線上多點(diǎn)流速的綜合值來確定平均流速,準(zhǔn)確度較點(diǎn)測(cè)量方式好;壓損小,僅為孔板的1/10左右;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、價(jià)格低廉;安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)方便;由于多個(gè)檢測(cè)孔的均壓作用,降低了對(duì)直管段的管徑要求,一般≥25 mm;在充分發(fā)展紊流的流場(chǎng)中,準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性較好;早期產(chǎn)品易堵塞,后期的威力巴管解決了易堵塞的弊端,威力巴管具有防堵塞、低壓損、高精度、易安裝、免維護(hù)及長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。但它測(cè)量截面前后要有一定長(zhǎng)度的直管段,直管段≥7~25D;感壓孔易堵塞,被測(cè)流體應(yīng)是不含污穢、沉淀物的潔凈流體;屬于非標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)流裝置,產(chǎn)品需單獨(dú)標(biāo)定;差壓較小,精度較差,特別是流速較低時(shí),誤差更大,對(duì)變送器的要求很高;受安裝精度、流場(chǎng)的脈動(dòng)和不均勻性影響較大。此儀器適合測(cè)量于安裝在較小管道或矩形管道中,常被用于電廠返料風(fēng)量的,也用于鍋爐一/二次風(fēng)量及蒸汽流量的測(cè)量。
經(jīng)典文丘里管由入口圓筒段[6]、收縮段,喉部、擴(kuò)壓段和出口段五部分組成。文丘里管的流道截面形狀是一個(gè)先收縮后擴(kuò)張的圓形管子,空氣由左向右在管內(nèi)流動(dòng),由于管道的截面不同,氣束將在節(jié)流件處形成局部收縮,因而氣速增加,靜壓力降低,在節(jié)流件前后間產(chǎn)生壓差,由壓差的大小就可計(jì)算出流速。文丘里管分為風(fēng)道式、單管、變管、內(nèi)管及雙管等多種文丘里管。其中,風(fēng)道式文丘里管把整個(gè)風(fēng)道做成文丘里形式,從入口及喉部分別引出靜壓測(cè)點(diǎn),取其壓差進(jìn)行流速測(cè)量。該裝置作為風(fēng)道的一部分,成本低、安裝方便、壓差穩(wěn)定可靠,對(duì)氣流條件適應(yīng)性強(qiáng),但尺寸較長(zhǎng)、占用空間大,且信號(hào)放大較小、壓損大,增加了風(fēng)機(jī)電耗。單文丘里管就是普通的標(biāo)準(zhǔn)文丘里管,它分為收縮段、喉部和擴(kuò)壓段部分,負(fù)壓測(cè)點(diǎn)就是從喉部引出,與風(fēng)道內(nèi)的靜壓或全壓形成壓差進(jìn)行風(fēng)量測(cè)量。單文丘里管屬于點(diǎn)測(cè)量,體積小、阻力小、安裝方便,但對(duì)風(fēng)道氣流條件要求較高,直管段需較長(zhǎng),放大倍數(shù)低。文丘里管出現(xiàn)過矩型、Dall型等多種改進(jìn)外型,矩型有良好的特性,但壓損過大,管很長(zhǎng),而Dall型雖比標(biāo)準(zhǔn)文丘利管短、壓差大、壓損小等,但要求更長(zhǎng)的直管段。內(nèi)文丘里管是由特型芯體與測(cè)量管內(nèi)壁間的環(huán)形間隙形成節(jié)流通道[7],其節(jié)流件設(shè)置在標(biāo)準(zhǔn)管段內(nèi),其圓錐收縮段可以均衡流速并減少壓損。此儀器測(cè)量穩(wěn)定性好,不確定度優(yōu);對(duì)被測(cè)介質(zhì)適應(yīng)能力強(qiáng),可測(cè)量各種流體;不積污、不易堵塞;測(cè)量范圍度寬,不用二次修正;適用雷諾數(shù)范圍寬;對(duì)上下游直管段要求低,一般上游≥1.5D、下游≥1D;壓損為孔板的1/3。但加工要求高,價(jià)格較高,流量系數(shù)受加工精度和實(shí)際磨損程度影響大;屬于點(diǎn)測(cè)量,要求流場(chǎng)穩(wěn)定或流動(dòng)相似;如要求高測(cè)量精度,則必須配置高性能的差壓變送器;分流嚴(yán)重。
雙文丘里管是由兩只大小不同[8]、型線相似的圓形文丘里管同心套裝在同一軸線上,小文丘里管插在大文丘里管中,能夠使差壓信號(hào)增大,其負(fù)壓測(cè)點(diǎn)取在內(nèi)文丘里喉部,通過該信號(hào)與風(fēng)道內(nèi)氣流的靜壓或全壓比較產(chǎn)生壓差進(jìn)行測(cè)量。它的輸出差壓大、靈敏度高;差壓與流速的線性關(guān)系較好,準(zhǔn)確度較高;壓損小,只占差壓1%;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、安裝方便;對(duì)測(cè)量直管段要求不嚴(yán)格。但它屬于點(diǎn)測(cè)量,要求流場(chǎng)穩(wěn)定或流動(dòng)相似;一般所處位置并非管內(nèi)平均流速點(diǎn),準(zhǔn)確度難以達(dá)到3%;壓差波動(dòng)大,要求流場(chǎng)更加穩(wěn)定;設(shè)計(jì)和加工較難,成本較高;粉塵及黏稠物在其取壓管內(nèi)沉積結(jié)垢,難以清除,維護(hù)量大。文丘里管已越來越多地在電廠的一/二次風(fēng)量測(cè)量和大口徑管道的風(fēng)速測(cè)量中采用。
機(jī)翼型測(cè)風(fēng)裝置是由多個(gè)全機(jī)翼[9]、取樣傳壓管及一段矩形風(fēng)道構(gòu)成。當(dāng)氣流流經(jīng)機(jī)翼測(cè)量裝置時(shí),在翼型表面形成繞流而產(chǎn)生壓差。該壓差與風(fēng)道內(nèi)的流速之間有一定的關(guān)系。常用的機(jī)翼型裝置有平板型、三曲線型、流線型三種不同截面型式。其中,平板型由翼頭半個(gè)圓柱體與兩塊平板相切組成;三曲線型由三條具有一定比例關(guān)系的弧線相切組成;流線型由翼頭圓柱體與兩塊符合流線曲線的凸形拱板相切組成。此機(jī)翼型測(cè)速裝置壓差大、靈敏度高和穩(wěn)定性好;壓損較小;上下游所需直管段較短,一般上游≥0.6D、下游≥0.2D;制造容易,安裝維護(hù)方便。但它測(cè)壓孔多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造成一定的壓損,運(yùn)行成本較高;易堵塞,導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn);屬于非標(biāo)準(zhǔn)裝置,產(chǎn)品需要做標(biāo)定;屬于風(fēng)道型設(shè)備,體積大、造價(jià)高、搬運(yùn)困難。此法適用于低流速、大管徑、矩形截面、純凈流速測(cè)量,可用于大容量鍋爐大截面一/二次風(fēng)風(fēng)速測(cè)量。
彎管測(cè)速原理是流體通過彎管時(shí)[10],由于受彎管的約束被迫在彎管內(nèi)作近似圓周運(yùn)動(dòng),流體在作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力作用于彎管的內(nèi)外兩側(cè),這時(shí)外管壁的壓強(qiáng)大于內(nèi)管壁的壓強(qiáng),在彎頭的內(nèi)外圈產(chǎn)生靜壓差,由壓差與流速間的關(guān)系可得到流速。彎管測(cè)速裝置對(duì)上下游直管段的要求較低,上游≥2~3D、下游≥1D;彎頭法直接焊接在管道上,安裝簡(jiǎn)單可靠;彎頭角度對(duì)測(cè)量結(jié)果無影響,可充分利用現(xiàn)場(chǎng)已有彎頭,節(jié)省安裝費(fèi)用;可靠性和精度較高;由于測(cè)量的是靜壓,解決了測(cè)量元件的磨損問題,且靜壓測(cè)管簡(jiǎn)單可靠、成本低、壽命長(zhǎng);適應(yīng)性強(qiáng),可在高溫/高壓/高濃度及其它惡劣環(huán)境下使用。但它輸出差壓小,測(cè)量精度不高;屬于非標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量,流量系數(shù)很難統(tǒng)一,難于標(biāo)準(zhǔn)化;屬于點(diǎn)測(cè)量,要求流場(chǎng)穩(wěn)定或流動(dòng)相似;壓損大,易泄漏,維修困難。此裝置完全適應(yīng)一次風(fēng)速測(cè)量環(huán)境的需求,適用于各種送粉系統(tǒng)的風(fēng)速在線監(jiān)測(cè)。
隨著傳感測(cè)試技術(shù)發(fā)展,一些新型的氣體流量計(jì)在風(fēng)速測(cè)量中有著越來越廣泛的應(yīng)用。新型風(fēng)速測(cè)量技術(shù)主要采用橫截面式、熱式質(zhì)量、渦輪氣體、渦街氣體和超聲波氣體等流量計(jì)來測(cè)量風(fēng)速。這些測(cè)量技術(shù)也都各有特點(diǎn),它們已開始用于火電廠一/二次風(fēng)速測(cè)量,但由于技術(shù)不成熟且成本較高等原因,目前還沒有被廣泛應(yīng)用于風(fēng)速測(cè)量中。隨著技術(shù)的成熟和成本的降低,這些新的風(fēng)速測(cè)量技術(shù)也會(huì)在風(fēng)速測(cè)量上逐步推廣應(yīng)用。此外,還有插入式多喉徑文丘利、V型錐、科里奧利及示蹤法等新型流量計(jì)都有其特點(diǎn),也可用于包括風(fēng)速在內(nèi)的氣體流速測(cè)量。
風(fēng)速測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)可歸納為結(jié)構(gòu)從繁、重到簡(jiǎn)、輕,向一體化發(fā)展;功能從單一到多種,向智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展;準(zhǔn)確度從低到高,向高精度發(fā)展;量程從小到大,向量程自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)展;安裝從繁到簡(jiǎn),向免安裝發(fā)展;校驗(yàn)從實(shí)校到干標(biāo),向自動(dòng)校準(zhǔn)發(fā)展;壓損從大到小,向節(jié)能方向發(fā)展;現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件從高向低;直管段從長(zhǎng)到短;流體從單相到多相;測(cè)點(diǎn)從單點(diǎn)到多點(diǎn);裝置從接觸式到無接觸式;顯示從模擬到數(shù)字;易堵性從易堵塞向自動(dòng)清堵發(fā)展;可靠性和壽命從低到高;產(chǎn)品從共性向個(gè)性,向?qū)S没l(fā)展。
用戶選擇測(cè)速裝置時(shí)需要考慮的因素有測(cè)量裝置的性能、流體的物理化學(xué)特性、現(xiàn)場(chǎng)安裝條件及維護(hù)、壽命與成本費(fèi)用等。盡管風(fēng)速測(cè)量裝置種類很多,但每種技術(shù)都各自的優(yōu)缺點(diǎn)。因此,用戶在選擇時(shí),不可能面面俱到,而應(yīng)該針對(duì)電廠的風(fēng)速測(cè)量特點(diǎn),權(quán)衡利弊,最后的抉擇一般是在成本與性能之間做平衡。
準(zhǔn)確的電站煤粉鍋爐風(fēng)速測(cè)量有助于進(jìn)行最佳燃燒工況和風(fēng)量調(diào)節(jié),提高安全性和經(jīng)濟(jì)效益。由于鍋爐風(fēng)速測(cè)量受到諸多因素影響,目前的測(cè)量技術(shù)還無法滿足所有理想測(cè)量要求,每種技術(shù)各有特點(diǎn)和適用范圍,因此這就要求技術(shù)人員首先必須熟悉各種技術(shù)的特點(diǎn),并綜合考慮相關(guān)影響條件,選擇最合適的測(cè)量手段,以滿足電站鍋爐工程測(cè)量的要求。本文全面地介紹了當(dāng)前各種風(fēng)速測(cè)量技術(shù)原理與特點(diǎn),對(duì)風(fēng)速測(cè)量技術(shù)的選擇有一定參考指導(dǎo)價(jià)值。
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