多喉徑流量計在鍋爐燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用

馮 璐

(華陸工程科技有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065)

0 引言

工業(yè)鍋爐主要為工業(yè)生產(chǎn)提供工藝蒸汽，為社會大眾提供熱水，是工業(yè)的必須消耗品［1］。隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，對于能源的消耗越來越大，《第十一個五年規(guī)劃綱要(全文)》要求在“十一五”末，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗降低20%左右，并著重提出發(fā)展“區(qū)域熱電聯(lián)產(chǎn)”，這就對工藝設(shè)備及其自動控制水平提出了更高的要求。在國家“十二五”規(guī)劃當(dāng)中，“區(qū)域熱電聯(lián)產(chǎn)”仍然是發(fā)展的重點之一。

熱電聯(lián)產(chǎn)中，鍋爐燃燒控制系統(tǒng)是實現(xiàn)能耗降低的關(guān)鍵，而對風(fēng)量的精確測量，實現(xiàn)風(fēng)煤量的最佳比例是當(dāng)前的研究應(yīng)用趨勢。本文結(jié)合某大型化工項目配套的鍋爐熱電聯(lián)產(chǎn)裝置，詳細(xì)介紹了多喉徑流量計在熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐風(fēng)量測量中的應(yīng)用。

1 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)

鍋爐燃燒系統(tǒng)分為主蒸汽壓力控制、煙氣氧含量控制(送風(fēng)調(diào)節(jié)控制)、爐膛負(fù)壓控制這3個自動控制子系統(tǒng)［2］。鍋爐燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the boiler combustion control system

3個自動控制子系統(tǒng)分別控制3個調(diào)節(jié)變量即燃料量、送風(fēng)量(包括一次風(fēng)，二次風(fēng))和引風(fēng)量，以維持3個被調(diào)量即主蒸汽壓力、含氧量和爐膛負(fù)壓。主蒸汽壓力的變化會引起燃料量和送風(fēng)量成比例的變化。送風(fēng)量和燃料量的變化又直接影響爐膛負(fù)壓的變化。通過調(diào)節(jié)引風(fēng)擋板改變引風(fēng)量，使?fàn)t膛負(fù)壓保持在一定的范圍內(nèi)，其原理如圖2所示。

圖2 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of the boiler combustion control system

3個自動控制子系統(tǒng)互相關(guān)聯(lián)，互相協(xié)調(diào)構(gòu)成一個復(fù)合控制系統(tǒng)。鍋爐燃燒控制系統(tǒng)是實現(xiàn)鍋爐安全經(jīng)濟運行目標(biāo)的有效手段［3］，其中，準(zhǔn)確的一次風(fēng)及二次風(fēng)流量測量有助于選擇最佳燃燒工況和精確的風(fēng)量調(diào)節(jié)，顯著提高鍋爐運行的安全性和經(jīng)濟效益，符合國家大力倡導(dǎo)的節(jié)能減排、提高效率的工業(yè)要求。

2 風(fēng)量測量特點

風(fēng)量是鍋爐安全經(jīng)濟運行的重要參數(shù)，風(fēng)量的大小直接影響著燃料量和引風(fēng)擋板的開度，進而影響鍋爐主蒸汽的正確調(diào)節(jié)。若要使風(fēng)量控制在合適的范圍內(nèi)，就必須對風(fēng)量進行有效精確的測量。鍋爐風(fēng)道多為矩形大管道，管道中流體的狀態(tài)不斷變化，鍋爐運行過程中風(fēng)量的大小也會根據(jù)需要進行調(diào)整。早在1926年，Nikuradse就對流體在矩形管道中的流動性能進行了測試，其等速流場如圖3所示［4］。

圖3 等速流場Fig.3 The constant velocity flow field

風(fēng)道流量具有流體性質(zhì)多樣、管路系統(tǒng)多樣、流動狀態(tài)多樣、直管段短、管道口徑大、流體中又常伴有灰塵和煙霧的特點，所以現(xiàn)在常用的測量煙氣流量的流量計基本都是基于“速度-面積”法原理，即通過測量封閉管道計量橫截面的面積和流過該計量橫截面的軸向流體平均流速，從而計算出體積流量。

基于鍋爐風(fēng)量測量的復(fù)雜性和重要性，目前研究人員對鍋爐風(fēng)量的準(zhǔn)確測量做了大量的研究和試驗，提出了許多可行實用的測量方案。本文著重介紹多喉徑流量計。

3 鍋爐風(fēng)量測量裝置

目前，市場上關(guān)于鍋爐大管道煙風(fēng)流量測量的裝置有很多，多以差壓式流量計為主［5］。通過對比整理，并結(jié)合某大型化工廠配套熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐風(fēng)量測量系統(tǒng)的應(yīng)用實例，對幾種常用流量計介紹如下。

3.1 插入式多喉徑流量計

本設(shè)計采用的是插入式多喉徑流量測量裝置。根據(jù)現(xiàn)場工藝條件的不同，分為雙喉徑和多喉徑兩種。雙喉徑適合應(yīng)用于直管段較長、流場穩(wěn)定的場合，多喉徑適合應(yīng)用于直管段較短、流場不太穩(wěn)定的場合［6］。

插入式多喉徑流量計用于測量鍋爐風(fēng)量，測量元件按航空發(fā)動機模型設(shè)計。當(dāng)介質(zhì)進入內(nèi)部整流段，使流體充分發(fā)展為絮流狀態(tài)，并通過設(shè)置取出高壓，在流體進入喉部最小處時，由于流速提高、靜壓降低，此處取低壓;而經(jīng)過外導(dǎo)流管的流體，通過外提速段，在內(nèi)擴散段的末端形成負(fù)壓區(qū)，實現(xiàn)對中心流的抽吸和引流作用，使測量的喉部靜壓進一步降低，從而達到信號放大及穩(wěn)壓的目的。因此，插入式多喉徑流量計具有差壓值大、壓損小、精度高、測量信號穩(wěn)定的特點。對直管段的要求不高、對流場的穩(wěn)定性沒有要求的場合如低壓、大口徑、異形管，采用多點雙喉徑流量裝置優(yōu)勢更為突出，且防堵性能好，安裝方便，可在管道上開孔直接安裝，適合于鍋爐燃燒系統(tǒng)的風(fēng)量測量。插入式多喉徑流量計結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 插入式多喉徑流量計結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of the insertion multi-throat diameter flow meter

體積流量和質(zhì)量流量表達式為:

式中:A為管道內(nèi)截面積;W為結(jié)構(gòu)系數(shù);I為流速分布系數(shù);ΔP為輸出差壓;ρ為介質(zhì)密度;n為流量指數(shù);KV為體積流量系數(shù);Km為質(zhì)量流量系數(shù);QV為體積流量;Qm為質(zhì)量流量。

3.2 雙文丘里管流量計

雙文丘里測速管是一種用于鍋爐大口徑煙氣管道的流量測量元件，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。它的外文丘里管起誘導(dǎo)整流作用，內(nèi)文丘里管是一次傳感元件［7］。

圖5 雙文丘里管結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of dual Venturi tube

雙文丘里管流量計的主要特點是阻力損失小、差壓信號大、性能較穩(wěn)定、量程范圍較寬、防堵性好。但該儀表在使用過程中要求有一個較穩(wěn)定的流場，并且有一定的前后直管段要求。

3.3 威力巴流量計

威力巴流量計結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 威力巴流量計結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of Verabar flow meter

威力巴流量計的工作原理是迎流面測量的是動壓，背流面測量的是靜壓，利用測量流體的動壓與靜壓之差來測量流量。其特點是壓損小、量程比大、精度高、開孔小、安裝方便;但鍋爐風(fēng)道流體中常含有灰塵和煙霧，影響威力巴流量計的測量，另外差壓值較小，影響流量測量精度。

3.4 幾種風(fēng)量測量裝置的比較

鍋爐風(fēng)道常含有灰塵，威力巴類流量計對于介質(zhì)中含有的顆粒難以清掃，插入式多喉徑流量計屬于貫穿式測速方式，介質(zhì)流體對取壓口進行連續(xù)沖刷。由于顆粒所具有的動能，減少了灰塵停滯的機會，從而使該流量計具有較好的自清掃功能。同時由于鍋爐的風(fēng)道一般都是彎直連接的，造成管道內(nèi)流體的流場狀態(tài)分布呈渦流狀態(tài)。這些工況都不符合一般的流量計對流場的要求，而多喉徑流量計具有內(nèi)置的直管段，可以大大縮短前后直管段的要求和對流體狀態(tài)進行整流。各種風(fēng)量測量裝置比較如表1所示。

表1 各類風(fēng)量測量裝置比較Tab.1 Comparison of various types of air flow neasurement devices

從表1可以看出，插入式多喉徑流量裝置具有耐磨防堵性好、精度高、差壓信號可靠、直管段要求較小等特點;另外，它的壓損只有標(biāo)準(zhǔn)文丘里測量裝置的10%左右，而雙文丘里管流量裝置的壓損是標(biāo)準(zhǔn)文丘里測量裝置的15%，這為工廠的運營減少了能量損失，節(jié)省了大量的運行費用。長期綜合來看，插入式多喉徑流量測量裝置能很好地適用于鍋爐風(fēng)量測量的復(fù)雜工況。多個工程的使用表明，該裝置帶來了一定的經(jīng)濟效益和社會效益，值得大力推廣。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，國家正在大力推行節(jié)能減排工作，鍋爐作為高能耗產(chǎn)品面臨的節(jié)能減排壓力十分巨大［8］。鍋爐運行的安全性和經(jīng)濟性主要取決于鍋爐燃燒系統(tǒng)［9］。其中風(fēng)量的精確測量能夠減少燃料的損耗，提高燃燒效率，從而減少有害尾氣的排放，達到節(jié)能減排的要求。因此，風(fēng)量的準(zhǔn)確測量是關(guān)鍵。在某大型化工項目配套的鍋爐熱電聯(lián)產(chǎn)工程設(shè)計中，選用了插入式多喉徑流量裝置，其性價比高、綜合功能好，得到了業(yè)主的充分認(rèn)可。但是由于鍋爐工況的復(fù)雜，還需要研究人員和工程運行人員的不斷研究和創(chuàng)新。

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