一種防堵型爐膛壓力測量裝置取樣管設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

龔　峻，戴一鳴，吳志剛

（江蘇國信揚(yáng)州發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇揚(yáng)州225131）

?

一種防堵型爐膛壓力測量裝置取樣管設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

龔峻，戴一鳴，吳志剛

（江蘇國信揚(yáng)州發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇揚(yáng)州225131）

摘要：針對(duì)常見鍋爐爐膛負(fù)壓測量裝置取樣管在運(yùn)行中容易堵灰致使測量值不準(zhǔn)確的問題，介紹了一種可連續(xù)吹掃防止進(jìn)灰的取樣管設(shè)計(jì)，利用流體力學(xué)基本理論分析說明了如何補(bǔ)償吹掃影響進(jìn)行取樣管設(shè)計(jì)，現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明了如何選擇吹掃流量和壓力，并說明了現(xiàn)場應(yīng)用要注意的問題。該爐膛負(fù)壓取樣裝置對(duì)防止測量裝置堵灰有很好的作用，為電站鍋爐選擇膛負(fù)壓測量裝置提供了有用的參考。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)補(bǔ)償原理；測量裝置結(jié)構(gòu)；靜態(tài)調(diào)試；動(dòng)態(tài)調(diào)試

某火電廠1號(hào)、2號(hào)機(jī)組為亞臨界630 MW機(jī)組，各配置10套負(fù)壓式爐膛壓力測量裝置，10個(gè)負(fù)壓取樣筒均勻布置在鍋爐48 m層前墻水冷壁預(yù)留的位置上。其中4個(gè)模擬量測量信號(hào)用于DCS系統(tǒng)爐膛壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)，6個(gè)開關(guān)量測量信號(hào)用于DCS系統(tǒng)爐膛壓力保護(hù)邏輯，實(shí)現(xiàn)爐膛壓力越限跳閘功能。1號(hào)、2號(hào)爐爐膛設(shè)計(jì)為微負(fù)壓運(yùn)行，爐膛負(fù)壓是反映鍋爐燃燒工況穩(wěn)定與否及運(yùn)行人員控制和監(jiān)視的重要參數(shù)。爐內(nèi)燃燒工況一旦發(fā)生變化，爐膛負(fù)壓隨即發(fā)生相應(yīng)變化。因此，正確測量爐膛壓力對(duì)于保證爐內(nèi)燃燒工況的穩(wěn)定、分析爐內(nèi)燃燒工況特性、煙道運(yùn)行工況特性、分析事故原因均有極其重要的作用。

由于爐墻內(nèi)外溫差及爐內(nèi)煙氣呼吸作用的雙重影響，該廠原配套使用的爐膛壓力測量裝置的取樣筒極易積灰堵塞，造成爐膛壓力測量不準(zhǔn)，需要定期進(jìn)行人工清理，清理時(shí)還需短時(shí)退出爐膛壓力保護(hù)功能，給鍋爐運(yùn)行帶來較大的安全隱患。因此，尋求一種既不堵塞、又保證測量精度的爐膛壓力測量裝置成為該廠的研究課題。

1　自動(dòng)補(bǔ)償式微正壓測量裝置工作原理

在爐膛壓力取樣筒改造前，原爐膛壓力測量裝置存在的主要問題是取樣筒容易堵塞，從而導(dǎo)致爐膛壓力測量失效。一方面直接影響爐膛壓力連續(xù)測量的可靠性與動(dòng)態(tài)性能，進(jìn)而影響爐膛壓力調(diào)節(jié)品質(zhì)與鍋爐安全保護(hù)的可靠性；另一方面相關(guān)設(shè)備的日常維護(hù)工作量很大，平均不到30 d就要維護(hù)1次，維護(hù)時(shí)要進(jìn)行測量信號(hào)邏輯隔離、就地設(shè)備退出、壓縮空氣吹掃或機(jī)械清除積灰、裝置投入及測量信號(hào)邏輯恢復(fù)等多個(gè)操作步驟，每個(gè)測點(diǎn)維護(hù)1次至少耗時(shí)0.5 h，期間為防止人為誤操作，爐膛壓力保護(hù)都處于退出狀態(tài)。

要實(shí)現(xiàn)爐膛壓力精確、可靠測量，防堵是一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。目前電廠的防堵取壓裝置一般采用常規(guī)的防堵取樣筒，如：花瓶式內(nèi)置3層防堵結(jié)構(gòu)的取樣筒、自清灰取樣筒和微流量連續(xù)吹掃防堵裝置 （吹氣量僅為60 L/h）等，這些產(chǎn)品效果雖有一定作用，但從各電廠實(shí)際使用情況來看并不十分明顯，取樣筒堵塞現(xiàn)象仍然存在，不能從根本上解決取樣筒堵塞的問題。

針對(duì)以上問題，該廠技術(shù)人員在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，擬對(duì)1號(hào)、2號(hào)爐爐膛壓力測量裝置進(jìn)行改造，保留原壓力變送器、壓力開關(guān)等原有的二次測量信號(hào)通道，并計(jì)劃采用自動(dòng)補(bǔ)償式防堵風(fēng)壓測量技術(shù)來徹底解決爐膛壓力測量取樣筒的堵塞問題。

自動(dòng)補(bǔ)償式防堵風(fēng)壓測量裝置的工作原理如圖1所示。該裝置主要包括爐膛壓力一次測量元件 （取樣筒）、配氣箱兩大部分。使用壓縮空氣對(duì)爐膛壓力取樣筒進(jìn)行連續(xù)吹掃，徹底杜絕爐膛含塵氣體進(jìn)入取樣筒，達(dá)到可靠防堵的效果。通過獨(dú)特結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，自動(dòng)補(bǔ)償吹掃流量及其變化對(duì)爐膛壓力測量的影響，使測壓位置截面（A）處的測壓值與取壓位置截面（L）處的爐內(nèi)真實(shí)壓力值相等，達(dá)到精確測量的目的［ 1 ］。

圖1自動(dòng)補(bǔ)償式防堵風(fēng)壓測量裝置工作原理

圖1中的A與L是壓縮空氣連續(xù)吹掃通道上的2個(gè)截面，其中L為爐內(nèi)真實(shí)壓力取壓位置截面，A為吹掃管出口測壓位置截面。由伯努利方程可得：

式中：Δpx為A至L截面之間的阻力損失。由于A、L兩截面氣體的流動(dòng)位差、密度差均可以忽略，所以：

故式（1）可簡化、改寫成：

由上式可知，只要使得：

就能實(shí)現(xiàn)A截面的壓力測量等價(jià)于L截面的爐內(nèi)真實(shí)壓力的測量，即：

由于可以近似認(rèn)為：

所以由流量連續(xù)方程可推出：

另一方面，由流體力學(xué)阻力計(jì)算方法可知：A至L截面之間的阻力損失與沿程阻力系數(shù)、局部阻力系數(shù)、流體密度、動(dòng)能有關(guān)。設(shè)Z為A至L截面之間的總等效阻力系數(shù)，則阻力損失Δpx可用下式表達(dá)：

將式（6）、（7）、（8）代入式（4），經(jīng)初步整理后可得：

式（1—10）中：pA，pL分別為A，L截面的壓力；ρA，ρL分別為A，L截面吹掃氣體的密度；VA，VL分別為A，L截面吹掃氣體的流速；HA，HL分別為A，L截面位置的標(biāo)高；Z為A至L吹掃段總等效阻力系數(shù)；SA，SL分別為A，L截面的通流面積；g為重力加速度。由式 （10）可知：有效補(bǔ)償條件與吹掃流量無關(guān)，測量效果不受氣源壓力、氣體流量變化的影響。

壓力自動(dòng)補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)方法：通過取樣管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)與試驗(yàn)標(biāo)定，使取樣管結(jié)構(gòu)條件精確滿足式（10），最終使得取樣點(diǎn)壓力（pA）的測量等價(jià)于爐內(nèi)真實(shí)壓力（pL）的測量。

根據(jù)以上自動(dòng)補(bǔ)償式防堵風(fēng)壓測量裝置工作原理

對(duì)式（9）進(jìn)一步化簡后可得有效補(bǔ)償條件：和定量分析數(shù)據(jù)，理論上可以保證該裝置爐膛壓力測量結(jié)果不受吹掃氣源壓力、吹掃氣體流量變化的影響。因此將傳統(tǒng)的爐膛壓力負(fù)壓式測量方法變?yōu)檎龎菏綔y量方法技術(shù)上是可行的，能夠保證測量信號(hào)的精確性和穩(wěn)定性。

2　裝置改造前期試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

由于爐膛壓力測量對(duì)保證鍋爐安全運(yùn)行至關(guān)重要，該廠于2008年2號(hào)機(jī)組檢修期間，在2號(hào)爐編號(hào)為2PTGF013 的爐膛負(fù)壓測點(diǎn)附近安裝了1只自動(dòng)補(bǔ)償式防堵風(fēng)壓測量裝置，信號(hào)編號(hào)2PTGF018，試驗(yàn)期間該信號(hào)僅用于DCS顯示，不參與自動(dòng)調(diào)節(jié)回路。

裝置安裝完畢后，為了實(shí)際驗(yàn)證吹掃氣體壓力、吹掃流量對(duì)爐膛負(fù)壓測量精度的影響，該廠在機(jī)組冷態(tài)和熱態(tài)工況下分別對(duì)該套自動(dòng)補(bǔ)償式防堵風(fēng)壓測量裝置2PTGF018進(jìn)行了吹掃壓力、吹掃流量擾動(dòng)比對(duì)試驗(yàn)，與緊挨著的原測量裝置2PTGF013進(jìn)行比較，新裝置與原測量裝置試驗(yàn)條件見表1，爐膛壓力參比對(duì)象跟蹤曲線如圖2所示。

表1　新裝置與原測量裝置比較試驗(yàn)

從以上擾動(dòng)比對(duì)數(shù)據(jù)可以看出，只要將吹掃壓力調(diào)整到400 kPa以下，吹掃流量調(diào)整到30.0 L/min以下，采用自動(dòng)補(bǔ)償式防堵風(fēng)壓測量裝置的測點(diǎn)信號(hào)與比對(duì)點(diǎn)信號(hào)曲線一致，說明對(duì)爐膛壓力取樣筒進(jìn)行以上換型改造是成功的。

2008年至2013年，該裝置在免人工維護(hù)的情況下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行近6 a，從未發(fā)生過堵塞現(xiàn)象，測壓的靈敏度、靜態(tài)精度、動(dòng)態(tài)精度及運(yùn)行穩(wěn)定性都能滿足連續(xù)運(yùn)行的要求。

圖2　爐膛壓力參比對(duì)象跟蹤曲線

3　技術(shù)推廣及應(yīng)用注意事項(xiàng)

在試驗(yàn)驗(yàn)證該套自動(dòng)補(bǔ)償式防堵風(fēng)壓測量裝置改造方案完全可行的基礎(chǔ)上，該廠分別于2013年6月及11月進(jìn)行了1號(hào)、2號(hào)機(jī)組爐膛壓力取樣裝置全面改造，共安裝該型壓力測量裝置20套。改造工作主要包括取樣筒安裝、配氣箱安裝、靜態(tài)調(diào)試和動(dòng)態(tài)調(diào)試4項(xiàng)內(nèi)容，項(xiàng)目實(shí)施要點(diǎn)具體如下。

3.1取樣管安裝注意事項(xiàng)

安裝應(yīng)保證取樣管與水平面傾斜角為45°，材料為304不銹鋼，如圖1所示，前端低于后端，取樣管與取壓點(diǎn)采用焊接連接。取壓點(diǎn)應(yīng)選擇在測壓對(duì)象的金屬壁體上，壁體內(nèi)側(cè)為被測流體，將壁體取壓點(diǎn)周邊厚度處理到10 mm，要求表面平整，厚度均勻。在取壓點(diǎn)位置自金屬壁體外側(cè)向內(nèi)側(cè)鉆一斜孔，斜孔與水平面傾斜角為45°，力保斜孔通徑為D5。將取樣管前端插入斜孔中，用公用配件（45°三角板）校準(zhǔn)取樣管前傾斜角為45°，左右不偏，同時(shí)校準(zhǔn)取樣管插入斜孔中的長度為5 mm。

3.2配氣箱安裝

配氣箱安裝位置應(yīng)選擇在無劇烈震動(dòng)、環(huán)境溫度低于75 ℃、沒有腐蝕性介質(zhì)、便于巡視觀測的地方。配氣箱與水平面垂直安裝，以保證配氣箱內(nèi)吹掃流量的控制與顯示正常。

3.3系統(tǒng)調(diào)試

測壓對(duì)象中的被測流體靜止時(shí)對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行的調(diào)試為靜態(tài)調(diào)試。測壓對(duì)象中的被測流體流動(dòng)時(shí)對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行的調(diào)試為動(dòng)態(tài)調(diào)試。

3.3.1靜態(tài)調(diào)試

根據(jù)自動(dòng)補(bǔ)償式防堵風(fēng)壓測量裝置安裝的位置與配氣箱的距離決定吹掃空氣壓力與流量。推薦選擇吹掃壓力設(shè)定值（吹掃流量為零時(shí)）：100～200 kPa，吹掃流量設(shè)定值：1 m3/h。靜態(tài)調(diào)試步驟：檢查全程測量管路的密封；在確認(rèn)流量計(jì)讀數(shù)為零的前提下，設(shè)定吹掃壓力至設(shè)定值200 kPa；選擇合適的微壓計(jì)，分別測試吹掃管位置為90 mm，100 mm，110 mm，120 mm，130 mm，140 mm處的變（吹掃）流量特性，依次改變吹掃流量值：0.5 m3/h，0.8 m3/h，1.0 m3/h，1.5 m3/h，分別記錄各流量穩(wěn)定時(shí)的微壓計(jì)讀數(shù)。

3.3.2動(dòng)態(tài)調(diào)試

動(dòng)態(tài)調(diào)試第一階段，測試吹掃管“動(dòng)態(tài)零位”：選擇吹掃壓力設(shè)定值 （吹掃流量為零時(shí)）100～200 kPa、吹掃流量設(shè)定值1 m3/h、動(dòng)態(tài)調(diào)零壓力設(shè)定值（吹掃流量為零時(shí)）-100 Pa。在確認(rèn)流量計(jì)讀數(shù)為零的前提下，用氣源處理組件的調(diào)壓手柄調(diào)節(jié)吹掃輸出壓力至設(shè)定值200 kPa，調(diào)節(jié)后及時(shí)鎖定調(diào)壓手柄。其次建立“動(dòng)態(tài)調(diào)零壓力實(shí)際設(shè)定值”：在確認(rèn)吹掃流量為零的條件下，將測壓對(duì)象的被測壓力調(diào)到動(dòng)態(tài)調(diào)零壓力名義設(shè)定值-100 Pa或其附近值并盡力維持穩(wěn)定，此時(shí)被測壓力表實(shí)際讀數(shù)將作為“動(dòng)態(tài)調(diào)零壓力實(shí)際設(shè)定值”。接著優(yōu)化調(diào)整吹掃管“動(dòng)態(tài)零位”：松開吹掃管上的鎖緊螺母，前后反復(fù)移動(dòng)吹掃管，使被測壓力表讀數(shù)逼近“動(dòng)態(tài)調(diào)零壓力實(shí)際設(shè)定值”，并注意盡力保持鎖緊螺母處的密封，當(dāng)讀數(shù)相對(duì)穩(wěn)定后關(guān)閉流量計(jì)后的出口閥，及時(shí)復(fù)查吹掃流量是否到零、動(dòng)態(tài)調(diào)零壓力實(shí)際設(shè)定值是否有變動(dòng)，當(dāng)出現(xiàn)不滿意的變動(dòng)時(shí)就需要按新值重新進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。最后機(jī)械鎖定吹掃管的“動(dòng)態(tài)零位”。

動(dòng)態(tài)調(diào)試第二階段測試變工況特性，主要測試-100 Pa時(shí)的變工況特性：首先建立“被測壓力基準(zhǔn)值-100 Pa”：在確認(rèn)吹掃流量為零的條件下，將測壓對(duì)象的被測壓力調(diào)到實(shí)際被測壓力值-100 Pa或附近并盡力維持穩(wěn)定。然后測試變吹掃流量工況：用流量計(jì)后出口閥依次調(diào)節(jié)給定吹掃流量，0.5 m3/h，0.8 m3/h，1.0 m3/h，1.5 m3/h。最后測試變壓力工況特性：依次調(diào)節(jié)給定測壓對(duì)象的被測壓力在-200 Pa，-300 Pa，-400 Pa，依次參考前述2個(gè)步驟進(jìn)行測試。

通過以上靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)試，以驗(yàn)證該測量裝置在爐膛壓力全量程變化范圍內(nèi)的測量精度，保證鍋爐運(yùn)行安全。

4　應(yīng)用效果

該廠1號(hào)、2號(hào)機(jī)組爐膛壓力測量裝置改造完成后，在無人工定期維護(hù)的情況下已連續(xù)可靠運(yùn)行2 a多時(shí)間，其具有以下幾方面優(yōu)點(diǎn)：

（1）使用壓縮空氣連續(xù)吹掃，主動(dòng)防堵，徹底避免粉塵濃度大和爐膛高溫造成的測量筒堵塞和燒毀；

（2）在一次測量元件上使用壓力自動(dòng)補(bǔ)償法，無需在機(jī)組控制系統(tǒng)中進(jìn)行計(jì)算修正，測量精度不受吹掃氣源壓力、流量影響。當(dāng)補(bǔ)償流量為1 m3/h時(shí)，測量平均誤差控制在0.4 mm水柱以內(nèi)；

（3）結(jié)構(gòu)合理，安裝方便，直接在水冷壁鰭片上取壓即可；

（4）該裝置中任何元件故障都不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，可靠性高。

5　結(jié)束語

該自動(dòng)補(bǔ)償式防堵風(fēng)壓測量裝置是一套先進(jìn)、實(shí)用、性能穩(wěn)定可靠的爐膛壓力測量系統(tǒng)，有效解決了爐膛壓力測量裝置容易堵塞的問題，既大幅度降低了爐膛壓力測量裝置的維護(hù)工作量和人為操作風(fēng)險(xiǎn)，又有利于提高爐膛壓力連續(xù)測量的可靠性，改善其動(dòng)態(tài)性能，保證其測量精度，從而達(dá)到鍋爐運(yùn)行期間全周期投用爐膛壓力保護(hù)的目的。該測量技術(shù)具有在火電廠推廣使用的巨大空間和潛力。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 王 池. 流量測量技術(shù)全書［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012：28.

龔峻（1967），男，江蘇鎮(zhèn)江人，高級(jí)工程師，從事發(fā)電廠設(shè)備檢修及技術(shù)管理工作；

戴一鳴（1968），男，江蘇鎮(zhèn)江人，工程師，從事儀器控制設(shè)備技術(shù)管理工作；

吳志剛（1972），男，江蘇泰州人，工程師，從事儀器控制專業(yè)技術(shù)管理工作。

The Design and Application of one Anti-blocking Sampling Tube of Furnace Pressure Measuring Device

GONG Jun， DAI Yiming， WU Zhigang
（Jiangsu Guoxin Yangzhou Power Generation Co. Ltd.，Yangzhou 225131， China）

Abstract：With the inaccurate measurement of sampling tube of negative pressure measuring device caused by plugging ash，this paper introduced the sampling tube which can continuous purge and prevent dust. Fluid mechanics basic theory was applied to describe the effect of compensation purge on the design of sampling tube. Field test data was used to determine the flow rate and pressure of the purge. In addition， attentions should be paid in the field were described. The negative pressure sampling device could prevent ash fouling， which can be used as the negative pressure measuring device of furnace in power plant.

Key words：automatic compensation；measuring device；static debugging；dynamic debugging

中圖分類號(hào)：TK223

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1009-0665（2016）03-0094-04

作者簡介：

收稿日期：2015 -12-18；修回日期：2016-02-23