某電廠二次風(fēng)量測量分析與應(yīng)用

吳 吉 神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司 福建 362700

火電廠機組的風(fēng)量測量一般分為一次風(fēng)、二次風(fēng)、燃盡風(fēng)、助燃風(fēng)等，其中一次風(fēng)量、二次風(fēng)量的測量尤為重要。一次風(fēng)量、二次風(fēng)量測量的準確性直接影響一次風(fēng)機和送風(fēng)機的出力，同時也影響給水量、燃料量的調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)品質(zhì)直接影響機組的經(jīng)濟性，甚至可能導(dǎo)致機組非停。 隨著機組自動化程度要求越來越高，對于具有多輸入、多輸出、強耦合、非線性特點的超臨界機組，其鍋爐側(cè)相對于汽機側(cè)仍存在較大的滯后的特點。類似風(fēng)量這類重要參數(shù)的準確測量直接影響機組的安全穩(wěn)定運行，機組對二次風(fēng)量的在線測量也提出了更高的要求。本文以某火力發(fā)電廠百萬機組二次風(fēng)量測量為例，分析其存在的問題及技術(shù)改造后的成功應(yīng)用。

該工程火力發(fā)電機組容量為1050MW，鍋爐為超超臨界參數(shù)、一次再熱、單爐、東方電氣集團東方鍋爐有限公司生產(chǎn)的平衡通風(fēng)、逆流燃燒方式、固體排渣、露天布置、全鋼框式變壓直流鍋爐。機組為東汽N1000-26.25/600/600超超臨界1050MW汽輪機。它由一臺再熱、單軸、四缸、四臺排汽凝汽式汽輪機、一臺單流高壓缸、一臺雙流中壓缸和兩臺雙流低壓缸組成。本工程DCS控制設(shè)備采用杭州和利時分散控制系統(tǒng)。配置軟件為MACS6.52系統(tǒng)，硬件為SM系列[1]。

1 二次風(fēng)量測量形式

下面對該電廠二次風(fēng)量改造前后兩種測量形式進行介紹。

1.1 雙文丘里裝置

雙文丘里流速計是一種用于測量電廠大口徑煙氣管道流量的壓差傳感器。利用壓差變送器和記錄顯示儀表，可以獲得管內(nèi)被測點的瞬時壓差，通過雙文丘里流量計算書便可計算出不同工況風(fēng)量，壓差與流量之間轉(zhuǎn)換通常都是通過DCS邏輯組態(tài)實現(xiàn)，即計算出實測風(fēng)量大小。而DCS實際組態(tài)風(fēng)量的設(shè)定值是根據(jù)機組負荷，即補償后的鍋爐主控指令由折線函數(shù)計算得出，通過對實測風(fēng)量和風(fēng)量設(shè)定值偏差的控制來調(diào)節(jié)爐膛氧量和燃燒，改造后的多矩陣式風(fēng)量裝置測量原理同改造前一樣，只是取樣、測量形式有所不同，具體介紹見1.2小節(jié)。

1.1.1 文丘里特點

(1)與節(jié)流裝置相比，流量較小，永久壓力損失最小。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，便于檢查、清洗和維護。與畢托管、阿努巴流量計、平均速度管流量計相比，其壓差信號較大。

(2)測量復(fù)現(xiàn)性穩(wěn)定。所謂測量復(fù)現(xiàn)性就是在不同測量條件下，其測量結(jié)果一致的程度。測量復(fù)現(xiàn)性是儀表的一項重要性能指標。適用于低靜壓、低壓力損失的大口徑管道的測速。雙文丘里管常被用來測量煙道和非圓孔徑管道的測速，但現(xiàn)場實際使用效果表明，其防堵能力相對較差。

1.1.2 雙文丘里測量問題分析

利用3號機組停機期間，進入煙道檢查發(fā)現(xiàn)二次風(fēng)量測量裝置堵灰嚴重，見圖1、圖2。針對檢查發(fā)現(xiàn)問題，進行同類型機組調(diào)研并咨詢廠家，分析主要原因為由于二次主風(fēng)道面積較大，里面粉塵較多，裝置防堵效果不佳；另一原因是風(fēng)量裝置部分負壓測點處流速較低，導(dǎo)致抽吸作用不強，長時間運行導(dǎo)致二次風(fēng)灰塵進入文丘里負壓取壓口處造成嚴重堵塞。

圖1 風(fēng)道內(nèi)雙文丘里測量裝置

圖2 風(fēng)道內(nèi)雙文丘里測量裝置

1.1.3 定期吹掃方案

針對現(xiàn)場風(fēng)量裝置取樣孔堵塞問題，調(diào)研同類型機組并咨詢廠家確定二次風(fēng)量裝置定期吹掃方案，采用逐組測風(fēng)裝置逐個測點挨個吹掃的方案。每組雙文丘里測風(fēng)裝置迎風(fēng)面為負壓側(cè)，背風(fēng)面為正壓側(cè)，壓縮空氣接上以后，工人到二次熱風(fēng)道風(fēng)量測點位置處，將一次閥門1～15中的其中14個全部關(guān)閉(閥門布置見圖3)，只保留1個閥門是開啟的。迎風(fēng)面負壓側(cè)吹掃具體步驟：

(1)關(guān)閉閥門2～15，保持閥門1開啟，吹掃15秒。

(2)開啟閥門2，關(guān)閉閥門1，吹掃15秒。

(3)開啟閥門3，關(guān)閉閥門2，吹掃15秒。

依次類推，直至迎風(fēng)面負壓側(cè)全部吹掃完畢。

背風(fēng)面正壓側(cè)吹掃方法同負壓側(cè)一樣，由于正壓側(cè)只有5組閥門，因此吹掃工作就簡單多了，關(guān)閉其中4個，開啟1個，逐組吹掃即可。

圖3 雙文丘里風(fēng)量裝置圖

改造前通過此吹掃方案吹掃多次也無法解決文丘里測量裝置堵灰問題，即使定期吹掃周期縮短至1周，效果也欠佳，定期工作維護量非常大。而且總風(fēng)量低保護是主保護之一，當風(fēng)量正壓側(cè)堵灰嚴重時會導(dǎo)致風(fēng)量突降觸發(fā)MFT，存在較大安全隱患。

1.2 多點矩陣式風(fēng)量裝置

針對鍋爐煙氣含塵量大、風(fēng)管截面大、風(fēng)管內(nèi)流場極不均勻的特點，需要采用一種具有良好的阻流性、耐磨性、多點平均壓力和低壓損失的測風(fēng)裝置。傳統(tǒng)的測風(fēng)裝置如機翼、畢托管和文丘里管都不能滿足這些要求。矩陣式空氣測量裝置具有自清潔、防堵塞功能[2]，幾乎無壓力損失，耐磨性能好，性能可靠，氣流顯示穩(wěn)定。已成功應(yīng)用于各種類型的鍋爐，成為免維護產(chǎn)品。

1.2.1 測量原理

DFAB防堵陣列風(fēng)量測量裝置是基于靠背測量原理。測量裝置安裝在管道上。它的探頭安裝于管道內(nèi)。當有介質(zhì)流動時，迎風(fēng)側(cè)受到氣流的沖擊，氣流的動能轉(zhuǎn)化為壓力能。因此，前管中的壓力較高。前管內(nèi)的壓力稱為“全壓”，背風(fēng)側(cè)由氣流驅(qū)動。管道內(nèi)的壓力是管道內(nèi)的靜壓，稱為“靜壓”?？倝汉挽o壓的差稱為壓差。其大小與風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)速有關(guān)。風(fēng)速越大，壓差越大；風(fēng)速越小，壓差越小。因此，只有通過測量壓差，才能發(fā)現(xiàn)壓差和風(fēng)速之間的差異。根據(jù)這種關(guān)系，可以正確測量管道中的介質(zhì)流量。測量原理見圖4。

圖4 測量原理示意圖

由于風(fēng)道截面大，流場不均勻，只有一個測點是無法滿足測量要求的。為了更加精確測量，通常根據(jù)橫截面的尺寸和直管段的長度來確定測點的數(shù)量。然后，根據(jù)圖4的測量原理，在連接管內(nèi)裝配多個測量點。所有正壓側(cè)相連，所有負壓側(cè)相連。正壓側(cè)和負壓側(cè)分別與壓差變送器的正負端連接。便可測得橫截面的平均壓差[3]。結(jié)構(gòu)示意圖見圖5、圖6。

圖5 8個測量元件等截面布置示意圖

圖6 16個測量元件等截面布置示意圖

1.2.2 多點矩陣式裝置特點

(1)測量精度高：采用多點測量，可以真實反映管道流場狀況，測量精度達到1% 。

(2)測量線性好。

(3)自清灰、防堵塞：利用流體動能進行自清灰，徹底解決了含塵氣流風(fēng)量測量裝置的取樣管路易堵問題，不需要額外的壓縮氣體來清掃，因此可以實現(xiàn)長期運行和免維護。

(4)幾乎無壓損，節(jié)能性好。

(5)組合式測風(fēng)裝置的擋風(fēng)面很小，可以忽略不計。整個管道流體的壓力損失幾乎為零，節(jié)能效果非常明顯。

(6)安裝簡單：插入式布置安裝，十分方便。

風(fēng)量測量裝置工藝參數(shù)[4]見圖7。

應(yīng)用工程某電廠安裝位置二次主風(fēng)管道安裝方式水平節(jié)流件名稱DFAB防堵陣列型測風(fēng)裝置流體名稱空氣工藝條件氣體名稱組份粘度μ密度ρB體積%分子量等熵指數(shù)空氣Air0.01721.292810028.9601.4001名稱數(shù)值單位名稱數(shù)值單位名稱數(shù)值單位最大流量1315000kg/h常用流量1162000kg/h最小流量800000kg/h工作表壓5800Pa工作溫度337℃密度0.6119kg/m3地區(qū)大氣壓101325Pa管道尺寸6000*5000*5mm流體粘度0.03057mPa·s等熵指數(shù)1.3746壓縮系數(shù)1.00041相對濕度50%管壁絕對粗0.075mm管道材質(zhì)0.00001338mm/mm℃20#鋼糙度K0.075mm線脹系數(shù)0.0000175mm/mm℃1Cr18Ni9Ti等效直徑D6195mm計算結(jié)果刻度流量1500000kg/h刻度差壓 P206Pa最大雷諾數(shù)2456051常用雷諾數(shù)2171389最小雷諾數(shù)1494932常用差壓 P124Pa壓力損失Δω2.06Pa不確定度e±1.00%當量直徑5444mm刻度流速V22.6m/s工況截面積A30.144m2流速分布Fv1管道修正系數(shù)1.00401前直管段L116.33m后直管段L28.17m建議最短安裝長度6195mm結(jié)構(gòu)系數(shù)k0.87計算公式M=5.09117*k*A*Fv*(P*ρ)^0.5t/h(注:P≤0時M取0,Fv為可設(shè)定參數(shù)默認為1)密度公式?ρ=ρB*273.15*(P0+P1)/101325/(273.15+t)(㊣P0為當?shù)卮髿鈮?P1為表壓;t為管道溫度)推薦量程400Pa

圖7 風(fēng)量測量裝置工藝參數(shù)圖示

1.3 風(fēng)量測量裝置連接形式

風(fēng)量測量裝置根據(jù)安裝形式可劃分為法蘭插入式連接、法蘭圓形管道式連接、法蘭方形管道式連接。

本工程項目采用法蘭插入式連接方式，見圖8(a)。

(a)法蘭插入式連接

(b)法蘭圓形管道式連接

(c)法蘭方形管道式連接圖8 風(fēng)量測量裝置的三種形式

2 二次風(fēng)量裝置換型改造

2.1 改造前存在的問題

4號機組啟機并網(wǎng)后，鍋爐二次風(fēng)總風(fēng)量測量裝置多次因取樣管路堵塞發(fā)生測量偏差，定期吹掃工作頻繁，維護量增大，工作風(fēng)險也隨之加大。針對此問題進行長期分析與研究，同時通過調(diào)研得知，大唐呂四港電廠4臺600MW機組2009年自改用DFAB矩陣式測風(fēng)裝置后效果非常好。結(jié)合它廠經(jīng)驗以及技術(shù)人員指導(dǎo)意見最終確定二次風(fēng)量換型改造方案。

在3號機組停運臨修期間，根據(jù)調(diào)研確定方案對風(fēng)煙系統(tǒng)兩套二次風(fēng)量裝置進行換型改造，將原設(shè)計雙文丘里測量裝置改為DFAB多點矩陣式風(fēng)量測量裝置[5]。

2.2 風(fēng)量測量裝置安裝步驟

(1)按照圖紙尺寸劃好中心線，根據(jù)開孔尺寸及安裝圖在風(fēng)道頂部相應(yīng)位置開孔。

(2)分別將各流量測量裝置組件插入到風(fēng)道中，注意安裝時氣體流向必須和標牌上箭頭方向保持一致，切勿裝反，頂部的法蘭暫時不焊接。

(3)在風(fēng)道內(nèi)部將各流量測量裝置一次元件和內(nèi)部加強桿焊接固定，后將頂部法蘭與管道焊接。

(4)將匯壓母管部分進行裝配焊接。

(5)將正(負)引壓接頭接至變送器正(負)端。

安裝示意圖見圖9。

圖9 流量測量裝置安裝示意圖

2.3 安裝注意事項

(1)流量測量裝置組件必須保持上下垂直。

(2)安裝流量測量裝置組件時必須和標牌上箭頭方向保持一致，切勿裝反。

(3)風(fēng)量測量裝置安裝位置前后不允許有支撐物存在以免影響取壓裝置壓差采樣，導(dǎo)致風(fēng)量測量不準。

(4)所有取壓管部分的焊接要求焊接無氣孔、夾渣、管內(nèi)無焊瘤現(xiàn)象存在。

(5)設(shè)備安裝后，風(fēng)量測量裝置一次門至差壓變送器的引壓管應(yīng)該進行嚴密性試驗，并在連接到變送器前用壓縮空氣進行吹掃。

2.4 改造后優(yōu)點

(1)母管改造后與水平位置成300坡度，與改造前雙文丘里取樣母管水平布置相比，母管積灰的概率大幅降低，通過設(shè)備長期運行狀況來看，改造后風(fēng)量測量裝置防堵效果非常好。

(2)測風(fēng)裝置的形式與改造前雙文丘里測風(fēng)裝置相比也有所改變，改造后為矩陣式防堵測風(fēng)裝置，結(jié)構(gòu)內(nèi)部有自動清灰擺錘[6]，當有風(fēng)量介質(zhì)流過時，擺錘會不斷振打?qū)⒗鄯e灰塵除掉，能更好地解決測風(fēng)裝置堵塞問題，使測量更穩(wěn)定、精確。

3 風(fēng)量裝置投入運行效果

二次風(fēng)量裝置經(jīng)過換型改造后，使用前經(jīng)過長期試驗觀察，無論在機組升負荷、降負荷還是負荷穩(wěn)定的工況下二次風(fēng)量的測量都非常穩(wěn)定。完全解決了改造前存在的同側(cè)測點偏差大和兩側(cè)風(fēng)量偏差大的問題；也從根本上解決了裝置易堵塞問題，提高了設(shè)備可靠性。DCS歷史趨勢圖見圖10。

圖10 不同工況對應(yīng)二次風(fēng)量趨勢圖

4 結(jié)語

3號機組采用多點橫截面測量裝置替換原來雙文丘里測風(fēng)裝置后，通過機組不同工況多次試驗，測量效果較好，與改造前對比非常明顯。同時也將二次風(fēng)量定期吹掃頻率從改造前的1月/次改成目前2月/次,通過長時間運行觀察效果非常好，改造后風(fēng)量裝置完全可以解決原測量裝置易堵灰現(xiàn)象，確?？疹A(yù)器出口二次風(fēng)量測量數(shù)據(jù)準確和可靠。對于具有風(fēng)速測量相同問題的同類型機組，可借鑒上述案例進行選型、改造和調(diào)試。