矩陣式風(fēng)量測(cè)量技術(shù)在含塵風(fēng)道中的實(shí)踐應(yīng)用

摘要：某廠有兩臺(tái)1 000 MW超超臨界機(jī)組，分別于2010年和2011年投產(chǎn)，兩臺(tái)機(jī)組共設(shè)置12套傳統(tǒng)均速管型二次風(fēng)量測(cè)量元件。自投用該風(fēng)量裝置以來，運(yùn)行狀況一直不好，特別容易出現(xiàn)取樣孔堵灰、積灰并導(dǎo)致風(fēng)量波動(dòng)跳變大的情況，因此需頻繁吹掃。為解決該風(fēng)量測(cè)量異常問題，重新設(shè)計(jì)了風(fēng)量測(cè)量元件的結(jié)構(gòu)型式，提高了風(fēng)量測(cè)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，減少了風(fēng)量測(cè)量故障缺陷，保證了鍋爐運(yùn)行安全，有利于機(jī)組的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：超超臨界機(jī)組;二次風(fēng)量測(cè)量;穩(wěn)定性;實(shí)踐應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TM621.2" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）24-0086-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.24.021

0" " 引言

風(fēng)道系統(tǒng)風(fēng)量值對(duì)于整個(gè)燃煤電廠的運(yùn)行效率有著至關(guān)重要的影響。在傳統(tǒng)的風(fēng)道系統(tǒng)中，均速管型單點(diǎn)風(fēng)量測(cè)量技術(shù)應(yīng)用廣泛。然而，由于鍋爐燃燒風(fēng)道中摻混有大量煤灰粉塵的特殊性，加上風(fēng)道內(nèi)氣體流場(chǎng)存在不均勻、紊流與旋流的情況，傳統(tǒng)的風(fēng)量測(cè)量方法往往不能準(zhǔn)確、高效地測(cè)量含煤灰粉塵風(fēng)道的風(fēng)量，并且存在很多問題，如測(cè)量精度低、測(cè)量范圍窄、維護(hù)難度大等。這不僅影響了電廠的運(yùn)行效率，還可能導(dǎo)致不必要的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染。例如，某廠兩臺(tái)機(jī)組共設(shè)置12套傳統(tǒng)均速管型二次風(fēng)量測(cè)量元件，其屬于插入式差壓測(cè)量元件。該元件自基建投用以來，運(yùn)行狀況一直不好，很容易出現(xiàn)取樣孔堵灰、積灰，導(dǎo)致風(fēng)量波動(dòng)跳變、風(fēng)量壞點(diǎn)的異常情況，嚴(yán)重時(shí)會(huì)聯(lián)鎖機(jī)組AGC協(xié)調(diào)控制退出的故障事件。該風(fēng)量測(cè)量方式設(shè)計(jì)的固有缺陷造成了送風(fēng)自動(dòng)運(yùn)行控制效果差、檢修維護(hù)工作量大等故障情況頻繁出現(xiàn)，特別是晚班低負(fù)荷時(shí)該異常情況尤其嚴(yán)重，因此如何提高氣體流量測(cè)量的準(zhǔn)確度顯得尤為重要。

1" " 設(shè)備現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)的風(fēng)道系統(tǒng)中，風(fēng)量測(cè)量技術(shù)通常采用的是單點(diǎn)測(cè)量方式，這種方式主要存在以下幾個(gè)問題：首先，由于風(fēng)道中含有大量的煤灰粉塵，傳統(tǒng)的測(cè)量方式往往會(huì)受到粉塵干擾，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確;其次，由于測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量有限，這種測(cè)量方式很難全面準(zhǔn)確地反映風(fēng)道的風(fēng)量情況;此外，這種測(cè)量方式反應(yīng)速度較慢，不能實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)道的運(yùn)行狀態(tài)，不利于電廠的高效率穩(wěn)定運(yùn)行。

某廠原先使用的二次風(fēng)量測(cè)量元件為傳統(tǒng)均速管型，正壓側(cè)和負(fù)壓側(cè)上面留有壓力取樣孔，因該取樣孔孔徑細(xì)?。?.5 mm），鍋爐熱二次風(fēng)攜帶的粉塵很容易堵塞正、負(fù)壓側(cè)取樣孔，并在元件內(nèi)部積灰（內(nèi)部沒有排污設(shè)計(jì)，容易積灰，清理困難），經(jīng)常出現(xiàn)風(fēng)量偏高或偏低的跳變情況，所以該測(cè)量元件的測(cè)量方式已不滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

同時(shí)，取樣孔內(nèi)積灰影響鍋爐二次風(fēng)正常監(jiān)視及運(yùn)行，需要頻繁人工吹掃。吹掃周期在每周1～2次，情況嚴(yán)重時(shí)需隔天吹掃。如果堵塞很嚴(yán)重，風(fēng)量跳變大，DCS上顯示壞點(diǎn)，還會(huì)影響二次風(fēng)量送風(fēng)自動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)組AGC協(xié)調(diào)控制退出，降低自動(dòng)投入率，并影響技術(shù)監(jiān)督統(tǒng)計(jì)。為減少機(jī)組運(yùn)行中二次風(fēng)量測(cè)量出現(xiàn)異常的情況，在機(jī)組停機(jī)時(shí)和日常預(yù)防性維護(hù)工作中，都需對(duì)所有二次風(fēng)量元件進(jìn)行吹掃和檢查，但效果很不理想，導(dǎo)致在機(jī)組啟動(dòng)后和正常運(yùn)行時(shí)仍需頻繁人工吹掃，特別是夜班低負(fù)荷時(shí)該異常情況非常嚴(yán)重。該類型的二次風(fēng)量元件工作穩(wěn)定性較低，日常維護(hù)工作量大，對(duì)爐膛的安全燃燒、鍋爐燃燒效率及機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷都產(chǎn)生了較大負(fù)面影響，是機(jī)組正常運(yùn)行的重大隱患。

2" " 相關(guān)問題分析及項(xiàng)目實(shí)施試驗(yàn)

為了解決上述問題，本文提出了基于矩陣式多點(diǎn)風(fēng)量測(cè)量技術(shù)的方案。矩陣式多點(diǎn)風(fēng)量測(cè)量技術(shù)可以在風(fēng)道的多個(gè)位置同時(shí)進(jìn)行風(fēng)量測(cè)量，從而全面準(zhǔn)確地反映風(fēng)道的風(fēng)量情況。同時(shí)，這種技術(shù)可適應(yīng)大風(fēng)量、粉塵含量高的場(chǎng)合，以實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)道的運(yùn)行狀態(tài)，提高測(cè)風(fēng)反應(yīng)速度，為優(yōu)化燃燒控制提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。此外，矩陣式多點(diǎn)風(fēng)量測(cè)量技術(shù)還可有效抵御煤灰粉塵的干擾，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。所以，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，對(duì)某廠二次風(fēng)量測(cè)量進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)踐改造，通過改變風(fēng)量測(cè)量和取樣的方式，解決現(xiàn)有問題[1]。通過走訪周邊和其他省內(nèi)百萬機(jī)組燃煤電廠，充分調(diào)研二次風(fēng)量測(cè)量元件使用情況，并進(jìn)行比對(duì)分析，最終決定選用一種多點(diǎn)取樣的矩陣式分布型式，并增大取樣孔徑，最大程度防止出現(xiàn)傳統(tǒng)式測(cè)量常有的堵塞和風(fēng)量驟降故障。

多點(diǎn)矩陣式風(fēng)量測(cè)量元件是基于背靠背測(cè)量原理：測(cè)量裝置安裝在管道上，其探頭插入管內(nèi)，當(dāng)管內(nèi)有氣流流動(dòng)時(shí)，迎風(fēng)面受氣流沖擊，在此處氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成勢(shì)能，因而迎風(fēng)面管內(nèi)壓力較高，稱為“全壓”，背風(fēng)側(cè)由于不受氣流沖壓，其管內(nèi)壓力為風(fēng)管內(nèi)的靜壓力，稱為“靜壓”，全壓和靜壓之差稱為差壓，其大小與管內(nèi)風(fēng)速（量）有關(guān)，風(fēng)速（量）越大，差壓越大;風(fēng)速（量）小，差壓也小，因此，只要測(cè)量出差壓的大小，再找出差壓與風(fēng)速（量）的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就能正確測(cè)出管內(nèi)風(fēng)量。由于大風(fēng)道流場(chǎng)相對(duì)比較復(fù)雜，為了能更準(zhǔn)確地測(cè)得風(fēng)道流量，將風(fēng)道界面模擬等分成N個(gè)等份，在每個(gè)模擬的截面上布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，然后將若干個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的差壓進(jìn)行平均得到整個(gè)風(fēng)道內(nèi)平均差壓，再利用系數(shù)修正計(jì)算出風(fēng)量Q（m3/h）：

Q=K×A×f（ΔP，T）

式中：K為風(fēng)量計(jì)算的數(shù)學(xué)運(yùn)算模型的總系數(shù);A為風(fēng)量測(cè)量裝置安裝處的面積;ΔP為風(fēng)量測(cè)量裝置輸出差壓;T為風(fēng)速（量）所對(duì)應(yīng)的風(fēng)溫[2]。

將矩陣式風(fēng)量測(cè)量技術(shù)投入實(shí)踐應(yīng)用，風(fēng)道尺寸W×H（寬×高）：5 000 mm×6 700 mm。首先拆除舊型二次風(fēng)量測(cè)量元件;然后在風(fēng)道頂部開設(shè)1 000 mm×

110 mm方孔三個(gè)，左右兩側(cè)距離煙道壁600 mm;再在方孔中心處開一個(gè)定位槽，定位槽寬50 mm、長(zhǎng)110 mm，定位槽寬度不能過大，否則焊接肋板不好固定，影響測(cè)量;施工過程中要求清理開孔邊沿殘留毛刺;最后將矩陣式風(fēng)量測(cè)量元件插入管道中，調(diào)整元件位置，使焊接肋板卡進(jìn)定位槽內(nèi)，下表面與管道外表面充分接觸。二次風(fēng)量測(cè)量布置設(shè)計(jì)如圖1所示。

通過調(diào)整元件接頭方向，最終使流體介質(zhì)流向和元件接頭箭頭指向一致，斜剖口側(cè)在迎風(fēng)面上，使其元件平面垂直于管道橫截面，從而保證各個(gè)取壓點(diǎn)都是正對(duì)迎風(fēng)面，可以取得準(zhǔn)確且有效的壓力信號(hào)，同時(shí)可以依靠粉塵自重自動(dòng)清灰。在實(shí)施過程中，先點(diǎn)焊定位，確認(rèn)符合上述安裝要求后，再進(jìn)行加固滿焊，保證測(cè)量元件安裝穩(wěn)固結(jié)實(shí)，無晃動(dòng)。

3" " 設(shè)備改造前后效果對(duì)比及創(chuàng)新分析

該矩陣式風(fēng)量測(cè)量元件測(cè)點(diǎn)壓力均衡，避免了單一取樣時(shí)渦流測(cè)量誤差引起的數(shù)值變化，測(cè)量波動(dòng)小，精度高，最大允許誤差可控制在±2%至±1%;測(cè)量穩(wěn)定性好，測(cè)量值真實(shí)，適合短直段管道風(fēng)量測(cè)量;同時(shí)該元件屬于插入式安裝，安全方便。由于取樣孔徑加大加厚，孔徑內(nèi)部可以依靠粉塵自重自動(dòng)清灰，而不需要另加吹掃裝置。綜上可知，該測(cè)量元件測(cè)量線性度好、精度高，能滿足二次風(fēng)量投自動(dòng)的要求。

本實(shí)踐應(yīng)用改造項(xiàng)目完成后，已連續(xù)工作四年以上，自改造后風(fēng)量測(cè)量穩(wěn)定，夜間低負(fù)荷時(shí)取樣點(diǎn)堵塞情況大大減少，從往常的平均一周吹掃1～2次變?yōu)槊吭露ㄆ诖祾?，也無須再就地清理取樣點(diǎn)，運(yùn)行效果良好。同時(shí)，由于二次風(fēng)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性提高，AGC協(xié)調(diào)控制質(zhì)量提高，煤耗降低，環(huán)保性能也得到了提升。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，基于矩陣式分布測(cè)量的設(shè)計(jì)應(yīng)用方法，具有穩(wěn)定性與安全性高、維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，在燃煤電廠的含塵風(fēng)道風(fēng)量測(cè)量上有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3.1" " 技術(shù)優(yōu)勢(shì)突出

新風(fēng)量測(cè)量元件主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于將矩陣式多點(diǎn)風(fēng)量測(cè)量技術(shù)應(yīng)用在含煤灰粉塵較多的風(fēng)道系統(tǒng)中。這種技術(shù)采用先進(jìn)的矩陣式多點(diǎn)同時(shí)測(cè)量的方式，可以全面準(zhǔn)確地反映風(fēng)道的風(fēng)量情況，具有精度高和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，能夠滿足燃煤電廠含煤灰粉塵多的風(fēng)道復(fù)雜測(cè)量需求。新元件反應(yīng)速度快，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)道的運(yùn)行狀態(tài)，為優(yōu)化燃燒控制提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。該實(shí)踐應(yīng)用不僅解決了傳統(tǒng)測(cè)量方式存在的問題，同時(shí)也為燃煤電廠的環(huán)保改造提供了新的思路。對(duì)比傳統(tǒng)風(fēng)量測(cè)量元件，新元件具有下列明顯優(yōu)勢(shì)：

1）精度高：使用插入式布置安裝，矩陣式分布測(cè)量結(jié)構(gòu)，測(cè)點(diǎn)壓力均衡，矩陣式測(cè)量元件的擋風(fēng)面積幾乎可以忽略不計(jì)，因此幾乎沒有造成整個(gè)風(fēng)道流體的壓力損失，測(cè)量效果十分顯著，測(cè)量波動(dòng)小，精度高，最大允許誤差可控制在±2%至±1%，特別適用于煤粉塵含量高的風(fēng)量測(cè)量場(chǎng)合，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的風(fēng)量測(cè)量。

2）多點(diǎn)測(cè)量：采用等截面多點(diǎn)全截面測(cè)量探頭，避免了單一取樣時(shí)氣體紊流與旋流誤差引起的數(shù)值變化。

3）穩(wěn)定性好：測(cè)量穩(wěn)定性好，測(cè)量值真實(shí)，適合短直段管道風(fēng)量測(cè)量，不受安裝環(huán)境的影響。

4）維護(hù)簡(jiǎn)單：設(shè)備元件屬于插入式安裝，十分方便;由于取樣孔徑加大，取樣管加厚，取樣管內(nèi)部可以依靠自帶的清灰桿實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清灰。

針對(duì)該實(shí)踐項(xiàng)目，第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)開展了風(fēng)量標(biāo)定試驗(yàn)，實(shí)測(cè)標(biāo)定結(jié)果與改造后的矩陣式風(fēng)量測(cè)量元件測(cè)量結(jié)果基本一致，效果很好。

3.2" " 經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益優(yōu)勢(shì)突出

從經(jīng)濟(jì)效益方面來看，矩陣式風(fēng)量測(cè)量技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用顯著提高了電廠運(yùn)行效率，幾乎消除了以前均速管測(cè)量帶來的各種問題，避免了取樣管徑過小堵塞灰塵而引起的風(fēng)量驟減、AGC協(xié)調(diào)自動(dòng)退出甚至影響機(jī)組負(fù)荷的情況，使得鍋爐可以安全運(yùn)行，延長(zhǎng)了各聯(lián)動(dòng)設(shè)備的使用壽命，保障了公司效益，節(jié)省了運(yùn)營(yíng)成本和設(shè)備檢修維護(hù)成本。

從社會(huì)效益方面來看，這次風(fēng)量測(cè)量元件創(chuàng)新應(yīng)用為后續(xù)的燃煤電廠風(fēng)道系統(tǒng)和煙氣CEMS流量精準(zhǔn)測(cè)量提供了改造思路和實(shí)施案例，對(duì)火電行業(yè)環(huán)保改造起到了積極的推動(dòng)作用。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）提高了測(cè)量精度和穩(wěn)定性，減少了誤差和漏測(cè)的情況，保障了安全生產(chǎn);2）降低了設(shè)備維護(hù)的工作量和成本，提高了工作效率和效益;3）為優(yōu)化燃燒控制提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，提高了燃煤電廠AGC協(xié)調(diào)控制質(zhì)量，保障了機(jī)組效率;4）推動(dòng)了新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，促進(jìn)了技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，與綠色能源的節(jié)能環(huán)保發(fā)電理念相適應(yīng)。

4" " 結(jié)束語

本改造項(xiàng)目完成驗(yàn)收后已工作四年以上，風(fēng)量測(cè)量的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性有極為明顯的提高，風(fēng)量測(cè)量故障缺陷顯著減少，維護(hù)了鍋爐運(yùn)行安全，保證了機(jī)組長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。矩陣式多點(diǎn)風(fēng)量測(cè)量技術(shù)在燃煤電廠含煤灰粉塵風(fēng)道中的實(shí)踐應(yīng)用，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和發(fā)展前景，對(duì)燃煤電廠的風(fēng)道系統(tǒng)精準(zhǔn)測(cè)量有著深遠(yuǎn)的影響，不僅為電廠帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，也為社會(huì)帶來了重要的環(huán)保效益。二次風(fēng)量采用矩陣式分布測(cè)量的設(shè)計(jì)應(yīng)用方法，在燃煤電廠的含塵風(fēng)道風(fēng)量測(cè)量方面值得大力推廣。

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