电厂锅炉常用风量测量装置的比较与应用

崔玉民

（华能济宁运河发电有限公司，山东济宁272057）

引言

        随着火力发电厂自动化水平的不断提高，各电厂对风量自动调节投入率的要求也在提高。目前国内常用的风量测量装置类型有：机翼型、文丘里、巴类（阿牛巴、威力巴）、全截面插入多点式自清灰风量测量装置和热扩散式等几种。

锅炉风量匹配合理，燃烧工况就会明显改善，并且节约能源。对于燃烧过程来说，一、二次风量配风不均匀，会造成着火提前、燃烧器烧损、炉膛结渣等情况的发生。特别是一次风量过大会导致锅炉灭火和造成燃烧系统的管道磨损，影响机组运行的稳定性和安全性。而风量测量对电站锅炉运行的经济性、安全性、环保水平等均有重要作用。

常用风量测量装置原理及特点

        目前国内常用的风量测量装置类型有：机翼型、文丘里、巴类（阿牛巴、威力巴）、全截面插入多点式自清灰风量测量装置和热扩散式等几种。上述常用的风量测量装置除热制式外，都是采用差压式测量原理，其感压体是一个带有感压空间，当风管内有气流流动时，风量测量装置的迎风面感压空间受气流冲击，在此处气流的动能转换成压力能，因而迎面管内压力较高，其压力称为“全压”，背风面感压空间由于不受气流冲压，其管内的压力为风管内的静压力，其压力称为“静压”，全压和静压之差称为差压。差压的大小与管内风量（速度）的大小有关，风量越大，差压越大；风量小，差压也小，风量的大小与差压的大小成正比的关系。因此，只要测量出差压的大小，再找出差压与风量（速度）的对应关系，就能正确地测出管内的风量（速度）。

        • 机翼型风量测量装置原理及特点

        机翼型风量测量装置由机翼及一段矩形风道构成，为压差型测量方式。感压体是一个带有感压孔的空间，机翼式风量测量装置测量的理论基础是在充满流体的管道中，固定放置一个流通面积小于管道截面积的节流件，则管道内流体在通过该节流件时就会造成局部收缩，在收缩处流速增加，静压力降低，在节流件前后将产生一定的压力差。对于一定形状和尺寸的节流件、一定的测压位置和前后直管段、一定的流体参数情况下，节流件前后的差压△P 与流量Q 之间关系符合伯努利方程。

        机翼型风量测量装置占用面积大，导致截流大，增加了风机电耗，不利于风机的节能，在热风道含尘气流测量中由于感压孔灰尘只进不出，较容易堵塞。

       • 文丘里风量测量装置原理及特点

        文丘里效应的原理则是当风吹过阻挡物时，在阻挡物的背风面上方端口附近气压相对较低，从而产生吸附作用并导致空气的流动。把气流由粗变细，以加快气体流速，使气体在文氏管出口的后侧形成一个“真空”区，真空区靠近工件时会对工件产生一定的吸附作用。

        其构造由等直径入口段、收缩段、等直径喉道和扩散段等组成，串联于管路中。设入口段和喉道处流体平均流速、静压和管道截面面积分别为v1、p1、S1和v2、p2、S2，密度ρ不变，根据连续性方程S1v1＝S2v2＝Q和伯努利方程p1＋（1/2 ）ρv²1＝p2＋（1/2 ）ρv²2（假定管轴线水平），可导出流量Q=S2√（2/ρ）（p1-p2）/［1-（s2/s1）］²。

        风道式文丘里风量测量装置因阻力大、信号放大倍数较小等缺点目前已较少使用，文丘里风量测量装置为压差型测量方式，因在负压测点取在内文丘里喉部，很容易堵塞。

       • 巴类风量测量装置原理及特点

        巴类风量测量装置是基于皮托管测速原理发展而来的一种流量传感器，为压差型测量方式。感压体是一个带有感压孔的小空间，其灰尘只进不出，慢慢地沉积下来，时间一久就会逐步地堵塞取压口，随着时间地推移，堆积的高度越来越高，最终无法正常工作，需要重新吹扫后才能工作运行。所以平时的吹扫维护工作量较大，影响风量投自动，但在直管段比较理想和不含灰尘的情况下使用效果较好。

        图1、图2、图3分别是威力巴、阿牛巴、德尔塔巴等的探头模型图。

图1 威力巴流体模型图

 

 

图2 阿牛巴流体模型图

 

图3 德尔塔巴探头模型图

        由于电厂的热风道没有足够的直管段，当机组负荷发生变化时，管道内的速度场也会发生相应的变化，会造成气流不稳定，流场冷热态差别大，从测量的准确性来说，对于热二次风而言仅仅插入一组是肯定不够的，从而会影响到测量的准确性和自动调节的投入率。

       • 全截面插入多点式自清灰风量测量装置原理及特点

        全截面插入多点式自清灰风量测量装置，在风道截面上严格按标准采用等截面多点测量原理，测量截面的平均速度，再根据各测量管道截面尺寸的大小、直管段长度等因素来确定测量点数。解决了含尘气流风量测量中的堵塞问题，风量测量装置本身具有利用流体动能进行自清灰防堵塞的功能，不需要外加气体进行吹扫，无论气体含尘浓度多大，均可长期运行且免维护。与其他流量计相比，插入式多点测量装置最突出的优点是对直管段的要求比较低，在完全没有直管段的情况下，为一种较好的测量方式。

        全截面插入多点式自清灰风量测量装置是基于靠背测量原理，感压部件插入管内，当有气流通过时，迎风面测量气流的动能（全压），背风侧测量气流的静压力（静压），全、静压差的大小与风量的之间有相互对应关系，利用这一原理正确测出管内风量。对于热风和混合风中的含尘气流的测量，要长期准确地测量出管内风量，首先要解决的是测量装置的防堵塞问题。全截面插入多点式自清灰风量测量装置增设了自清灰装置，即在测量管的垂直段内悬挂了自清灰棒，该棒可以在管内气流的冲击下作无规则摆动，起到自清灰作用，图4所示。

 

图4 自清灰风量测量装置

 

 

        • 热扩散式风量测量装置原理及特点

         热扩散式风量测量装置有温度敏感元件，利用传热原理，其中加温棒：（RTD）升温活冷却有一个过程，所以它的测量滞后性较大，不能快速、及时地反映风速、风量的变化。

图5 热扩散式风量测量装置

 

         热扩散式风量测量装置（图5）只测了一个点的速度，并不能代表整个风道的平均速度，即使经过标定，得到修正，但当机组负荷发生变化时，管道内的速度场也会发生相应的变化，和原标定值不一样，而标定试验时也不可能在全部负荷下都做标定，其误差无法消除。如果采取增加几个测点的方法，那价格要成倍增加。热扩散式虽然解决了含尘气流风量测量中的堵塞问题，但价格较贵。

锅炉测风测量点的布置

        按照国家有关全截面测量点的布置规定，根据风道的大小进行等截面测量布点，且要求水平和垂直方向都要考虑测量点布置。例如：对于大截面风道（如热二次风5000mm×4600mm），仅有几个测量点是远远不够的，为了提高测量的准确度，应在大风道截面上按国家标准采用等截面多点测量，测得截面的平均速度。测量装置将多个等截面测量点在风道内进行连接，最后正、负压侧各引出一根总引压管，分别与差压变送器相连，以测得该截面上的平均风量，图6所示。图中“O”表示实际测量点和分布位置，共分成16个小截面，每个截面上都分别布置测量点。

   

图6 等截面多点测量测点布置

 

计算数学模型

Q=KAf（ΔP,T，P）

        式中：Q为风量；K为风量测量装置系数；A为风量测量装置安装处的面积，m²；T为风量所对应的风温，℃；ΔP为风量测量装置输出差压，Pa；P为风量所对应的压力，Pa。

        上述数学模型对各风管的风量进行压力和温度的实时修正。根据各台锅炉的设计要求，风量Q的单位可以分别为m3/h，t/h或Nm3/h。

        从上述数学模型中可以看出，风量值与风量测量装置输出差压值之间为正比例的非线性关系。

全截面插入多点式自清灰风量测量装置应用

        华能济宁运河发电有限公司3、4号锅炉，由于风道布置受空间限制，改用全截面插入多点式自清灰风量测量装置，由于在风道截面上严格采用标准的网格要求进行多点式布置、且测量装置本身具备的自清灰和防堵塞功能，压损很小，装置性能可靠，取得了良好的使用效果，风量显示稳定。

        其中冷一次风量管道尺寸为Ф1020×4mm，采用了全截面9点布置，图7所示。

 

图7 冷一次风量管道测点布置

        热二次风量尺寸为5000mm×4100mm，采用了全截面16点布置，图8所示。

图8 热二次风量管道测点布置

结语

        根据改造后多年的使用情况来看，只要在改造施工过程中严格保证了风量、风速测量变送器取样管严密，风量、风速测量装置在运行中能够准确测量。现在，只在每年的大小修中，对变送器进行校验时安排对风量、风速测量装置取样管进行一次常规吹扫，即可保证其全年的正常运行。