華電鐵嶺電廠一次風量測量方案與應用

1、現有問題

火力發電廠運行中提高鍋爐自動調節水平、負荷響應速度和燃燒效率是提高電廠運行性能的重點關注要素，而長期、準確、穩定的測量鍋爐一次、二次風管內的風速和風量，合理調整磨煤機風煤比例，是提高鍋爐自動化投入率、使鍋爐配風合理燃燒穩定和提高效率的重要基礎。而由于風管系統布置空間限制、直管段不足、含塵和測點難以布置等原因，導致火電廠的一次風量測量精度往往難以滿足要求，從運行經驗反饋中可發現鐵嶺電廠同樣面對這一難題。

一次風量的測量值和實際值偏差較大會導致運行人員燃燒調整缺乏依據或數字化儀控系統響應不及時，若為保證不堵煤而將一次風壓、風量保持在較高水平則易造成燃燒器附近水冷壁局部磨損加劇而導致爆管和非計劃停機，若為降低廠用電將一次風壓、風量保持在較低水平則易造成磨煤機頻繁堵煤和燃燒器噴口燒壞。

從鍋爐效率的角度講，無論一次風量過高或過低均會導致鍋爐效率的降低。鍋爐運行過程中主要依賴于過量空氣系數和氧量表進行燃燒調整，其合理性直接影響爐內燃燒的好壞和排煙熱損失的大小，在運行中準確迅速的測定過量空氣系數并保持較佳過量空氣系數是保證鍋爐經濟運行的主要手段。若燃燒過程中空氣實際供應不足，氧量表讀數小，則燃燒不完全而產生一氧化碳造成不完全燃燒損失，若空氣供應過多，氧量表讀數大則燃燒產生的煙氣量增多，煙氣在對流煙道中的溫降減小，使排煙溫度升高，排煙量和排煙溫度增加，導致排煙熱損失變大。

因此對鍋爐風量進行精確計量對于提高鍋爐的控制效率，使鍋爐始終運行在經濟工況的意義十分明顯。在實際運行過程中通過對進氣量的精確測量和氧量表讀數使鍋爐的過量空氣系數始終維持在較佳效率點上，可以有效減少鍋爐的煙氣熱損失和非完全燃燒熱損失，從而提高鍋爐的實際效率。

2、技術難點

電廠一次風量測量常見的主要難點可以總結如下：

（1）測量設備在含塵工況下長期運行時不能滿足防堵要求，需要連續或定期反吹；

（2）測量設備量程比不足，耐磨性不足，易發生變形、磨損問題，不能保證測量精確度；

（3）測量設備安裝要求高，要求的測點前后直管段較長，現場條件難以滿足；

（4）測量設備壓損過大，增加管道風阻，影響原有的運行工況設計；

（5）測量裝置的精確度和可靠性受到流場、溫度和壓力變化的影響。

目前火電廠常見的一次風測量裝置包括差壓式流量計和熱式質量流量計兩大類，差壓式流量計是以流體伯努利方程和流體聯系性方程為依據，根據節流件前后的壓差換算進行計量，包括標準孔板、標準噴嘴、文丘里嘴等均屬此類，熱式質量流量計是利用傳熱原理即流體與熱源間熱量交換關系測量流體流量。 

從鐵嶺電廠的風機入口側風管流場分布可以發現，在系統布置空間受限的情況下，風管內流場分布不均勻，受制于其固有測量原理，常規的勻速管、文丘里型測量裝置測量結果偏差明顯，精確度差。

機翼型測風裝置盡管考慮了多點布置動壓管，但其紡錘構造導致的管道通流面積減小、壓損增大和取壓管易于堵塞的問題明顯，使得其實際應用效果不理想。

熱式質量流量計雖然運行壓損小、測量穩定、故障率低，但響應速度慢、易磨損，造價高、假裝擾流板后壓損過高等問題使得其在一次風量測量中使用受限。

要解決以上問題，電廠所采用的一次風量測量裝置需要具備以下特點：

（1）防堵性能，可在含塵工況下長期穩定運行；

（2）耐磨特性，提高長期運行的精確度和穩定性；

（3）安裝要求低，直管段要求小，量程比高；

（4）可多點布置，滿足不均勻流場測量需求；

（5）安裝維護方便，故障率低，易于改造。

為實現測量目標，我公司開發了BTB®系列防堵多點式風量測量裝置很好的滿足了以上特點的要求。

3、解決方案——BTB®系列防多點式風量測量裝置

<裝置說明>

測量管道內的氣體流量，理想的狀態是管道壁光潔而且有足夠長的直管段，否則管道內氣體的流場會不均勻，存在紊流與旋流，從而影響測量的準確度。電站鍋爐的風量風道大多不具備理想的測量條件，為解決這一問題，可采用網格法在風道中布置多個測點從而得到管道內的多點平均風速。BTB系列防堵多點式風量測量裝置是我們在長期實驗和實踐經驗基礎上開發的實現氣體流速多點測量的裝置，且裝置本身具有優良的防粉塵堵塞的功能。流量計內部設計了巧妙的防粉塵堵塞裝置，在氣流的沖出和風道振動產生的能量作用下，能夠自動清除取壓口處的灰塵，保持取壓口不會堵塞。

<測量原理>

BTB®系列防堵多點式風量測量裝置基于標準畢托管測量原理，根據ISO3966:1997《封閉管道中流體流量的測量／采用皮托靜壓管的速度面積法》國際標準設計制造。測量裝置安裝在管道上，其探頭插入管道內，當管道內有氣體流動時，全壓傳感器受氣流沖擊，在此處氣流的動能轉換成壓力其壓稱為“全壓”，全壓和靜壓之差稱為差壓，其大小與管道內氣體流速有關，流速越大，差壓越大；風速小，差壓也小，流速與差壓的關系符合伯努利方程。

如圖所示，畢托巴®氣體流量測量裝置，其特征在于：被測量的管道截面為矩形，矩形測量管內的四壁橫縱向位置之間通過隔板分區，四壁與隔板之間形成多個直管段充足的獨立測量通道，在每個通道上安裝傳感器測量流體流速，這一測點位置就代表這個獨立通道氣體流速的差壓輸出，對每一個分開的通道配置相應流速傳感器，可以輸出代表多個通道測點的流速和流量，通過平均后得出管道內穩定流場下的準確總風量。

這就意味著如果盡量多地在風道內布置測量探頭、每支測量探頭盡量多地配置流速傳感器，就可以避免風道內由于旋流、紊流造成的流場不均勻對測量帶來的影響，減少測量誤差。

當風道內插入多支測量探頭與差壓傳感器測量出流量范圍內的統計數據后，也可將探頭輸出的全壓與全壓、靜壓與靜壓并聯起來，通過一臺差壓變送器就可以準確測量風道截面各測點的平均流速。

<技術指標>

• 全壓取壓口設計為拋物面結構，可產生較大的差壓輸出，達到標準風量測量裝置的 2.5 倍以上；
• 適合各類鍋爐大管徑、 低流速、短直管段的風管風道流速測量。

<技術優勢>

 <主要用途>

可用于各種鍋爐煤粉管道以外的各種風速、風量測量：

• 一次風、二次風風量測量、鍋爐煙氣管道內煙氣測量 ；
• 送風機入口或出口總風量測量；增壓風風量測量；
• 雙進雙出筒式磨煤機（ＢＢＤ）中的風量測量；
• 中速磨煤機入口風煙氣測量；
• 循環流化床鍋爐所有風管風道風速煙氣測量；
• 其他需要測量氣體流量的場所。

<裝置選型>

對直管足夠長（上游不小于10倍的當量直徑，下游不小于3倍的當量直徑）的矩形風道，可以參照以下表格選擇探頭的數量。當直管段較小時，應酌情增加探頭的數量。 

對于直管足夠長（上游不小于 10 倍的當量直徑，下游不小于 3 倍的當量直徑）的圓形管道一般采用單支探頭，探頭上的流速傳感器數量和分布形式根據 ISO3966:1997 《封閉管道中流體流量的測量 -采用皮托靜壓管的速度 - 面積法》標準確定。但當直管段較小時，可采用十字交叉方式插入 多支探頭，各取壓探頭距離根據管徑最小200mm最大300mm 防堵多點式風量測量裝置可以根據以上原則進行選型。

鐵嶺電廠一次風量測量應用方案

根據鐵嶺電廠一次風機進口側的風管布置特點，我們對其流場特點進行分析，并確定基于BTB®系列防堵多點式風量測量裝置的測量方案。

<鐵嶺電廠一次風側流場特點>

使用有限元分析軟件對一次風側的流場進行分析，其一次風機進口側的幾何結構和網格如下：

在設定的正常工況下，風管內壓力分布呈現如下特點：

在橫管處的壓力分布（橫截面）如下：

此時風管內的風速分布如下（縱截面）：

在橫管處的流速分布（橫截面）如下：

風管內空氣密度分布如下：

在進口側由上端一段水平管段（長度/直徑比低于3）后連接約4米的縱向管段后縮徑進入風機入口，從速度場和壓力場可以看出在該管道中流場分布極不平衡，不論縱截面還是橫截面均呈現明顯的不均勻，單一測點或少數測點難以保證計量精度。

從計算結果可以看出，風機進口側的流場分布十分不均勻，傳統的流量計很難精確計量。

現階段使用的彎管流量計通過測定彎管處的高低壓差反推計算流量，這種測量方式從理論上盡管是可行的，但由于彎管出口側離風機進口距離極其接近，導致彎管側的流場極不穩定，加之堵塞和磨損等問題的存在，導致彎管流量計計量精度難以保證。

<測量方案及適用性>

針對鐵嶺電廠一次風測量的需求和流場特點，推薦使用我公司開發的BTB®系列防多點列式風量測量裝置方案。該防堵多點式風量測量方案結合多點測量和BTB®防堵設計，使其在一次風量測量應用中優勢明顯。

測量方案描述：

• 基于流場特點采用多點測量布置，并選用BTB防堵型探頭；
• 根據流場情況加裝穩流裝置，使流場穩定從而提高計量穩定性和計量精度；
• 使用標準皮托管對管道內介質進行多點監測，校準流量計。

根據設計參數和圖紙，管道布置在鍋爐兩側，直管段不足，因此采用6支探頭即可滿足測量要求。推薦型號：BTB-R-1400-A-200-6。

對加裝穩流裝置后風機進口側流場進行分析，其幾何結構如下：

其有限元分析網格結構如下：

由于使用防堵耐磨型BTB®流量計，可使由于堵塞和磨損導致的計量誤差降至最低，我們從流場分布的角度對本系列流量計應用進行說明。

在其他工況參數不變更的情況下，在加裝隔板后的風管中壓力分布呈現如下特點（縱截面）：

此處可以看出，由于隔板厚度有限，在保證流場分布均勻的需求下引入風阻十分有限。其各隔板內的壓力分布（橫截面）如下：

此時風管內的風速分布如下（縱截面）：

風管內流速呈現如下特點（橫截面）：

風管內空氣密度（橫截面）如下：

計算結果證明多點測量和穩流裝置的應用對計量精度的保證有明顯的幫助，考慮到流量計的一次原件計量精度為5‰的高精度特點，穩流裝置的應用保證了流場均勻性，結合BTB®流量計可定期在線或離線校準的特點，總計量精度可優于±1%以內。

根據流暢狀態，我公司選型供貨范圍：

BTB-B1N（耐磨）傳感器4臺

導流裝置1套

差壓變送器1臺

三閥組1套

填料函連接裝置4套