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發布日期： 2017-03-30
電廠鍋爐常用風量測量裝置的比較與應用
崔玉民
（華能濟寧運河發電有限公司，山東濟寧272057）
引言
隨著火力發電廠自動化水平的不斷提高，各電廠對風量自動調節投入率的要求也在提高。目前國內常用的風量測量裝置類型有：機翼型、文丘里、巴類（阿牛巴、威力巴）、全截面插入多點式自清灰風量測量裝置和熱擴散式等幾種。
鍋爐風量匹配合理，燃燒工況就會明顯改善，并且節約能源。對于燃燒過程來說，一、二次風量配風不均勻，會造成著火提前、燃燒器燒損、爐膛結渣等情況的發生。特別是一次風量過大會導致鍋爐滅火和造成燃燒系統的管道磨損，影響機組運行的穩定性和安全性。而風量測量對電站鍋爐運行的經濟性、安全性、環保水平等均有重要作用。
常用風量測量裝置原理及特點
目前國內常用的風量測量裝置類型有：機翼型、文丘里、巴類（阿牛巴、威力巴）、全截面插入多點式自清灰風量測量裝置和熱擴散式等幾種。上述常用的風量測量裝置除熱制式外，都是采用差壓式測量原理，其感壓體是一個帶有感壓空間，當風管內有氣流流動時，風量測量裝置的迎風面感壓空間受氣流沖擊，在此處氣流的動能轉換成壓力能，因而迎面管內壓力較高，其壓力稱為“全壓”，背風面感壓空間由于不受氣流沖壓，其管內的壓力為風管內的靜壓力，其壓力稱為“靜壓”，全壓和靜壓之差稱為差壓。差壓的大小與管內風量（速度）的大小有關，風量越大，差壓越大；風量小，差壓也小，風量的大小與差壓的大小成正比的關系。因此，只要測量出差壓的大小，再找出差壓與風量（速度）的對應關系，就能正確地測出管內的風量（速度）。
• 機翼型風量測量裝置原理及特點
機翼型風量測量裝置由機翼及一段矩形風道構成，為壓差型測量方式。感壓體是一個帶有感壓孔的空間，機翼式風量測量裝置測量的理論基礎是在充滿流體的管道中，固定放置一個流通面積小于管道截面積的節流件，則管道內流體在通過該節流件時就會造成局部收縮，在收縮處流速增加，靜壓力降低，在節流件前后將產生一定的壓力差。對于一定形狀和尺寸的節流件、一定的測壓位置和前后直管段、一定的流體參數情況下，節流件前后的差壓△P 與流量Q 之間關系符合伯努利方程。
機翼型風量測量裝置占用面積大，導致截流大，增加了風機電耗，不利于風機的節能，在熱風道含塵氣流測量中由于感壓孔灰塵只進不出，較容易堵塞。
• 文丘里風量測量裝置原理及特點
文丘里效應的原理則是當風吹過阻擋物時，在阻擋物的背風面上方端口附近氣壓相對較低，從而產生吸附作用并導致空氣的流動。把氣流由粗變細，以加快氣體流速，使氣體在文氏管出口的后側形成一個“真空”區，真空區靠近工件時會對工件產生一定的吸附作用。
其構造由等直徑入口段、收縮段、等直徑喉道和擴散段等組成，串聯于管路中。設入口段和喉道處流體平均流速、靜壓和管道截面面積分別為v1、p1、S1和v2、p2、S2，密度ρ不變，根據連續性方程S1v1＝S2v2＝Q和伯努利方程p1＋（1/2 ）ρv²1＝p2＋（1/2 ）ρv²2（假定管軸線水平），可導出流量Q=S2√（2/ρ）（p1-p2）/［1-（s2/s1）］²。
風道式文丘里風量測量裝置因阻力大、信號放大倍數較小等缺點目前已較少使用，文丘里風量測量裝置為壓差型測量方式，因在負壓測點取在內文丘里喉部，很容易堵塞。
• 巴類風量測量裝置原理及特點
巴類風量測量裝置是基于皮托管測速原理發展而來的一種流量傳感器，為壓差型測量方式。感壓體是一個帶有感壓孔的小空間，其灰塵只進不出，慢慢地沉積下來，時間一久就會逐步地堵塞取壓口，隨著時間地推移，堆積的高度越來越高，最終無法正常工作，需要重新吹掃后才能工作運行。所以平時的吹掃維護工作量較大，影響風量投自動，但在直管段比較理想和不含灰塵的情況下使用效果較好。
圖1、圖2、圖3分別是威力巴、阿牛巴、德爾塔巴等的探頭模型圖。
圖1 威力巴流體模型圖
圖2 阿牛巴流體模型圖
圖3 德爾塔巴探頭模型圖
由于電廠的熱風道沒有足夠的直管段，當機組負荷發生變化時，管道內的速度場也會發生相應的變化，會造成氣流不穩定，流場冷熱態差別大，從測量的準確性來說，對于熱二次風而言僅僅插入一組是肯定不夠的，從而會影響到測量的準確性和自動調節的投入率。
• 全截面插入多點式自清灰風量測量裝置原理及特點
全截面插入多點式自清灰風量測量裝置，在風道截面上嚴格按標準采用等截面多點測量原理，測量截面的平均速度，再根據各測量管道截面尺寸的大小、直管段長度等因素來確定測量點數。解決了含塵氣流風量測量中的堵塞問題，風量測量裝置本身具有利用流體動能進行自清灰防堵塞的功能，不需要外加氣體進行吹掃，無論氣體含塵濃度多大，均可長期運行且免維護。與其他流量計相比，插入式多點測量裝置最突出的優點是對直管段的要求比較低，在完全沒有直管段的情況下，為一種較好的測量方式。
全截面插入多點式自清灰風量測量裝置是基于靠背測量原理，感壓部件插入管內，當有氣流通過時，迎風面測量氣流的動能（全壓），背風側測量氣流的靜壓力（靜壓），全、靜壓差的大小與風量的之間有相互對應關系，利用這一原理正確測出管內風量。對于熱風和混合風中的含塵氣流的測量，要長期準確地測量出管內風量，首先要解決的是測量裝置的防堵塞問題。全截面插入多點式自清灰風量測量裝置增設了自清灰裝置，即在測量管的垂直段內懸掛了自清灰棒，該棒可以在管內氣流的沖擊下作無規則擺動，起到自清灰作用，圖4所示。
圖4 自清灰風量測量裝置
• 熱擴散式風量測量裝置原理及特點
熱擴散式風量測量裝置有溫度敏感元件，利用傳熱原理，其中加溫棒：（RTD）升溫活冷卻有一個過程，所以它的測量滯后性較大，不能快速、及時地反映風速、風量的變化。
圖5 熱擴散式風量測量裝置
熱擴散式風量測量裝置（圖5）只測了一個點的速度，并不能代表整個風道的平均速度，即使經過標定，得到修正，但當機組負荷發生變化時，管道內的速度場也會發生相應的變化，和原標定值不一樣，而標定試驗時也不可能在全部負荷下都做標定，其誤差無法消除。如果采取增加幾個測點的方法，那價格要成倍增加。熱擴散式雖然解決了含塵氣流風量測量中的堵塞問題，但價格較貴。
鍋爐測風測量點的布置
按照國家有關全截面測量點的布置規定，根據風道的大小進行等截面測量布點，且要求水平和垂直方向都要考慮測量點布置。例如：對于大截面風道（如熱二次風5000mm×4600mm），僅有幾個測量點是遠遠不夠的，為了提高測量的準確度，應在大風道截面上按國家標準采用等截面多點測量，測得截面的平均速度。測量裝置將多個等截面測量點在風道內進行連接，最后正、負壓側各引出一根總引壓管，分別與差壓變送器相連，以測得該截面上的平均風量，圖6所示。圖中“O”表示實際測量點和分布位置，共分成16個小截面，每個截面上都分別布置測量點。
圖6 等截面多點測量測點布置
計算數學模型
Q=KAf（ΔP,T，P）
式中：Q為風量；K為風量測量裝置系數；A為風量測量裝置安裝處的面積，m2；T為風量所對應的風溫，℃；ΔP為風量測量裝置輸出差壓，Pa；P為風量所對應的壓力，Pa。
上述數學模型對各風管的風量進行壓力和溫度的實時修正。根據各臺鍋爐的設計要求，風量Q的單位可以分別為m3/h，t/h或Nm3/h。
從上述數學模型中可以看出，風量值與風量測量裝置輸出差壓值之間為正比例的非線性關系。
全截面插入多點式自清灰風量測量裝置應用
華能濟寧運河發電有限公司3、4號鍋爐，由于風道布置受空間限制，改用全截面插入多點式自清灰風量測量裝置，由于在風道截面上嚴格采用標準的網格要求進行多點式布置、且測量裝置本身具備的自清灰和防堵塞功能，壓損很小，裝置性能可靠，取得了良好的使用效果，風量顯示穩定。
其中冷一次風量管道尺寸為Ф1020×4mm，采用了全截面9點布置，圖7所示。
圖7 冷一次風量管道測點布置
熱二次風量尺寸為5000mm×4100mm，采用了全截面16點布置，圖8所示。
圖8 熱二次風量管道測點布置
結語
根據改造后多年的使用情況來看，只要在改造施工過程中嚴格保證了風量、風速測量變送器取樣管嚴密，風量、風速測量裝置在運行中能夠準確測量。現在，只在每年的大小修中，對變送器進行校驗時安排對風量、風速測量裝置取樣管進行一次常規吹掃，即可保證其全年的正常運行。