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鍋爐一、二次風(fēng)速測量技術(shù)

2017-09-28 15:23:44

一、二次風(fēng)速作為電站鍋爐燃燒調(diào)整的重要參數(shù)，在鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中起著重要作用。準(zhǔn)確的風(fēng)速測量有助于選擇最佳燃燒工況和風(fēng)量調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)效益。

多年來，運(yùn)行人員一般通過肉眼看火、風(fēng)道靜壓顯示、風(fēng)門擋板開度調(diào)節(jié)等傳統(tǒng)監(jiān)測手段來調(diào)整鍋爐燃燒。這種方法雖然簡單、直觀，但不能直接、準(zhǔn)確地監(jiān)測到鍋爐一、二次風(fēng)的風(fēng)速，燃燒調(diào)整仍處于靠感覺、憑經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài)，無法有效地監(jiān)測和調(diào)整爐膛內(nèi)燃燒工況。因此，可能會使鍋爐配風(fēng)不均，甚至引起火焰中心偏斜，燃燒不穩(wěn)，從而導(dǎo)致熄火放炮、局部結(jié)焦及爐管爆漏等后果，降低鍋爐熱效率。所以，可靠、實(shí)時的監(jiān)測鍋爐風(fēng)速是十分重要的。

火電廠風(fēng)速測量存在直管段短且風(fēng)道空間布置復(fù)雜、返料風(fēng)流速較低且管徑較小等缺點(diǎn)，并受氣流性質(zhì)、管路系統(tǒng)以及流動狀態(tài)多樣等多種影響因素，因此電站鍋爐風(fēng)速測量難度較大。目前測風(fēng)技術(shù)種類很多，特點(diǎn)各異，本文將分析比較當(dāng)前國內(nèi)電站鍋爐風(fēng)速在線監(jiān)測技術(shù)，介紹各種技術(shù)的特點(diǎn)、應(yīng)用情況以及鍋爐風(fēng)速測量技術(shù)的發(fā)展趨勢。

一、常用差壓式風(fēng)速測量技術(shù)
目前，流量計(jì)有100多種，其中差壓式流量計(jì)在工業(yè)應(yīng)用較為廣泛，鍋爐風(fēng)速測量也普遍采用在風(fēng)道中安裝差壓式流量計(jì)來測量風(fēng)速。這種儀器是利用風(fēng)速與壓差間的關(guān)系間接計(jì)算出風(fēng)速。

1、噴嘴
標(biāo)準(zhǔn)噴嘴由二段圓弧形收縮段和圓筒形段組成，它是一個孔徑逐漸減小的流道，孔徑最小的流道部分稱為噴嘴的喉部。文丘里噴嘴的喉部后有孔徑逐漸擴(kuò)大的流道，臨界流文丘里噴嘴的喉部氣流速度達(dá)到臨界速度(即音速)，其流速只與上游壓力有關(guān)而與下游壓力無關(guān)，流出系數(shù)只與雷諾數(shù)有關(guān)。噴嘴測量儀經(jīng)典成熟且已標(biāo)準(zhǔn)化，無需實(shí)流校準(zhǔn);結(jié)構(gòu)簡單、體積小;沒有可動部件，準(zhǔn)確度較高、性能穩(wěn)定、重復(fù)性好;噴嘴入口為光滑曲面，不易磨損，流出系數(shù)非常穩(wěn)定;壓損比孔板小一半多;對測試氣體的潔凈度要求不高。但它制造成本高;安裝較難、工藝復(fù)雜;壓損較大;負(fù)壓側(cè)的取樣孔因局部渦流的影響易堵塞;需要直管段較長。因此，此測量儀很少直接應(yīng)用于電廠現(xiàn)場，常用作氣體流量的傳遞標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)定其他氣體流量的儀表。

2、孔板
標(biāo)準(zhǔn)孔板是一塊加工成圓形同心的、具有銳利直角邊緣的薄板。充滿管道的氣體在流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流孔板時，流束將在節(jié)流件處形成局部收縮，使氣速增加，靜壓力降低，孔板前后產(chǎn)生靜壓力差。通過測量此差壓，就能確定流過孔板的流速。孔板測量儀經(jīng)典成熟且已標(biāo)準(zhǔn)化，無須實(shí)流標(biāo)定;結(jié)構(gòu)簡單、便于制造、方便維護(hù);通用性強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠;價(jià)格低廉、使用壽命長。但它易積污、磨損、壓損很大，且由流體沖刷引起的邊緣磨損會導(dǎo)致測量精度下降，需要定期維護(hù);加工精度和安裝要求較高，安裝費(fèi)時費(fèi)力;量程較小;測量重復(fù)性和精確度一般;要求直管段較長;易產(chǎn)生泄漏、堵塞、凍結(jié)及信號失真等故障。因此，此測量儀難以在電廠現(xiàn)場長期使用，常用作氣體流量的傳遞標(biāo)準(zhǔn)。

3、畢托管
畢托管利用垂直裝在支桿上的圓筒形測量頭，正對流向的端部孔測出流體全壓，再由環(huán)繞其圓周的多個側(cè)面孔測出流體靜壓，根據(jù)此差動壓便可推算測點(diǎn)流速。畢托管測量儀結(jié)構(gòu)簡單，使用、制造方便;抽樣標(biāo)定容易，可用于標(biāo)定儀表;價(jià)格便宜，堅(jiān)固耐用;測量較高氣速時精確且分辨力好。但由于其屬于接觸式測量，全壓孔需正對風(fēng)向，且其靜壓孔尺寸較小，所以儀器本身對風(fēng)場影響較大;結(jié)構(gòu)脆弱，不宜在工業(yè)現(xiàn)場長期使用;壓差較小，不宜遠(yuǎn)傳，當(dāng)氣速較低時，壓差更小，靈敏度低，難以精確測量;不適合測量含煙塵氣體的風(fēng)速;要求測量截面上下游直管段較長，上游≥5～7D、下游≥2～3D(D為測量管內(nèi)徑屬于單點(diǎn)測量，至少要測20點(diǎn)才可求出較高精度的均速工作量大。此儀器適用于氣體流量實(shí)驗(yàn)室或工業(yè)流量計(jì)定期檢定標(biāo)準(zhǔn)，尤其適合利用網(wǎng)格法大管道氣體的大速度測量。

4、靠背管
靠背管由兩根端面與水平面成75度的管子背靠背焊接而成，兩開口面成180度對稱布置，一面迎向氣流作為全壓感壓孔，另一面背向氣流作為靜壓感壓孔。將靠背管安裝在管道或風(fēng)箱上，其探頭插人管內(nèi)，當(dāng)管內(nèi)有氣流流動時，通過計(jì)算迎風(fēng)面管內(nèi)的全壓和背風(fēng)側(cè)管內(nèi)的靜壓之間的差壓，可算出管內(nèi)氣速?？勘彻軠y量儀結(jié)構(gòu)可靠、安裝方便、維護(hù)容易、調(diào)節(jié)整定簡單;靠背管開口較大，不易堵粉，且對氣流的偏斜敏感度很小，不會引起明顯的誤差。但它屬于單點(diǎn)測量，無法解決流場不均勻性造成的測量誤差，至少需要測量20點(diǎn)才可求出較好精度的平均流速;要求測量截面上下游直管段較長，上游≥8～10D、下游≥1～3D;屬于非標(biāo)準(zhǔn)測壓管，它的結(jié)構(gòu)型式和加工精確度各不相同，使用前必須逐個標(biāo)定。此儀器適用于含塵氣體及大管道氣體的速度測量，可用于電廠一、二次風(fēng)速測量。

5、均速管
均速管由全壓管和靜壓管組成。全壓管上的測壓孔是迎著來流方向布置，而靜壓管上的測壓孔是背著來流方向或與之平行，測出平均動壓(差壓)，就可計(jì)算出平均流速。按取壓方式的不同，均速管可分為笛型管、雙笛型管和阿牛巴管等幾種。其中笛型管是一根或數(shù)根橫穿管道截面的中空細(xì)金屬管，在管子的迎風(fēng)面開一排全壓感壓孔。雙笛型管是將全壓側(cè)管和靜壓側(cè)管點(diǎn)焊在一起，全壓管的迎流面開有一排全壓測孔，靜壓管背面開有一排靜壓測孔。阿牛巴管是一種沿直徑方向插人圓形、菱形、橢圓形、扇形和機(jī)翼形等斷截面管道的均速管。威力巴管采用了根據(jù)空氣動學(xué)原理設(shè)計(jì)的子彈頭外形，具有良好防堵能力。均速管測量儀用于多點(diǎn)測量，即一次測量沿一直線或曲線上多點(diǎn)流速的綜合值來確定平均流速，準(zhǔn)確度較點(diǎn)測量方式好;壓損小，僅為孔板的1/10左右;結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價(jià)格低廉;安裝簡單、維護(hù)方便;由于多個檢測孔的均壓作用，降低了對直管段的管徑要求，一般≥25mm;在充分發(fā)展紊流的流場中，準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性較好;早期產(chǎn)品易堵塞，后期的威力巴管解決了易堵塞的弊端，威力巴管具有防堵塞、低壓損、高精度、易安裝、免維護(hù)及長壽命等特點(diǎn)。但它測量截面前后要有一定長度的直管段，直管段≥7～25D;感壓孔易堵塞，被測流體應(yīng)是不含污穢、沉淀物的潔凈流體;屬于非標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)流裝置，產(chǎn)品需單獨(dú)標(biāo)定;差壓較小，精度較差，特別是流速較低時，誤差更大，對變送器的要求很高;受安裝精度、流場的脈動和不均勻性影響較大。此儀器適合測量于安裝在較小管道或矩形管道中，常被用于電廠返料風(fēng)量的，也用于鍋爐一、二次風(fēng)量及蒸汽流量的測量。

6、文丘里管
經(jīng)典文丘里管由入口圓筒段、收縮段，喉部、擴(kuò)壓段和出口段五部分組成。文丘里管的流道截面形狀是一個先收縮后擴(kuò)張的圓形管子，空氣由左向右在管內(nèi)流動，由于管道的截面不同，氣束將在節(jié)流件處形成局部收縮，因而氣速增加，靜壓力降低，在節(jié)流件前后間產(chǎn)生壓差，由壓差的大小就可計(jì)算出流速。文丘里管分為風(fēng)道式、單管、變管、內(nèi)管及雙管等多種文丘里管。其中，風(fēng)道式文丘里管把整個風(fēng)道做成文丘里形式，從入口及喉部分別引出靜壓測點(diǎn)，取其壓差進(jìn)行流速測量。該裝置作為風(fēng)道的一部分，成本低、安裝方便、壓差穩(wěn)定可靠，對氣流條件適應(yīng)性強(qiáng)，但尺寸較長、占用空間大，且信號放大較小、壓損大，增加了風(fēng)機(jī)電耗。單文丘里管就是普通的標(biāo)準(zhǔn)文丘里管，它分為收縮段、喉部和擴(kuò)壓段部分，負(fù)壓測點(diǎn)就是從喉部引出，與風(fēng)道內(nèi)的靜壓或全壓形成壓差進(jìn)行風(fēng)量測量。單文丘里管屬于點(diǎn)測量，體積小、阻力小、安裝方便，但對風(fēng)道氣流條件要求較高，直管段需較長，放大倍數(shù)低。文丘里管出現(xiàn)過矩型、Dall型等多種改進(jìn)外型，矩型有良好的特勝，但壓損過大，管很長，而Dall型雖比標(biāo)準(zhǔn)文丘利管短、壓差大、壓損小等，但要求更長的直管段。內(nèi)文丘里管是由特型芯體與測量管內(nèi)壁間的環(huán)形間隙形成節(jié)流通道叫，其節(jié)流件設(shè)置在標(biāo)準(zhǔn)管段內(nèi)，其圓錐收縮段可以均衡流速并減少壓損。此儀器測量穩(wěn)定性好，不確定度優(yōu);對被測介質(zhì)適應(yīng)能力強(qiáng)，可測量各種流體;不積污、不易堵塞;測量范圍度寬，不用二次修正;適用雷諾數(shù)范圍寬;對上下游直管段要求低，一般上游≥1.5D、下游≥1D;壓損為孔板的1/3。但加工要求高，價(jià)格較高，流量系數(shù)受加工精度和實(shí)際磨損程度影響大;屬于點(diǎn)測量，要求流場穩(wěn)定或流動相似;如要求高測量精度，則必須配置高性能的差壓變送器;分流嚴(yán)重。

雙文丘里管是由兩只大小不同、型線相似的圓形文丘里管同心套裝在同一軸線上，小文丘里管插在大文丘里管中，能夠使差壓信號增大，其負(fù)壓測點(diǎn)取在內(nèi)文丘里喉部，通過該信號與風(fēng)道內(nèi)氣流的靜壓或全壓比較產(chǎn)生壓差進(jìn)行測量。它的輸出差壓大、靈敏度高;差壓與流速的線性關(guān)系較好，準(zhǔn)確度較高;壓損小，只占差壓1%;結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、安裝方便;對測量直管段要求不嚴(yán)格。但它屬于點(diǎn)測量，要求流場穩(wěn)定或流動相似;一般所處位置并非管內(nèi)平均流速點(diǎn)，準(zhǔn)確度難以達(dá)到3%;壓差波動大，要求流場更加穩(wěn)定;設(shè)計(jì)和加工較難，成本較高;粉塵及黏稠物在其取壓管內(nèi)沉積結(jié)垢，難以清除，維護(hù)量大。文丘里管已越來越多地在電廠的一、二次風(fēng)量測量和大口徑管道的風(fēng)速測量中采用。

7、機(jī)翼型測速裝置
機(jī)翼型測風(fēng)裝置是由多個全機(jī)翼、取樣傳壓管及一段矩形風(fēng)道構(gòu)成。當(dāng)氣流流經(jīng)機(jī)翼測量裝置時，在翼型表面形成繞流而產(chǎn)生壓差。該壓差與風(fēng)道內(nèi)的流速之間有一定的關(guān)系。常用的機(jī)翼型裝置有平板型、三曲線型、流線型三種不同截面型式。其中，平板型由翼頭半個圓柱體與兩塊平板相切組成;三曲線型由三條具有一定比例關(guān)系的弧線相切組成;流線型由翼頭圓柱體與兩塊符合流線曲線的凸形拱板相切組成。此機(jī)翼型測速裝置壓差大、靈敏度高和穩(wěn)定性好;壓損較小;上下游所需直管段較短，一般上游≥0.6D、下游≥0.2D;制造容易，安裝維護(hù)方便。但它測壓孔多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成一定的壓損，運(yùn)行成本較高;易堵塞，導(dǎo)致測量不準(zhǔn);屬于非標(biāo)準(zhǔn)裝置，產(chǎn)品需要做標(biāo)定;屬于風(fēng)道型設(shè)備，體積大、造價(jià)高、搬運(yùn)困難。此法適用于低流速、大管徑、矩形截面、純凈流速測量，可用于大容量鍋爐大截面一、二次風(fēng)風(fēng)速測量。

8、彎管測速裝置
彎管測速原理是流體通過彎管時，由于受彎管的約束被迫在彎管內(nèi)作近似圓周運(yùn)動，流體在作圓周運(yùn)動時產(chǎn)生的離心力作用于彎管的內(nèi)外兩側(cè)，這時外管壁的壓強(qiáng)大于內(nèi)管壁的壓強(qiáng)，在彎頭的內(nèi)外圈產(chǎn)生靜壓差，由壓差與流速間的關(guān)系可得到流速。彎管測速裝置對上下游直管段的要求較低，上游≥2～3D、下游≥1D;彎頭法直接焊接在管道上，安裝簡單可靠;彎頭角度對測量結(jié)果無影響，可充分利用現(xiàn)場已有彎頭，節(jié)省安裝費(fèi)用;可靠性和精度較高;由于測量的是靜壓，解決了測量元件的磨損問題，且靜壓測管簡單可靠、成本低、壽命長;適應(yīng)性強(qiáng)，可在高溫/高壓/高濃度及其它惡劣環(huán)境下使用。但它輸出差壓小，測量精度不高;屬于非標(biāo)準(zhǔn)測量，流量系數(shù)很難統(tǒng)一，難于標(biāo)準(zhǔn)化;屬于點(diǎn)測量，要求流場穩(wěn)定或流動相似;壓損大，易泄漏，維修困難。此裝置完全適應(yīng)一次風(fēng)速測量環(huán)境的需求，適用于各種送粉系統(tǒng)的風(fēng)速在線監(jiān)測。

二、新型的風(fēng)速測量技術(shù)
隨著傳感測試技術(shù)發(fā)展，一些新型的氣體流量計(jì)在風(fēng)速測量中有著越來越廣泛的應(yīng)用。新型風(fēng)速測量技術(shù)主要采用橫截面式、熱式質(zhì)量、渦輪氣體、渦街氣體和超聲波氣體等流量計(jì)來測量風(fēng)速。這些測量技術(shù)也都各有特點(diǎn)，它們已開始用于火電廠一、二次風(fēng)速測量，但由于技術(shù)不成熟且成本較高等原因，目前還沒有被廣泛應(yīng)用于風(fēng)速測量中。隨著技術(shù)的成熟和成本的降低，這些新的風(fēng)速測量技術(shù)也會在風(fēng)速測量上逐步推廣應(yīng)用。此外，還有插入式多喉徑文丘利、V型錐、科里奧利及示蹤法等新型流量計(jì)都有其特點(diǎn)，也可用于包括風(fēng)速在內(nèi)的氣體流速測量。

三、風(fēng)速測量技術(shù)發(fā)展與選用
風(fēng)速測量技術(shù)的發(fā)展趨勢可歸納為結(jié)構(gòu)從繁到簡、輕，向一體化發(fā)展;功能從單一到多種，向智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展;準(zhǔn)確度從低到高，向高精度發(fā)展;量程從小到大，向量程自動調(diào)節(jié)發(fā)展;安裝從繁到簡，向免安裝發(fā)展;校驗(yàn)從實(shí)校到干標(biāo)，向自動校準(zhǔn)發(fā)展;壓損從大到小，向節(jié)能方向發(fā)展;現(xiàn)場測試條件從高向低;直管段從長到短;流體從單相到多相;測點(diǎn)從單點(diǎn)到多點(diǎn);裝置從接觸式到無接觸式;顯示從模擬到數(shù)字;易堵性從易堵塞向自動清堵發(fā)展;可靠性和壽命從低到高;產(chǎn)品從共性向個性，向?qū)Ｓ没l(fā)展。

用戶選擇測速裝置時需要考慮的因素有測量裝置的性能、流體的物理化學(xué)特性、現(xiàn)場安裝條件及維護(hù)、壽命與成本費(fèi)用等。盡管風(fēng)速測量裝置種類很多，但每種技術(shù)都各自的優(yōu)缺點(diǎn)。因此，用戶在選擇時，不可能面面俱到，而應(yīng)該針對電廠的風(fēng)速測量特點(diǎn)，權(quán)衡利弊，最后的抉擇一般是在成本與性能之間做平衡。

四、結(jié)束語
準(zhǔn)確的鍋爐風(fēng)速測量有助于進(jìn)行最佳燃燒工況和風(fēng)量調(diào)節(jié)，提高安全性和經(jīng)濟(jì)效益。由于鍋爐風(fēng)速測量受到諸多因素影響，目前的測量技術(shù)還無法滿足所有理想測量要求，每種技術(shù)各有特點(diǎn)和適用范圍，因此這就要求技術(shù)人員首先必須熟悉各種技術(shù)的特點(diǎn)，并綜合考慮相關(guān)影響條件，選擇最合適的測量手段，以滿足電站鍋爐工程測量的要求。

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