火电厂锅炉一/二次风速测量技术的现状与发展

程启明 程尹曼 汪明媚 王映斐

(上海电力学院电力与自动化学院，上海 200090)

0 引言

一/二次风速作为电站锅炉燃烧调整的重要参数，在锅炉的安全、经济运行中起着重要作用。准确的风速测量有助于选择最佳燃烧工况和风量调节，提高系统的安全性和经济效益。多年来，司炉一般通过肉眼看火、风道静压显示、风门挡板开度调节等传统监测手段来调整锅炉燃烧。这种方法虽然简单、直观，但不能直接、准确地监测到锅炉一/二次风的风速，燃烧调整仍处于靠感觉、凭经验的状态，无法有效地监测和调整炉膛内燃烧工况。因此，可能会使锅炉配风不均，甚至引起火焰中心偏斜，燃烧不稳，从而导致熄火放炮、局部结焦及炉管爆漏等后果，降低锅炉热效率。所以，可靠、实时的监测锅炉风速是十分重要的。

火电厂风速测量存在直管段短且风道空间布置复杂、返料风流速较低且管径较小等缺点，并受气流性质、管路系统以及流动状态多样等多种影响因素，因此电站锅炉风速测量难度较大。目前测风技术种类很多，特点各异，本文将分析比较当前国内电站锅炉风速在线监测技术，介绍各种技术的特点、应用情况以及锅炉风速测量技术的发展趋势。

1 常用差压式风速测量技术

目前，流量计有100多种，其中差压式流量计在工业应用较为广泛，锅炉风速测量也普遍采用在风道中安装差压式流量计来测量风速。这种仪器是利用风速与压差间的关系间接计算出风速。

1.1 喷嘴

标准喷嘴由二段圆弧形收缩段和圆筒形段组成[1]，它是一个孔径逐渐减小的流道，孔径最小的流道部分称为喷嘴的喉部。文丘里喷嘴的喉部后有孔径逐渐扩大的流道，临界流文丘里喷嘴的喉部气流速度达到临界速度(即音速)，其流速只与上游压力有关而与下游压力无关，流出系数只与雷诺数有关。喷嘴测量仪经典成熟且已标准化，无需实流校准;结构简单、体积小;没有可动部件，准确度较高、性能稳定、重复性好;喷嘴入口为光滑曲面，不易磨损，流出系数非常稳定;压损比孔板小一半多;对测试气体的洁净度要求不高。但它制造成本高;安装较难、工艺复杂;压损较大;负压侧的取样孔因局部涡流的影响易堵塞;需要直管段较长。因此，此测量仪很少直接应用于电厂现场，常用作气体流量的传递标准或标定其他气体流量的仪表。

1.2 孔板

标准孔板是一块加工成圆形同心的[2]、具有锐利直角边缘的薄板。充满管道的气体在流经管道内的节流孔板时，流束将在节流件处形成局部收缩，使气速增加，静压力降低，孔板前后产生静压力差。通过测量此差压，就能确定流过孔板的流速。孔板测量仪经典成熟且已标准化，无须实流标定;结构简单、便于制造、方便维护;通用性强、性能稳定可靠;价格低廉、使用寿命长。但它易积污、磨损、压损很大，且由流体冲刷引起的边缘磨损会导致测量精度下降，需要定期维护;加工精度和安装要求较高，安装费时费力;量程较小;测量重复性和精确度一般;要求直管段较长;易产生泄漏、堵塞、冻结及信号失真等故障。因此，此测量仪难以在电厂现场长期使用，常用作气体流量的传递标准。

1.3 毕托管

毕托管利用垂直装在支杆上的圆筒形测量头[3]，正对流向的端部孔测出流体全压，再由环绕其圆周的多个侧面孔测出流体静压，根据此差动压便可推算测点流速。毕托管测量仪结构简单，使用、制造方便;抽样标定容易，可用于标定仪表;价格便宜，坚固耐用;测量较高气速时精确且分辨力好。但由于其属于接触式测量，全压孔需正对风向，且其静压孔尺寸较小，所以仪器本身对风场影响较大;结构脆弱，不宜在工业现场长期使用;压差较小，不宜远传，当气速较低时，压差更小，灵敏度低，难以精确测量;不适合测量含烟尘气体的风速;要求测量截面上下游直管段较长，上游≥5～7D、下游≥2～3D(D为测量管内径);属于单点测量，至少要测20点才可求出较高精度的均速，工作量大。此仪器适用于气体流量实验室或工业流量计定期检定标准，尤其适合利用网格法大管道气体的大速度测量。

1.4 靠背管

靠背管由两根端面与水平面成75°的管子背靠背焊接而成[4]，两开口面成 180°对称布置，一面迎向气流作为全压感压孔，另一面背向气流作为静压感压孔。将靠背管安装在管道或风箱上，其探头插入管内，当管内有气流流动时，通过计算迎风面管内的全压和背风侧管内的静压之间的差压，可算出管内气速。靠背管测量仪结构可靠、安装方便、维护容易、调节整定简单;靠背管开口较大，不易堵粉，且对气流的偏斜敏感度很小，不会引起明显的误差。但它属于单点测量，无法解决流场不均匀性造成的测量误差，至少需要测量20点才可求出较好精度的平均流速;要求测量截面上下游直管段较长，上游≥8～10D、下游≥1～3D;属于非标准测压管，它的结构型式和加工精确度各不相同，使用前必须逐个标定。此仪器适用于含尘气体及大管道气体的速度测量，可用于电厂一/二次风速测量。

1.5 均速管

均速管由全压管和静压管组成[5]。全压管上的测压孔是迎着来流方向布置，而静压管上的测压孔是背着来流方向或与之平行，测出平均动压(差压)，就可计算出平均流速。按取压方式的不同，均速管可分为笛型管、双笛型管和阿牛巴管等几种。其中笛型管是一根或数根横穿管道截面的中空细金属管，在管子的迎风面开一排全压感压孔。双笛型管是将全压侧管和静压侧管点焊在一起，全压管的迎流面开有一排全压测孔，静压管背面开有一排静压测孔。阿牛巴管是一种沿直径方向插入圆形、菱形、椭圆形、扇形和机翼形等断截面管道的均速管。威力巴管采用了根据空气动力学原理设计的子弹头外形，具有良好防堵能力。均速管测量仪用于多点测量，即一次测量沿一直线或曲线上多点流速的综合值来确定平均流速，准确度较点测量方式好;压损小，仅为孔板的1/10左右;结构简单、制造容易、价格低廉;安装简单、维护方便;由于多个检测孔的均压作用，降低了对直管段的管径要求，一般≥25 mm;在充分发展紊流的流场中，准确度及稳定性较好;早期产品易堵塞，后期的威力巴管解决了易堵塞的弊端，威力巴管具有防堵塞、低压损、高精度、易安装、免维护及长寿命等特点。但它测量截面前后要有一定长度的直管段，直管段≥7～25D;感压孔易堵塞，被测流体应是不含污秽、沉淀物的洁净流体;属于非标准型节流装置，产品需单独标定;差压较小，精度较差，特别是流速较低时，误差更大，对变送器的要求很高;受安装精度、流场的脉动和不均匀性影响较大。此仪器适合测量于安装在较小管道或矩形管道中，常被用于电厂返料风量的，也用于锅炉一/二次风量及蒸汽流量的测量。

1.6 文丘里管

经典文丘里管由入口圆筒段[6]、收缩段，喉部、扩压段和出口段五部分组成。文丘里管的流道截面形状是一个先收缩后扩张的圆形管子，空气由左向右在管内流动，由于管道的截面不同，气束将在节流件处形成局部收缩，因而气速增加，静压力降低，在节流件前后间产生压差，由压差的大小就可计算出流速。文丘里管分为风道式、单管、变管、内管及双管等多种文丘里管。其中，风道式文丘里管把整个风道做成文丘里形式，从入口及喉部分别引出静压测点，取其压差进行流速测量。该装置作为风道的一部分，成本低、安装方便、压差稳定可靠，对气流条件适应性强，但尺寸较长、占用空间大，且信号放大较小、压损大，增加了风机电耗。单文丘里管就是普通的标准文丘里管，它分为收缩段、喉部和扩压段部分，负压测点就是从喉部引出，与风道内的静压或全压形成压差进行风量测量。单文丘里管属于点测量，体积小、阻力小、安装方便，但对风道气流条件要求较高，直管段需较长，放大倍数低。文丘里管出现过矩型、Dall型等多种改进外型，矩型有良好的特性，但压损过大，管很长，而Dall型虽比标准文丘利管短、压差大、压损小等，但要求更长的直管段。内文丘里管是由特型芯体与测量管内壁间的环形间隙形成节流通道[7]，其节流件设置在标准管段内，其圆锥收缩段可以均衡流速并减少压损。此仪器测量稳定性好，不确定度优;对被测介质适应能力强，可测量各种流体;不积污、不易堵塞;测量范围度宽，不用二次修正;适用雷诺数范围宽;对上下游直管段要求低，一般上游≥1.5D、下游≥1D;压损为孔板的1/3。但加工要求高，价格较高，流量系数受加工精度和实际磨损程度影响大;属于点测量，要求流场稳定或流动相似;如要求高测量精度，则必须配置高性能的差压变送器;分流严重。

双文丘里管是由两只大小不同[8]、型线相似的圆形文丘里管同心套装在同一轴线上，小文丘里管插在大文丘里管中，能够使差压信号增大，其负压测点取在内文丘里喉部，通过该信号与风道内气流的静压或全压比较产生压差进行测量。它的输出差压大、灵敏度高;差压与流速的线性关系较好，准确度较高;压损小，只占差压1%;结构简单、体积小、重量轻、安装方便;对测量直管段要求不严格。但它属于点测量，要求流场稳定或流动相似;一般所处位置并非管内平均流速点，准确度难以达到3%;压差波动大，要求流场更加稳定;设计和加工较难，成本较高;粉尘及黏稠物在其取压管内沉积结垢，难以清除，维护量大。文丘里管已越来越多地在电厂的一/二次风量测量和大口径管道的风速测量中采用。

1.7 机翼型测速装置

机翼型测风装置是由多个全机翼[9]、取样传压管及一段矩形风道构成。当气流流经机翼测量装置时，在翼型表面形成绕流而产生压差。该压差与风道内的流速之间有一定的关系。常用的机翼型装置有平板型、三曲线型、流线型三种不同截面型式。其中，平板型由翼头半个圆柱体与两块平板相切组成;三曲线型由三条具有一定比例关系的弧线相切组成;流线型由翼头圆柱体与两块符合流线曲线的凸形拱板相切组成。此机翼型测速装置压差大、灵敏度高和稳定性好;压损较小;上下游所需直管段较短，一般上游≥0.6D、下游≥0.2D;制造容易，安装维护方便。但它测压孔多、结构复杂，造成一定的压损，运行成本较高;易堵塞，导致测量不准;属于非标准装置，产品需要做标定;属于风道型设备，体积大、造价高、搬运困难。此法适用于低流速、大管径、矩形截面、纯净流速测量，可用于大容量锅炉大截面一/二次风风速测量。

1.8 弯管测速装置

弯管测速原理是流体通过弯管时[10]，由于受弯管的约束被迫在弯管内作近似圆周运动，流体在作圆周运动时产生的离心力作用于弯管的内外两侧，这时外管壁的压强大于内管壁的压强，在弯头的内外圈产生静压差，由压差与流速间的关系可得到流速。弯管测速装置对上下游直管段的要求较低，上游≥2～3D、下游≥1D;弯头法直接焊接在管道上，安装简单可靠;弯头角度对测量结果无影响，可充分利用现场已有弯头，节省安装费用;可靠性和精度较高;由于测量的是静压，解决了测量元件的磨损问题，且静压测管简单可靠、成本低、寿命长;适应性强，可在高温/高压/高浓度及其它恶劣环境下使用。但它输出差压小，测量精度不高;属于非标准测量，流量系数很难统一，难于标准化;属于点测量，要求流场稳定或流动相似;压损大，易泄漏，维修困难。此装置完全适应一次风速测量环境的需求，适用于各种送粉系统的风速在线监测。

2 新型的风速测量技术

随着传感测试技术发展，一些新型的气体流量计在风速测量中有着越来越广泛的应用。新型风速测量技术主要采用横截面式、热式质量、涡轮气体、涡街气体和超声波气体等流量计来测量风速。这些测量技术也都各有特点，它们已开始用于火电厂一/二次风速测量，但由于技术不成熟且成本较高等原因，目前还没有被广泛应用于风速测量中。随着技术的成熟和成本的降低，这些新的风速测量技术也会在风速测量上逐步推广应用。此外，还有插入式多喉径文丘利、V型锥、科里奥利及示踪法等新型流量计都有其特点，也可用于包括风速在内的气体流速测量。

3 风速测量技术发展与选用

风速测量技术的发展趋势可归纳为结构从繁、重到简、轻，向一体化发展;功能从单一到多种，向智能化、数字化、网络化发展;准确度从低到高，向高精度发展;量程从小到大，向量程自动调节发展;安装从繁到简，向免安装发展;校验从实校到干标，向自动校准发展;压损从大到小，向节能方向发展;现场测试条件从高向低;直管段从长到短;流体从单相到多相;测点从单点到多点;装置从接触式到无接触式;显示从模拟到数字;易堵性从易堵塞向自动清堵发展;可靠性和寿命从低到高;产品从共性向个性，向专用化发展。

用户选择测速装置时需要考虑的因素有测量装置的性能、流体的物理化学特性、现场安装条件及维护、寿命与成本费用等。尽管风速测量装置种类很多，但每种技术都各自的优缺点。因此，用户在选择时，不可能面面俱到，而应该针对电厂的风速测量特点，权衡利弊，最后的抉择一般是在成本与性能之间做平衡。

4 结束语

准确的电站煤粉锅炉风速测量有助于进行最佳燃烧工况和风量调节，提高安全性和经济效益。由于锅炉风速测量受到诸多因素影响，目前的测量技术还无法满足所有理想测量要求，每种技术各有特点和适用范围，因此这就要求技术人员首先必须熟悉各种技术的特点，并综合考虑相关影响条件，选择最合适的测量手段，以满足电站锅炉工程测量的要求。本文全面地介绍了当前各种风速测量技术原理与特点，对风速测量技术的选择有一定参考指导价值。

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