多喉径流量计在锅炉燃烧系统中的应用

冯 璐

(华陆工程科技有限责任公司，陕西 西安 710065)

0 引言

工业锅炉主要为工业生产提供工艺蒸汽，为社会大众提供热水，是工业的必须消耗品［1］。随着我国社会经济的发展，对于能源的消耗越来越大，《第十一个五年规划纲要(全文)》要求在“十一五”末，单位国内生产总值能源消耗降低20%左右，并着重提出发展“区域热电联产”，这就对工艺设备及其自动控制水平提出了更高的要求。在国家“十二五”规划当中，“区域热电联产”仍然是发展的重点之一。

热电联产中，锅炉燃烧控制系统是实现能耗降低的关键，而对风量的精确测量，实现风煤量的最佳比例是当前的研究应用趋势。本文结合某大型化工项目配套的锅炉热电联产装置，详细介绍了多喉径流量计在热电联产锅炉风量测量中的应用。

1 锅炉燃烧控制系统

锅炉燃烧系统分为主蒸汽压力控制、烟气氧含量控制(送风调节控制)、炉膛负压控制这3个自动控制子系统［2］。锅炉燃烧控制系统结构图如图1所示。

图1 锅炉燃烧控制系统结构图Fig.1 Structure of the boiler combustion control system

3个自动控制子系统分别控制3个调节变量即燃料量、送风量(包括一次风，二次风)和引风量，以维持3个被调量即主蒸汽压力、含氧量和炉膛负压。主蒸汽压力的变化会引起燃料量和送风量成比例的变化。送风量和燃料量的变化又直接影响炉膛负压的变化。通过调节引风挡板改变引风量，使炉膛负压保持在一定的范围内，其原理如图2所示。

图2 锅炉燃烧控制系统原理图Fig.2 Schematic diagram of the boiler combustion control system

3个自动控制子系统互相关联，互相协调构成一个复合控制系统。锅炉燃烧控制系统是实现锅炉安全经济运行目标的有效手段［3］，其中，准确的一次风及二次风流量测量有助于选择最佳燃烧工况和精确的风量调节，显著提高锅炉运行的安全性和经济效益，符合国家大力倡导的节能减排、提高效率的工业要求。

2 风量测量特点

风量是锅炉安全经济运行的重要参数，风量的大小直接影响着燃料量和引风挡板的开度，进而影响锅炉主蒸汽的正确调节。若要使风量控制在合适的范围内，就必须对风量进行有效精确的测量。锅炉风道多为矩形大管道，管道中流体的状态不断变化，锅炉运行过程中风量的大小也会根据需要进行调整。早在1926年，Nikuradse就对流体在矩形管道中的流动性能进行了测试，其等速流场如图3所示［4］。

图3 等速流场Fig.3 The constant velocity flow field

风道流量具有流体性质多样、管路系统多样、流动状态多样、直管段短、管道口径大、流体中又常伴有灰尘和烟雾的特点，所以现在常用的测量烟气流量的流量计基本都是基于“速度-面积”法原理，即通过测量封闭管道计量横截面的面积和流过该计量横截面的轴向流体平均流速，从而计算出体积流量。

基于锅炉风量测量的复杂性和重要性，目前研究人员对锅炉风量的准确测量做了大量的研究和试验，提出了许多可行实用的测量方案。本文着重介绍多喉径流量计。

3 锅炉风量测量装置

目前，市场上关于锅炉大管道烟风流量测量的装置有很多，多以差压式流量计为主［5］。通过对比整理，并结合某大型化工厂配套热电联产锅炉风量测量系统的应用实例，对几种常用流量计介绍如下。

3.1 插入式多喉径流量计

本设计采用的是插入式多喉径流量测量装置。根据现场工艺条件的不同，分为双喉径和多喉径两种。双喉径适合应用于直管段较长、流场稳定的场合，多喉径适合应用于直管段较短、流场不太稳定的场合［6］。

插入式多喉径流量计用于测量锅炉风量，测量元件按航空发动机模型设计。当介质进入内部整流段，使流体充分发展为絮流状态，并通过设置取出高压，在流体进入喉部最小处时，由于流速提高、静压降低，此处取低压;而经过外导流管的流体，通过外提速段，在内扩散段的末端形成负压区，实现对中心流的抽吸和引流作用，使测量的喉部静压进一步降低，从而达到信号放大及稳压的目的。因此，插入式多喉径流量计具有差压值大、压损小、精度高、测量信号稳定的特点。对直管段的要求不高、对流场的稳定性没有要求的场合如低压、大口径、异形管，采用多点双喉径流量装置优势更为突出，且防堵性能好，安装方便，可在管道上开孔直接安装，适合于锅炉燃烧系统的风量测量。插入式多喉径流量计结构如图4所示。

图4 插入式多喉径流量计结构图Fig.4 Structure of the insertion multi-throat diameter flow meter

体积流量和质量流量表达式为:

式中:A为管道内截面积;W为结构系数;I为流速分布系数;ΔP为输出差压;ρ为介质密度;n为流量指数;KV为体积流量系数;Km为质量流量系数;QV为体积流量;Qm为质量流量。

3.2 双文丘里管流量计

双文丘里测速管是一种用于锅炉大口径烟气管道的流量测量元件，其结构如图5所示。它的外文丘里管起诱导整流作用，内文丘里管是一次传感元件［7］。

图5 双文丘里管结构图Fig.5 Structure of dual Venturi tube

双文丘里管流量计的主要特点是阻力损失小、差压信号大、性能较稳定、量程范围较宽、防堵性好。但该仪表在使用过程中要求有一个较稳定的流场，并且有一定的前后直管段要求。

3.3 威力巴流量计

威力巴流量计结构如图6所示。

图6 威力巴流量计结构图Fig.6 Structure of Verabar flow meter

威力巴流量计的工作原理是迎流面测量的是动压，背流面测量的是静压，利用测量流体的动压与静压之差来测量流量。其特点是压损小、量程比大、精度高、开孔小、安装方便;但锅炉风道流体中常含有灰尘和烟雾，影响威力巴流量计的测量，另外差压值较小，影响流量测量精度。

3.4 几种风量测量装置的比较

锅炉风道常含有灰尘，威力巴类流量计对于介质中含有的颗粒难以清扫，插入式多喉径流量计属于贯穿式测速方式，介质流体对取压口进行连续冲刷。由于颗粒所具有的动能，减少了灰尘停滞的机会，从而使该流量计具有较好的自清扫功能。同时由于锅炉的风道一般都是弯直连接的，造成管道内流体的流场状态分布呈涡流状态。这些工况都不符合一般的流量计对流场的要求，而多喉径流量计具有内置的直管段，可以大大缩短前后直管段的要求和对流体状态进行整流。各种风量测量装置比较如表1所示。

表1 各类风量测量装置比较Tab.1 Comparison of various types of air flow neasurement devices

从表1可以看出，插入式多喉径流量装置具有耐磨防堵性好、精度高、差压信号可靠、直管段要求较小等特点;另外，它的压损只有标准文丘里测量装置的10%左右，而双文丘里管流量装置的压损是标准文丘里测量装置的15%，这为工厂的运营减少了能量损失，节省了大量的运行费用。长期综合来看，插入式多喉径流量测量装置能很好地适用于锅炉风量测量的复杂工况。多个工程的使用表明，该装置带来了一定的经济效益和社会效益，值得大力推广。

4 结束语

当前，国家正在大力推行节能减排工作，锅炉作为高能耗产品面临的节能减排压力十分巨大［8］。锅炉运行的安全性和经济性主要取决于锅炉燃烧系统［9］。其中风量的精确测量能够减少燃料的损耗，提高燃烧效率，从而减少有害尾气的排放，达到节能减排的要求。因此，风量的准确测量是关键。在某大型化工项目配套的锅炉热电联产工程设计中，选用了插入式多喉径流量装置，其性价比高、综合功能好，得到了业主的充分认可。但是由于锅炉工况的复杂，还需要研究人员和工程运行人员的不断研究和创新。

［1］赵钦新，周屈兰.工业锅炉节能减排现状、存在问题及对策［J］.工业锅炉，2010(1):1 －6.

［2］方声丑.高炉煤气燃烧锅炉控制系统的优化［J］.浙江冶金，2008(8):1－3.

［3］田彬.电厂锅炉燃烧控制系统的研究［D］.保定:华北电力大学，2007.

［4］毛新业.矩形大管道的风量测量［J］.自动化仪表，2000，21(3):11－13.

［5］孙金玲.普光气田天然气计量仪表的选择和设计［J］.自动化仪表，2009，30(3):73 －75.

［6］孟建刚，徐晓东，王晓被，等.插入式多喉径流量测量装置在大型 CFB 上的应用［J］.内蒙古电力技术，2006，24(s1):51－53.

［7］严文福，宁方青.煤气计量和检测仪表的合理选择［J］.燃料与化工，2004(7):14－16.

［8］王善武，吕岩岩，吴晓云，等.工业锅炉行业节能减排与战略性发展［J］.工业锅炉，2011(1):1－9.

［9］吴华.锅炉控制系统研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2005.