循环流化床锅炉炉膛密相区床压测点测量准确性研究

宋天阳

摘 要：测量循环流化床锅炉膛密相区的压力时， 高温流动的固体容易堵塞测压点和测量管线，影响锅炉的正常运行。本文对炉膛密相区测点堵塞原因进行查找分析，研究分析了自动压力补偿式防堵装置的工作原理，介绍正确安装测量装置避免各测点间测量误差，研究表明自动补偿式风压测量装置能够准确、连续和可靠进行床压测量监控。

关键词：循环流化床锅炉;压力补偿;防堵装置;床压测量

中图分类号： TK229.66            文献标识码： A            文章编号： 1673-1069（2016）30-187-4

0  引言

某发电公司装有2台由某公司（引进ALSTOM技术）制造480t/h 循环流化床锅炉，于2006年6月投产使用。该机组床压测点取样为锅炉厂附带的花瓶式防堵取压装置，在使用过程中一直存在测量偏差或者无法测量问题。为了确保机组安全稳定运行，解决机组正常运行时密相区床压测量不准确、测量装置堵塞等问题，决定对流化床锅炉密相区床压测点测量准确性展开研究。研究方向如下：

①循环流化床锅炉炉膛密相区床压测量不准原因;

②循环流化床锅炉炉膛密相区床压测量装置的选型论证;

③循环流化床锅炉炉膛密相区床压测量装置施工布置研究;

④补偿式风压测量防堵吹扫装置准确性研究。

1  查找密相区床压测量不准原因

在现场对该发电公司流化床锅炉炉膛密相区床压测量方式进行了调查研究，主要是对测点的安装位置、风压取压装置的选用、平时发生故障的现象等进行分析，现场存在如下测量不准问题：

①循环流化床锅炉密相区床压测量装置使用的是型号比较落后的花瓶式取压装置，由于密相区床压为正压且测量方式较为落后，此产品不适用循环流化床锅炉测量床压，在机组启动后容易发生堵塞，是测量不准确的主要原因;

②循环流化床锅炉炉膛密相区床压测点布置不合理，安装时未能完全安装图纸进行，在风帽上方、下方和同一水平方向均有布置，其测量装置安装角度也不尽相同，是测量不准确的重要原因;

③锅炉运行年数比较长，存在浇筑料磨损脱落现象，部分取压管已经长期暴露在炉墙浇注料外面，在高温、高磨损的情况下取压装置外露部分产生了沟、槽、凹和坑等磨损问题，这也是影响测量准确性的原因;

④炉膛密相区运行工况复杂，高温、高浓度及正压，床料向各个方向流动，而现有的取压装置没有吹堵功能，高温、高浓度的床料进入取压管后，就可能冷却堆积黏结在管壁上，长时间运行取压管就会慢慢堵塞;

⑤测孔光洁度达不到安装质量规范要求，有部分炉膛风压测量装置取压管倾斜度也不符合要求，个别炉膛密相区风压取压装置测量管伸入位置超出炉墙浇注料，导致磨损严重。

2  自动补偿式防堵测量装置测量精度研究

根据以上原因分析，不能准确测量炉膛密相区床压的主要原因是测量装置容易被堵塞。就循环流化床锅炉来说，炉内密相区床压为正压，流化状态的固体床料具有一般流体性质，流动的物料极易堵塞测压装置和测压管线，故采用常规的测量装置不能进行准确、可靠地连续测量。为确保压力测量真实、准确、可靠和连续测量，测量压力应采取压力补偿、防堵的方式进行，以提高压力测量的精度。

2.1 自动补偿式防堵风压测量装置的原理

目前技术比较成熟、使用比较广泛的是自动补偿式防堵风压测量装置，以某厂家的BFC系列补偿式风压测量防堵吹扫装置为例，该装置由三部分组成：防堵取样吹扫装置、压力补偿装置及流量、压力指示调节装置，如图1所示。

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图1  压力补偿、防堵测量系统示意图

压缩空气通过减压阀和气水分离器去除水分后稳压连续向测点反吹，使B测压点不发生堵塞现象，利用流体力学的动压补偿方法，消除因反吹扫空气在测量管线内流动而产生管内压差⊿P ，从而测出真实的压力值。B点的高温高浓度粉尘颗粒无法进入到取样管道，整个测量装置形成了一个完全与之补偿的工作区域，这就是压力补偿式风压测量防堵强吹扫装置的最大特点。

理想正压流体在有势体积力作用下作定常运动时，运动方程（即欧拉方程）沿流线积分而得到的表达运动流体机械能守恒的方程。对于重力场中的不可压缩均质流体，方程为p+ρgh+ρv2=c式中p、ρ、v分别为流体的压强、密度和线性速度;h为铅垂高度;g为重力加速度;c为常量。上式各项分别表示单位体积流体的压力能p、重力势能ρgh和动能ρv2，在沿流线运动过程中，总和保持不变，即总能量守恒。对于气体，可忽略重力，方程简化为p+ρv2=c（常量），各项分别称为静压、动压和总压。显然，流动中速度增大，压强就减小;速度减小，压强就增大;速度降为零，压强就达到最大（理论上应等于总压）。

压力变送器的取样点A到测压管B之间，流体进入管道中的气体流动受到阻力时，将产生一定的压降⊿P，根据流体的性质Δp=ρδv2/g;式中：V为气体的流速（与流量成正比）;g为重力加速度;δ为修正的阻力系数（这个系数与管子的材料、管径、光洁度及长短有关系，对于已确定的风压测量装置可以认为系数不变）;ρ为流动气体的密度（可以认为不变）。

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图2  自动补偿式风压测量装置补偿原理图

根据图2示意图，对自动补偿式风压测量装置补偿原理进行推导：从数学模式中推导分析，从理论上认识压力补偿器测量、防堵、吹扫的原理：

∵ p1+ρv=p2+ρv

∴ Δp补偿=p1-p2=ρ（v-v）

要使Δp补偿=Δp阻力即p2=p3

则ρ（v-v）=ρδv/g

推导出v=v（1+δ/g）

∵ Q=S1v1=S2v2

∴ S2=S1/

设k=1/

则S2=kS1

从以上推导可以知道：对于确定的风压测量装置来说，δ为修正的阻力系数可以认为是常数，则k=1/为常数，所以管道截面积S2与S1存在固定的系数关系，对于某一确定的测量装置只要调整好测量装置的节流孔面积，就能使得△P补偿=△P阻力，与反吹扫压缩空气的流量无关，从而达到自动补偿的目的。

2.2 建立曲线图形分析

设补偿压力为Pb，调整节流孔面积，使Pb=-ρδv2/（2g），见图3中Pb曲线;设补偿后压力Pc，Pc=Pb+△P，见图3 中Pc曲线。

从曲线中看出图中Ⅳ～Ⅳ直线左侧补偿后压力Pc近似为零;另外在图中可以看出（根据厂家的经验数据）： I～I，直线右侧为不堵塞区，即流量大于1m3/h。Ⅲ～Ⅲ，直线右侧为不烧毁区，即流速大于2m3/h。Ⅳ～Ⅳ，直线左侧为补偿线性区，一般在直线I～I与直线Ⅳ～Ⅳ间调节流量值，补偿装置达到有效的工作状态。

在图1中：设压力变送器的取样点A压力为PA，测压管B点的压力为PB，则PA=PB+△Pc，因为自动补偿后Pc约等于0，所以A点压力PA等于B点压力PB，PA的值不受反吹扫气体流量、气源压力改变的影响。

3  测点安装布置，自动补偿取压装置施工技术规范

3.1 测点高度的确定

床压测点安装位置不当、测点堵塞会造成测量不准确。床压是循环流化床锅炉控制的一个非常重要的参数。一般所说的床压是指炉内密相区下部的床压。密相区下部床压测点安装的高度不同对同样的料层厚度其反映出的床压值是不同的。

本次测试的循环流化床锅炉料层静止层厚度为800mm，若把测点安装的靠近风帽顶部，离布风板近一些，能够测量的厚度就多一些，就准确些，但因为风帽有200mm的高度，若安装在风帽下面或者接近风帽高度的话，容易受到风帽风孔的影响，所以综合考虑，根据试验数据，密相区下部床压测点安装离布风板上表面距离为260mm测量较为准确。

3.2 如何保证测点安装布置

由于需要测量炉膛密相区床压，在不同高度的床压是不同的，所以需要减小取压点安装高度误差;循环流化床锅炉密相区浇筑厚度根据位置的不同而有所差异，前、后墙斜面的厚度要大于侧墙厚度，返料口附近的浇筑料要厚些，锥体的倾斜角度也不一样，为了保证取样装置在同一角度和高度，避免在炉膛内部浇筑后测点高度误差过大，因此在安装前应根据设计施工图纸确定同一层每一个测点的浇铸位置。床压测量装置的取压点高度误差应<10mm。

3.3 确保压力测点浇筑质量

当温度达到800℃以上时，插入炉膛内部的取压装置前端将变软，因此取压装置安装时应避免取样管插入炉膛内部，这为测点浇筑质量带来一系列问题。现在准备选用的自动补偿式风压取样装置的外径是18mm，可以用内径20mm的不锈钢取样管先埋在浇筑料里面，将不锈钢管前端缩回浇筑料20-50mm，前端缩回部分的浇筑料需光滑，在烘炉阶段风压自动补偿测量装置先不进行安装，待烘炉结束后再安装。这样施工安装及以后更换装置都比较方便，把风压测量装置插到预埋的不锈钢管内，根据深度安装牢固，最后将取压管尾部圆环焊在预埋管上，这样就能将取样装置固定且不漏风。

3.4 施工应参考遵循的技术规范

根据《DL/T_5190.5-2004电力建设施工及验收技术规范：热工自动化》中第4.3.3条规定，测量带有灰尘或气粉混合物等介质的压力时，应采取具有防堵和/或吹扫结构的取压装置。取压管的安装方向应符合下列规定：在垂直的管道、炉墙或者烟道上，取压管应倾斜向上安装，与水平线所成的夹角应该大于30o。第4.3.4条，风压的取压孔径应与取压装置外径相符，以防堵塞。取压装置应有吹扫用的堵头和可拆卸的管接头。第4.3.5条，压力取源部件的端部不得超出被测设备或管道的内壁（测量动压者例外），取压孔和取源部件均应无毛刺。

根据《DLT_5210.4-2009_电力建设施工质量验收及评价规程_第4部分：热工仪表及控制装置》烟、风、煤粉管道压力取源装置验收规定：测孔直径与取压管内径偏差0.5～1mm;测孔光洁度应光滑、无毛刺;炉膛取压伸入位置与炉墙内壁齐平;取压装置应严密不漏。

根据《DLT_1314-2014_循环流化床锅炉测点布置导则》5.2.3压力测定位置和数量中5.2.3.1中要求：测点布置分为两层，以布风板上表面为基准，下层压力取压孔高度为200～260mm。

3.5 自动补偿式风压测量装置设备安装使用规范

安装过滤减压阀和流量、压力指示调节装置的恒气流控制箱采用壁挂式安装，并应与水平面垂直安装，确保流量控制器正常指示。安装人员不可随意打开恒气流控制箱，更不能随意调节减压器和流量控制器。

管路连接应采用 14*2的无缝钢管、不锈钢管或金属软管，连接（焊接）前必须用压缩空气将管内的垃圾、尘埃吹扫干净，确保管内清洁。控制箱与测压点之间的长度不受距离限制。

恒气流控制箱的活络接头焊接时应拧下，以免高温损坏箱内的联络管路。

管路间有焊接的地方一定要焊好无漏气，连接部分加密封垫以确保各连接点无漏风现象。

吹扫取样头管路上：安装取样头末端与管道内壁齐平即可，炉膛上安装：一般与水平倾斜角度大于30度。炉膛外侧高于炉膛内侧，吹扫取样头前端缩回炉墙内保温层或水冷壁表面20～50mm。

4  自动补偿式风压测量装置试验数据

4.1 自动补偿式风压测量装置静态试验研究

表1  试验数据

[＼&压缩空气流量m3/h＼&压缩空气压力MPa＼&炉前左三

测得风压kPa＼&炉后左一

测得风压kPa＼&改变压缩

空气流量＼&0

0.5

1.0

1.5

2.0＼&0

0.1

0.1

0.1

0.1＼&-0.0756

-0.0753

-0.0751

-0.0745

-0.0815＼&-0.0417

-0.0420

-0.0401

-0.0453

-0.0480＼&改变压缩

空气压力＼&2.0

2.0

2.0＼&0.1

0.15

0.2＼&-0.0815

-0.0823

-0.0835＼&-0.0480

-0.0483

-0.0515＼&]

在某电厂#2循环流化床锅炉上安装了两组自动补偿式风压测量装置，在安装静态调校完毕后，对其测量准确性进行试验，试验步骤是分别改变压缩空气流量及改变压缩空气压力观察对测量结果的影响。试验时取压装置外面没有床料，相当于测量炉膛内部压力，当时试验时炉膛有一定的负压，试验数据在就地压力表、流量计及压力变送器上读取。

从表1数据可以看出，在风压自动补偿装置工作范围内，能够实现准确自动补偿、能够准确反映测量风压。

4.2 自动补偿式风压测量装置冷态试验

为了研究自动补偿式风压测量装置在密相区能否准确测量，项目组进行了冷态流化试验来观察测量特性，在床料流化后，自动补偿式风压测量装置测到的数据与常规的风压测量装置测到的数据相吻合，变化趋势、响应时间、数据稳定性与常规测量装置相一致。为进一步确认自动补偿式风压测量装置测量的准确性，在床料流化过程中，短时间把自动补偿式风压测量装置的反吹扫压缩空气全部关掉，DCS上显示的情况是在停止及投运压缩空气时抖动一下后，马上恢复原来测量值，所以该装置是能够准确测量风压的。

表2  流化时密相区试验数据

[＼&压缩空气流量m3/h＼&压缩空气压力MPa＼&炉前左三

测得风压kPa＼&炉后左一

测得风压kPa＼&停止反吹＼&0＼&0＼&3.61＼&3.52＼&改变压缩

空气流量＼&0.5

1.0

1.5

2.0＼&0.1

0.1

0.1

0.1＼&3.61

3.61

3.61

3.61＼&3.52

3.52

3.52

3.52＼&改变压缩

空气压力＼&2.0

2.0

2.0＼&0.1

0.15

0.2＼&3.61

3.61

3.61＼&3.52

3.52

3.52＼&]

4.3 热态运行观察

在某电厂#2循环流化床锅炉运行后，对装自动补偿式风压测量装置的床压测点进行了观察，自动补偿式风压测量装置测到的数据与常规的风压测量装置测到的数据相吻合，变化趋势、响应时间、数据稳定性与常规测量装置相一致，能真实地在线测量到各个测点的压力值。经过两个多月的试运行，自动补偿式风压测量装置运行稳定，没有发生高温状态压力测量管路堵塞和管路氧化烧毁等损坏的现象，而同期投运的常规测量装置已经有堵塞失效现象。

5  研究过程中总结的经验及过程中存在的问题

①自动补偿式风压测量装置解决了炉膛密相区床压测量装置堵塞的问题，能够在高温高浓度的环境下能够连续运行。

②施工安装不够规范，因为这次是研究，受到时间及现场实际空间限制，取压装置管道布置不是很规范，希望在整体改造时一并解决。

③测量位置的确定，因为利用#2炉停炉消缺期间进行研究试验，时间比较仓促，未参与试验研究的密相区床压的测点使用原有测点，在测点的高度位置方面没有选择;锅炉运行年数比较长，浇筑料存在磨损脱落现象，对测量也有一定的影响。

④建议气源分配控制装置的控制箱柜门改成有观察窗口的，方便巡检;柜门的锁建议改成旋转开启的，利于维护。

6  结束语

某发电公司循环流化床锅炉炉膛密相区床压测量使用自动补偿式防堵风压测量装置能够实现准确在线测量的要求;彻底解决了测量装置在多粉尘和高温状态下测压管路堵塞和氧化烧毁的问题，保证了设备和控制系统的正常连续运行;自动补偿式防堵风压测量装置能准确测量循环流化床炉膛密相区的床压变化，为运行人员通过床压值来指导判断热态运行时对炉内料层厚度的控制提供了依据，为锅炉安全经济运行提供了保障，也具备了锅炉优化燃烧、自动低床压燃烧的可行性。

参 考 文 献

[1] 岑可法.循环流化床锅炉理论、设计与运行[M].北京：中国电力出版社，1997.

[2] 虞江洲.BFC-系列补偿风压测量吹扫防堵取样装置[J].中国仪器仪表，2006.8.

[3] 李清波.循环流化床锅炉床压补偿监控技术的应用[J].电力建设，2004.7.

[4] 彭木生.压力补偿防堵测量装置的应用[J].江西电力职业技术学院学报，2007.12.