火力发电锅炉机组大截面风道风量测量研究

弭尚文， ， ，,

(1.国家电投东北电力有限公司抚顺热电分公司，辽宁 抚顺 113000：2.哈尔滨工业大学,黑龙江 哈尔滨 150001)

在火力发电锅炉机组的运行过程中，需要对一次风、二次风、脱硫脱硝、烟道等部位的风量进行测量，在此基础上进行锅炉风量管理。良好的风量管理可以提高锅炉的运行效率，降低排放污染。尽管如此，由于锅炉风量测量在技术上一直没有解决好，风量管理仍是目前锅炉运行技术中的薄弱环节，所以对锅炉风量测量的研究有很重要的意义[1-3]。

在技术上，锅炉风量测量是属于大截面风道风量测量的技术问题。由于大截面风道风量测量与一般的管道气体流量测量相比有特殊性，为了测量准确，需要进行一些具体研究。

1 大截面风道风量测量

由于风道截面尺寸大，在测量风量时，与一般的气体流量测量不同，其测量有以下特点：(1)大截面风道尺寸比较大，一般没有足够的直管段，风道内气体流速分布畸变很大； (2)一般大截面风道内支撑较多，使得风道内气体流速分布不均匀加剧；(3)风道内气流漩涡较多；(4)一般大截面风道内气体流速较低、压力也不大；(5)风道内控制气体流量的风闸难以关严，所以即使没有向风道内送风，风道内也有气体流动。

在选择风量测量方式时，还应该考虑以下技术因素：

(1)由于风道截面尺寸大，不适合应用容积测量原理的流量计，所以通常选择速度式流量计进行气体流量测量;

(2)要根据气体在风道内的流速，确定流量计的测量范围；

(3)测量时引入的风阻应该尽量小，如果风阻大，就会使风机产生额外的功率消耗，一般驱动大截面风道的风机功率很大，这部分能耗容易被忽视，实际上其经济指标是可观的；

(4)要考虑调整、维护、更换、保养简便易行；

(5)由于大风道内的气体一般都混有一定的灰尘，要考虑灰尘对测量的影响。

2 流量检测方案

综上所述，应该选用插入式测速原理的流量计用于大截面风道体流量测量，一般选用压差流量计和热式气体质量流量计[4]。

2.1 压差式流量计[5]

压差原理流量计是利用气体流动产生的动、静压之差，测量气体的流速，进而得到在该界面上气体的流量，压差式流量计的特点如下：

(1)原理直观，熟悉的人多；

(2)响应时间短，反应快；

(3)适用于气体流速较高的场合；

(4)矩阵式压差流量计流阻比较大。

但与此同时，压差流量计在应用时会产生以下问题：

(1)由于大截面风道直管段短、风道内支撑多，所以风道内气流漩涡多，压差式流量计测量值波动大；

(2)取压孔直径越小，流量测量精度越高，但在实际应用中易于堵塞，虽然利用反吹的方法可以解决部分问题，但代价大；

(3)大截面风道内气体流速低，流速常常接近压式流量计的测量下限，测量数据波动大，为了解决这个问题，最常用的就是增加风道内的风阻、减小风道截面的有效面积、提高风速，但在经济上的代价可观；

(4)将压差式流量计做成矩阵式多点测量的形式，在出现故障时，需要将风道对应段整体移出才能进行更换；

(5)测量的是体积流量；

(6)冷、热风混合时，由于风道原因，冷、热风混合不充分，引起测量误差。

2.2 热式气体质量流量计

热式气体质量流量计是根据热扩散原理进行气体流量测量的流量仪表[2]，它的传感器上有一根加热的“热针”，用于进行热量损失检测，另外一个“冷针”用于检测气体的温度。在测量时，将“热针”和“冷针”同时置于气体的流场中，通过测量“热针”的热量损失和“热针”与气体的温差，检测气体的流量。

从理论上讲，气体分子与传感器的“热针”每接触一次，就带走“一份”热量，如果将“热针”置于流场中，“热针”的热量损失与流过“热针”的气体的分子碰撞次数有关，宏观上就是流过气体的质量流量。通过测量气体的温度和“热针”的热量损失，可以建立一个热扩散模型，利用这个模型就可以检测出流经“热针”处气体的质量流量。

热式气体质量流量计的特点如下：

(1)测量的是气体流量的质量流量，不用温压补偿；

(2)量程比大于1∶1 000，可以对低流速气流进行测量；

(3)插入式热式气体质量流量计流阻小；

(4)对气流中的粉尘不敏感，不会出现粉尘堵塞的问题；

(5)响应时间适中，测量值稳定；

(6)插入式热式气体质量流量计可以在线更换。

插入式热式气体质量流量计在进行大截面风道气体流量测量时有以下问题：

(1)作为速度型流量计，大截面风道直管段短，对热式气体质量流量计的测量值有影响；

(2)冷、热风混合时，由于风道原因，冷、热风混合不充分，引起测量误差。

为了解决冷、热风混合产生的测量问题，我们利用热式气体质量流量计分别对冷、热风进行测量，在DCS系统中把冷、热风测量值进行相加获得总风量，改变了以往在冷、热风混合后，测量总风量的方法，事实证明，分别测量冷、热风流量的方法可以解决大部分类似的问题。

综上所述，从技术指标和使用、维护性几方面，热式气体质量流量计更适合于大截面风道气体流量测量，在国际上也是类似的观点。实际使用时，选择测点、确定一个界面内的测点数目、调整仪表是需要解决的现场问题，其实这也是大截面风道气体流量测量的常规问题，对风道具体情况的分析，是解决以上问题的基础。

3 风道气流流场分析

以往对大截面风道气流流场的分析，都是现场考察、查阅图纸进行分析的，在现场测试风道内气体流场的流速分布实际上是难以进行的。现在通过有限元理论和大型流场分析软件计算[6]，可以给出一些指导性的结果，但我们这部分工作刚刚开始，很不全面，分析中各种边界条件难以确定，更缺少理论与实际相互印证的深入分析，以下是一个对烟道气体流场有限元理论分析的例子。

对一个水平80 m，垂直高度60 m，初始气流4 m/s流速的烟道进行流场分析，部分分析结果如下：

对烟道的建模如图1所示，在此基础上进行流经烟道的烟气速度场分析；图2是对称截面气体流速分布图，从分析结果可以看出流速在轴对称面上的分布情况；图3是14.25 m高度，烟道横截面速度气体流速分布图。

从有限元分析的数值结果可以看出，在不同位置处，界面速度分布是不同的，在实际情况下，由于结构不可能完全对称，风道内还有其他结构，因此流场畸变、漩涡都很严重，情况将更趋复杂，这些情况只依靠理论分析是很难解决的。

4 工程实例

利用国内开发的插入式热式气体质量流量计，对发电厂锅炉机组一次风风道进行气体流量测量，测点位置在磨煤机混煤前，现场如图4所示。图5是DCS系统的风门变化及热式气体质量流量计的风量检测数据变化的实践历程。从数据上可以看出，系统响应特性良好。

图1 烟道的模型

图2 对称截面气体流速分布图

图3 14.25 m高度横截面气体流速分布图

图4 国内开发的热式气体质量流量计现场应用图

图5 DCS系统曲线

5 结论

(1)锅炉风道风量测量装置的要求是：风阻小、插入式、对灰尘不敏感、易于维护；

(2)有限元风场分析表明，在大截面风道截面上气体流速变化大；

(3)热式气体质量流量计在发电厂锅炉机组风量测量应用中取得良好结果。

目前已有国内企业掌握了热式气体质量流量计技术，并在高温环境下应用，取得了良好效果。随着现场应用经验的积累，热式气体质量流量计的应用将更深入、广泛，促进发电厂锅炉机组风量管理水平的提高，更好地实现节能减排的目的。