多点阵列式防堵型风量测量装置 在325MW火力发电机组锅炉上的应用研究

张涛

（甘肃电投张掖发电有限责任公司，甘肃 张掖 734000）

张掖发电公司现有2台300MW级国产燃煤机组，扩容改造后发电机额定功率325MW，2台机组锅炉二次风道A、B侧各配备一套风量测量装置，采用插入式文丘利管测量装置，分别安装于两侧二次风道内。由于装置自身存在设计上的缺陷，导致测量含有颗粒物质、灰尘的通流介质时，容易造成装置取样管堵塞，影响风量测量的准确性，同时由于装置采用单点测量，而二次风道横截面积较大，当通流介质短时期流量不均时，也容易造成风量测量失真。从运行参数分析来看，由于该测量装置自建厂使用至今，已连续运行18年之久，测量元件长期磨损、在稳定工况运行下，锅炉两侧风量偏差较大，经常性地发生风量低报警，特别是在机组启炉、停炉过程中，由于风机启停，挡板开关，风量变化较大，风量测量更为不准确，作为锅炉重要监视及联锁保护参数，测量不准将会造成锅炉设备损坏及锅炉灭火等非停事件的发生，这都对锅炉的安全稳定运行造成了极大的影响。

1 原二次风量测量装置问题分析及改造策略的提出

1.1 原二次风量测量装置在投入运行中存在的问题

伴随着机组投入使用年限的增加，设备磨损及管路堵塞情况逐年加剧，DCS 画面显示锅炉A、B两侧风量曲线逐渐存有偏差，在负荷稳定的情况下，A侧风量174.960t/h、B侧247.515t/h，偏差量在70t/h左右，并且时常存在波动情况，并触发风量低120t/h软光字报警。

尤其是在负荷较低的情况下，随着风机出力减小，挡板开度变化，实际二次风量发生瞬间变动，使得 DCS 侧风量曲线瞬间发生剧烈波动尤为明显，特别是在锅炉启、停炉过程中，由于风量波动不稳定，易造成风量低触发MFT保护动作。2020年10月18日，我公司在1#机组滑参数停机的过程中，就发生一起因为运行人员在低负荷时，关闭低氮燃烧器SOFA风门，使得风烟系统各参数波动，锅炉B侧二次风量多次波动至0t/h，导致锅炉总风量低触发MFT（主燃料跳闸）保护动作的不安全事件，严重威胁了锅炉及机组的安全稳定运行。

因此在机组运行时，检修人员需要退出风量保护定期对取样装置的测量管路进行吹扫检查；在机组停运检修时，检修人员需要进入二次风道内部对风量测量装置上积灰、附着板结物进行清除，增加了大量的检修维护工作如图1所示。

图1 插入式文丘利风量测量装置内部积灰情况

1.2 原二次风量测量装置存在问题的原因分析

张掖发电公司锅炉二次风量测量装置采用插入式三喉颈文丘利管测量方式如图3所示。这种测量装置由于喉颈很窄，对于不纯净的通流介质进行测量时，通流介质中若含有颗粒物质、灰尘易导致风量测量装置迎风面取压导管堵塞，造成风量测量偏差、数值不真实，同时由于该装置采用单点测量，仅能够采样二次风道横截面上的一点进行流速测量，当通流介质流量、压力局部不均匀时易造成风量测量输出信号波动、失真情况。再加之锅炉启、停炉时，冷、热态的变化，所形成的水气与测风装置感压管路中的灰尘会形成硬块，难以清除。

图2 插入式三喉径文丘利管测量装置示意图

图3 锅炉热二次风道平面布置图

张掖发电公司送风机投入自动的调节逻辑中，设计了实际风量值与风量指令设定值偏差大解除风量自动的判断条件条件，同时还设计有风量低于25%延时30秒触发MFT （主燃料跳闸）的保护逻辑。由于二次风量测量不准确，不但影响了锅炉燃烧控制系统的风煤配比，还降低了整个机组机炉协调控制系统自动投入率，加大了运行人员的操盘负担，对机组经济、稳定、安全地运行也造成了极大影响。因此，为保障机组安全可靠运行，在机组检修期间，检修人员对1#锅炉的二次风量测量装置进行了技术改造。

1.3 开拓思路、新二次风量测量装置改进方案的提出

通过调研并实际结合张掖发电公司锅炉二次风道情况，认为可在1#锅炉空预器出口A、B侧二次风道上各安装1套带防堵和自清灰、多点矩阵式风量测量装置，具体实施方案如下：在锅炉热二次风道截面上设计垂直、水平均匀分布风量测量孔16个，锅炉热二次风道截面尺寸为490mm*2301mm，其设备安装所需的二次风道布置图如4所示。

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防堵型多点阵列式风量测量装置的安装是在风道截面上等间距阵列布置16个测点，将16个风量测量探头的正压侧与正压侧相互连接、负压侧与负压侧相互连接，再分别接至正负压母管上，再由母管各引出一组正、负压信号测量管至差压变送器，差压测量信号通过差压变送器远传至DCS侧，最后通过DCS逻辑组态搭建风量计算数学模型来完成风量的最后计算，从而可算的风道内的实际风量。

具体测量技术原理如下：将测量装置安装在管道上，当管道内有气流流动时，迎风面受气流冲击，在此处气流的动能转换成压力能，因而迎风面管内压力较高，其压力称为“全压”，背风侧由于不受气流冲压，其管内的压力为风管内的静压力，其压力称为“静压”，全压和静压之差称为差压，其大小与管道内风速有关，风速越大，差压越大；风速小，差压也小，风速与差压的关系符合伯努利方程：

式中：v表示风速，单位为m/s；

k表示测量装置系数；

△P表示差压，单位为Pa；

ρ表示气体密度，单位为kg/m3；

由于我公司DCS侧逻辑组态中釆用t/h作为二次风量的单位,即DCS侧需要计算质量流量，因此确定DCS侧逻辑中二次风量的计算数学模型为：

式中: G—被测风量的质量流量,单位为t/h；

K—风量测量装置的流量系数；

A—风道通流截面积,单位为m2；

△P—风量测量装置测量输出的差压,单位为Pa；

t—被测风量的温度,单位为℃；

Px—被测风量风道内的压力,单位为Pa。

接收风量变送器远传的差压信号，按照风量计算数学模型，在DCS系统中应用OVATION功能组态模块技术实现算法逻辑的搭建，最终来完成二次风量的计算如图4所示。

图4 DCS侧二次风量计算逻辑

2 优化改造技术的创造性与先进性

对于测量含有颗粒物质、灰尘的气流，为了解决堵塞问题，改进后的二次风量测量装置装设了防堵塞装置，即在垂直段内安置了清灰器，在管道内气流的冲击下使清灰器作无规则摆动，起到自清灰作用。

改进后的二次风量测量装置，它即解决了差压式流量测量装置测点布置单一、容易堵塞的问题，又继承了差压式流量测量装置接收测量信号同步性好、可靠性高，性能稳定地优势，能够在不同工况下及时地反映出风道内风量的真实大小，以保证测量的准确性，提高锅炉的自动投入水平，使机组风煤配比最为优良。

改进后的二次风量测量装置由于采用了在风道截面积上等距离分别布置16个测点的方式，即“等距网格法”测量原理其布置如图5所示，其优点是可测得同一风道截面上的平均速度，反应速度快，测量准确，能够实时准确地反映出风道内的实时风量，并且压力损失小，可以减轻送风机、引风机出力，节约用电量，使机组在相同负荷下保持较为经济的运行。

图5 16点矩阵式风量测量装置示意图

3 技术改造的成熟程度、适用范围和安全性

多点阵列式防堵型风量测量装置和其它风量测量装置相比较而言，具有较大的先进性和稳定性，且具有较高的市场竞争力。目前我公司1#机组锅炉二次风量测量系统已改造完成，并取得了良好的效果，今年准备利用机组检修机会，在2机#组锅炉上进行改造安装，其具有良好的推广性，运行安全稳定，已经广泛地在全国其它电厂进行推广，在安全、节能方面都取得了很大的社会效益和经济效益。

4 推广应用情况及存在问题

表2 B侧二次风量标定

改造后的二次风量测量装置在机组进行动力场试验时，使用了标准皮托管进行了等截面多点现场实际测量标定，标定结果如表1、2所示。

表1 A侧二次风量标定

由上述标定结果的表格可以看出，实际现场测量风量和DCS显示风量基本一致，实时风量偏差值在均在1t/h左右，说明改造后风量测量装置测量稳定性好、测量准确度高。同时，调整送风机动叶开度就地实际测量，并结合DCS侧风量显示值，由表格数据得知在不同工况下风量测量装置调节线性度很好，可以满足不同工况下机组运行的需求，经过流量系数K修正后的风量值更为真实地反映出实际的风量值，为锅炉安全稳定地运行打下了坚实的基础。

改造后的风量测量装置经过查调近1年的运行参数、趋势来看，其测量装置运行稳定，A、B两侧二次风量偏差明显减小，从原来偏差70t/h左右减小到偏差15t/h左右，并且波动明显减弱，可满足磨煤机的运行要求。风量调节自动控制投入正常,提高了锅炉热效率，降低了煤耗。

5 结语

张掖发电公司对1#锅炉二次风量测量装置改造完成，彻底解决了装置测量含灰、含颗粒物质的介质时容易造成取样管堵塞的问题和由于通流介质短时期流量不均造成风量测量失真的问题。同时，由于改造后风量测量具有自动清除灰尘的能力，也减轻了大量的检修维护工作量。从安全角度避免了由于风量测量失真造成锅炉安全事故的发生，从经济角度可以节能降耗，提高机组自动化运行水平，使机组长周期地保持经济、高效的运行。