馮 璐

(華陸工程科技有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065)

0 引言

工業(yè)鍋爐主要為工業(yè)生產(chǎn)提供工藝蒸汽，為社會(huì)大眾提供熱水，是工業(yè)的必須消耗品［1］。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)于能源的消耗越來(lái)越大，《第十一個(gè)五年規(guī)劃綱要(全文)》要求在“十一五”末，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗降低20%左右，并著重提出發(fā)展“區(qū)域熱電聯(lián)產(chǎn)”，這就對(duì)工藝設(shè)備及其自動(dòng)控制水平提出了更高的要求。在國(guó)家“十二五”規(guī)劃當(dāng)中，“區(qū)域熱電聯(lián)產(chǎn)”仍然是發(fā)展的重點(diǎn)之一。

熱電聯(lián)產(chǎn)中，鍋爐燃燒控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)能耗降低的關(guān)鍵，而對(duì)風(fēng)量的精確測(cè)量，實(shí)現(xiàn)風(fēng)煤量的最佳比例是當(dāng)前的研究應(yīng)用趨勢(shì)。本文結(jié)合某大型化工項(xiàng)目配套的鍋爐熱電聯(lián)產(chǎn)裝置，詳細(xì)介紹了多喉徑流量計(jì)在熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐風(fēng)量測(cè)量中的應(yīng)用。

1 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)

鍋爐燃燒系統(tǒng)分為主蒸汽壓力控制、煙氣氧含量控制(送風(fēng)調(diào)節(jié)控制)、爐膛負(fù)壓控制這3個(gè)自動(dòng)控制子系統(tǒng)［2］。鍋爐燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the boiler combustion control system

3個(gè)自動(dòng)控制子系統(tǒng)分別控制3個(gè)調(diào)節(jié)變量即燃料量、送風(fēng)量(包括一次風(fēng)，二次風(fēng))和引風(fēng)量，以維持3個(gè)被調(diào)量即主蒸汽壓力、含氧量和爐膛負(fù)壓。主蒸汽壓力的變化會(huì)引起燃料量和送風(fēng)量成比例的變化。送風(fēng)量和燃料量的變化又直接影響爐膛負(fù)壓的變化。通過(guò)調(diào)節(jié)引風(fēng)擋板改變引風(fēng)量，使?fàn)t膛負(fù)壓保持在一定的范圍內(nèi)，其原理如圖2所示。

圖2 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of the boiler combustion control system

3個(gè)自動(dòng)控制子系統(tǒng)互相關(guān)聯(lián)，互相協(xié)調(diào)構(gòu)成一個(gè)復(fù)合控制系統(tǒng)。鍋爐燃燒控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行目標(biāo)的有效手段［3］，其中，準(zhǔn)確的一次風(fēng)及二次風(fēng)流量測(cè)量有助于選擇最佳燃燒工況和精確的風(fēng)量調(diào)節(jié)，顯著提高鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)效益，符合國(guó)家大力倡導(dǎo)的節(jié)能減排、提高效率的工業(yè)要求。

2 風(fēng)量測(cè)量特點(diǎn)

風(fēng)量是鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要參數(shù)，風(fēng)量的大小直接影響著燃料量和引風(fēng)擋板的開(kāi)度，進(jìn)而影響鍋爐主蒸汽的正確調(diào)節(jié)。若要使風(fēng)量控制在合適的范圍內(nèi)，就必須對(duì)風(fēng)量進(jìn)行有效精確的測(cè)量。鍋爐風(fēng)道多為矩形大管道，管道中流體的狀態(tài)不斷變化，鍋爐運(yùn)行過(guò)程中風(fēng)量的大小也會(huì)根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。早在1926年，Nikuradse就對(duì)流體在矩形管道中的流動(dòng)性能進(jìn)行了測(cè)試，其等速流場(chǎng)如圖3所示［4］。

圖3 等速流場(chǎng)Fig.3 The constant velocity flow field

風(fēng)道流量具有流體性質(zhì)多樣、管路系統(tǒng)多樣、流動(dòng)狀態(tài)多樣、直管段短、管道口徑大、流體中又常伴有灰塵和煙霧的特點(diǎn)，所以現(xiàn)在常用的測(cè)量煙氣流量的流量計(jì)基本都是基于“速度-面積”法原理，即通過(guò)測(cè)量封閉管道計(jì)量橫截面的面積和流過(guò)該計(jì)量橫截面的軸向流體平均流速，從而計(jì)算出體積流量。

基于鍋爐風(fēng)量測(cè)量的復(fù)雜性和重要性，目前研究人員對(duì)鍋爐風(fēng)量的準(zhǔn)確測(cè)量做了大量的研究和試驗(yàn)，提出了許多可行實(shí)用的測(cè)量方案。本文著重介紹多喉徑流量計(jì)。

3 鍋爐風(fēng)量測(cè)量裝置

目前，市場(chǎng)上關(guān)于鍋爐大管道煙風(fēng)流量測(cè)量的裝置有很多，多以差壓式流量計(jì)為主［5］。通過(guò)對(duì)比整理，并結(jié)合某大型化工廠配套熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐風(fēng)量測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)幾種常用流量計(jì)介紹如下。

3.1 插入式多喉徑流量計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的是插入式多喉徑流量測(cè)量裝置。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝條件的不同，分為雙喉徑和多喉徑兩種。雙喉徑適合應(yīng)用于直管段較長(zhǎng)、流場(chǎng)穩(wěn)定的場(chǎng)合，多喉徑適合應(yīng)用于直管段較短、流場(chǎng)不太穩(wěn)定的場(chǎng)合［6］。

插入式多喉徑流量計(jì)用于測(cè)量鍋爐風(fēng)量，測(cè)量元件按航空發(fā)動(dòng)機(jī)模型設(shè)計(jì)。當(dāng)介質(zhì)進(jìn)入內(nèi)部整流段，使流體充分發(fā)展為絮流狀態(tài)，并通過(guò)設(shè)置取出高壓，在流體進(jìn)入喉部最小處時(shí)，由于流速提高、靜壓降低，此處取低壓;而經(jīng)過(guò)外導(dǎo)流管的流體，通過(guò)外提速段，在內(nèi)擴(kuò)散段的末端形成負(fù)壓區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)中心流的抽吸和引流作用，使測(cè)量的喉部靜壓進(jìn)一步降低，從而達(dá)到信號(hào)放大及穩(wěn)壓的目的。因此，插入式多喉徑流量計(jì)具有差壓值大、壓損小、精度高、測(cè)量信號(hào)穩(wěn)定的特點(diǎn)。對(duì)直管段的要求不高、對(duì)流場(chǎng)的穩(wěn)定性沒(méi)有要求的場(chǎng)合如低壓、大口徑、異形管，采用多點(diǎn)雙喉徑流量裝置優(yōu)勢(shì)更為突出，且防堵性能好，安裝方便，可在管道上開(kāi)孔直接安裝，適合于鍋爐燃燒系統(tǒng)的風(fēng)量測(cè)量。插入式多喉徑流量計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 插入式多喉徑流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of the insertion multi-throat diameter flow meter

體積流量和質(zhì)量流量表達(dá)式為:

式中:A為管道內(nèi)截面積;W為結(jié)構(gòu)系數(shù);I為流速分布系數(shù);ΔP為輸出差壓;ρ為介質(zhì)密度;n為流量指數(shù);KV為體積流量系數(shù);Km為質(zhì)量流量系數(shù);QV為體積流量;Qm為質(zhì)量流量。

3.2 雙文丘里管流量計(jì)

雙文丘里測(cè)速管是一種用于鍋爐大口徑煙氣管道的流量測(cè)量元件，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。它的外文丘里管起誘導(dǎo)整流作用，內(nèi)文丘里管是一次傳感元件［7］。

圖5 雙文丘里管結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of dual Venturi tube

雙文丘里管流量計(jì)的主要特點(diǎn)是阻力損失小、差壓信號(hào)大、性能較穩(wěn)定、量程范圍較寬、防堵性好。但該儀表在使用過(guò)程中要求有一個(gè)較穩(wěn)定的流場(chǎng)，并且有一定的前后直管段要求。

3.3 威力巴流量計(jì)

威力巴流量計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 威力巴流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of Verabar flow meter

威力巴流量計(jì)的工作原理是迎流面測(cè)量的是動(dòng)壓，背流面測(cè)量的是靜壓，利用測(cè)量流體的動(dòng)壓與靜壓之差來(lái)測(cè)量流量。其特點(diǎn)是壓損小、量程比大、精度高、開(kāi)孔小、安裝方便;但鍋爐風(fēng)道流體中常含有灰塵和煙霧，影響威力巴流量計(jì)的測(cè)量，另外差壓值較小，影響流量測(cè)量精度。

3.4 幾種風(fēng)量測(cè)量裝置的比較

鍋爐風(fēng)道常含有灰塵，威力巴類流量計(jì)對(duì)于介質(zhì)中含有的顆粒難以清掃，插入式多喉徑流量計(jì)屬于貫穿式測(cè)速方式，介質(zhì)流體對(duì)取壓口進(jìn)行連續(xù)沖刷。由于顆粒所具有的動(dòng)能，減少了灰塵停滯的機(jī)會(huì)，從而使該流量計(jì)具有較好的自清掃功能。同時(shí)由于鍋爐的風(fēng)道一般都是彎直連接的，造成管道內(nèi)流體的流場(chǎng)狀態(tài)分布呈渦流狀態(tài)。這些工況都不符合一般的流量計(jì)對(duì)流場(chǎng)的要求，而多喉徑流量計(jì)具有內(nèi)置的直管段，可以大大縮短前后直管段的要求和對(duì)流體狀態(tài)進(jìn)行整流。各種風(fēng)量測(cè)量裝置比較如表1所示。

表1 各類風(fēng)量測(cè)量裝置比較Tab.1 Comparison of various types of air flow neasurement devices

從表1可以看出，插入式多喉徑流量裝置具有耐磨防堵性好、精度高、差壓信號(hào)可靠、直管段要求較小等特點(diǎn);另外，它的壓損只有標(biāo)準(zhǔn)文丘里測(cè)量裝置的10%左右，而雙文丘里管流量裝置的壓損是標(biāo)準(zhǔn)文丘里測(cè)量裝置的15%，這為工廠的運(yùn)營(yíng)減少了能量損失，節(jié)省了大量的運(yùn)行費(fèi)用。長(zhǎng)期綜合來(lái)看，插入式多喉徑流量測(cè)量裝置能很好地適用于鍋爐風(fēng)量測(cè)量的復(fù)雜工況。多個(gè)工程的使用表明，該裝置帶來(lái)了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，值得大力推廣。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，國(guó)家正在大力推行節(jié)能減排工作，鍋爐作為高能耗產(chǎn)品面臨的節(jié)能減排壓力十分巨大［8］。鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性主要取決于鍋爐燃燒系統(tǒng)［9］。其中風(fēng)量的精確測(cè)量能夠減少燃料的損耗，提高燃燒效率，從而減少有害尾氣的排放，達(dá)到節(jié)能減排的要求。因此，風(fēng)量的準(zhǔn)確測(cè)量是關(guān)鍵。在某大型化工項(xiàng)目配套的鍋爐熱電聯(lián)產(chǎn)工程設(shè)計(jì)中，選用了插入式多喉徑流量裝置，其性價(jià)比高、綜合功能好，得到了業(yè)主的充分認(rèn)可。但是由于鍋爐工況的復(fù)雜，還需要研究人員和工程運(yùn)行人員的不斷研究和創(chuàng)新。

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