某超臨界600 MW鍋爐二次風量測量裝置的改造與應用

任仲海

(國華太倉發電有限公司，江蘇太倉215433)

國華太倉公司鍋爐二次風量主要參與的保護和自動有：二次風量與一次風量的和構成鍋爐總風量。總風量低于25%時觸發鍋爐主燃料切斷即鍋爐跳閘（MFT）；二次風量參與送風自動調節，送風機控制系統是協調控制中重要的控制回路。因此二次風量測量在鍋爐安全穩定運行中有著及其重要的意義。國華太倉公司采用插入式文丘利多喉智能流量計來測量二次風量，由于這種測量裝置自身的缺陷，對含塵氣流的測量時，灰塵只進不出，極易造成感壓管路堵塞，從而造成所測量的風量不準確，從而對鍋爐安全穩定、經濟運行造成了極大的危害。

1 國華太倉公司鍋爐簡介

國華太倉公司2臺600 MW鍋爐為上海鍋爐廠生產的超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流，單爐膛、一次中間再熱、四角切園燃燒方式、平衡通風、Π型露天布置、固態排渣、全鋼架懸吊結構。鍋爐燃用神府東勝煤。

鍋爐二次風的作用是強化燃燒和控制NOx生成量。從大氣吸入的空氣通過送風機進入空氣預熱器的二次風分隔倉，加熱后經二次風道進入大風箱。二次風大風箱上抽出二路分離燃燼風（SOFA)，分四路進入四角的SOFA噴嘴，從而更好地控制NOx生成量。

2 國華太倉公司二次風量測量出現的問題

國華太倉公司鍋爐入口熱二次風流量測量裝置采用插入式文丘利多喉智能流量計，該流量測量裝置的具體流量測量裝置技術要求和規范見表1。

安裝設計為單側熱二次風道采用3只風量取樣裝置，安裝于鍋爐28 m熱二次風母管上，每1個風量取樣裝置向1個變送器送去差壓信號。實際的使用中存在以下的問題：

表1 插入正式文丘利多喉智能流量計技術要求和規范

(1)由于插入式文丘利多喉測風裝置自身的缺陷，對含塵氣流的測量時，灰塵只進不出，造成感壓管路堵塞，再加上鍋爐啟、停爐時，冷、熱態的變化，所形成的水氣與測風裝置感壓管路中的灰塵會形成硬塊，很難清除，極大的增加了維護的工作量。檢修人員每過一段時間就需要對取樣裝置進行吹掃，去除積灰。而且隨著機組投產時間增長，吹掃時間間隔越來越短，最嚴重時每周就要吹掃一次。

(2)低負荷的時候，風量測量不準確也不穩定。原因分析如下：

①由于飛灰的堵塞；

②風箱橫截面積較大，低負荷的時候差壓較小，不易測量；

③風箱橫截面積較大，風箱的直管段長度較小，流速較低的時候，風箱里的流質是不均勻的。國華太倉公司的測風裝置3只取樣裝置（單側）分別安裝在風道上側中間部位、外側中間部位及下側中間部位。動力場試驗測得的數據統計為出上側風速最大、外側次之、下側最小；

④裝置選型不合理，設計差壓量程過大，影響測量精度。

國華太倉公司的送風自動設計了3只風量測量數據偏差大于300 t/h跳相應側送風機自動的保護邏輯，由于二次風量測量不準經常導致送風自動解除，從而影響整個燃燒控制系統，對鍋爐的安全經濟運行造成了極大影響。因此對1號鍋爐的二次風量測量裝置進行技術改造。

3 現在二次風量主要測量方法

目前測量二次風量的技術很多，但歸結其原理主要有兩類：差壓式和熱式。放大型皮托管測量裝置、機翼測量裝置及國華太倉公司使用的插入式三喉徑文丘利智能流量測量裝置都屬于差壓式，即取差壓信號計算出體積流量（需要溫度、壓力補償）。這類裝置優點是結構簡單，對加工精度要求不高，工作穩定可靠，在大于臨界雷諾條件下工作時誤差小測量精度高。這種裝置的缺點是對風道布置要求高：測量點應多于兩點即冷風及熱風測點。對于風道分兩例布置的大型機組應多于四點；測量段應為直管段，長度要足夠。這種裝置壓頭損失約為測量值的10%。熱式流量裝置的原理是：氣體掠過熱物體表面時會帶走熱量，此熱量正比于氣體的質量流量及熱吸收特性。DY-EP流量計采用堅固、可清洗的熱式氣體質量流量傳感器來檢測并補償氣體帶走的熱量，其中溫度傳感器不斷測量介質的溫度，加熱傳感器則與溫度傳感器保持一個固定溫差。當氣體帶走熱量時，2個傳感器之間溫差減小，電橋失去平衡，自動提高傳感器的消耗功率，補償氣體帶走的熱量，恢復固定溫差，此時電橋輸出反映氣體質量流量，這個信號經過處理后產生4～20 mA標準信號輸出。熱式流量計在電廠應用還不是很普遍。

通過對其他電廠的調研并結合國華太倉公司的實際情況，選用了PBS防堵型陣列風量測量裝置。PBS防堵型陣列風量測量裝置由于本身具備的自清灰和防堵塞功能，它即有差壓式流量測量裝置的優點，又克服了差壓式流量測量裝置的缺點。它可以確保長期測量的準確性，能及時地反映各風管內風量的大小，隨時調整鍋爐運行，讓鍋爐始終在較經濟的工況下運行，大大提高了鍋爐的自動投入率。而且防堵型陣列風量測量裝置壓力損失小，節約送、引風機電量，可取得良好的經濟效應。

4 PBS防堵型陣列風量測量裝置的工作原理特點

PBS防堵型陣列風量測量裝置是根據ISO3966《封閉管道中流體流量的測量—采用皮托靜壓管的速度面積法》國際標準而設計制造，基于S型畢托管測量原理，測量裝置安裝在管道上，其探頭插入管道內，當管道內有氣流流動時，迎風面受氣流沖擊，在此處氣流的動能轉換成壓力能，因而迎風面管內壓力較高，其壓力稱為“全壓”，背風側由于不受氣流沖壓，其管內的壓力為風管內的靜壓力，其壓力稱為“靜壓”，全壓和靜壓之差稱為差壓，其大小與管道內風速有關，風速越大，差壓越大；風速小，差壓也小，風速與差壓的關系符合伯努利方程：

式中：v表示風速，m/s；k表示測量裝置系數；Δp表示差壓，Pa；ρ表示氣體密度，kg/m3。

對于含塵氣流，為了解決堵塞問題，PBS防堵型陣列風量測量裝置裝設了防堵塞裝置，在垂直段內安置了清灰器，在管道內氣流的沖擊下使清灰器作無規則擺動，起到自清灰作用，清灰器的重量及大小是經過出廠前的試驗來確定的，在風洞試驗臺上按照一、二次風管內設計風速的范圍試驗得出，清灰器的重量與大小必須符合要求，否則自清灰效果會不理想。

發電鍋爐的風管風道直管段一般比較短，管道截面積上的流場很不均勻，有的部位甚至有回流產生。當風道的截面積較大時，單點測量風道內的風量是不科學的，甚至其測量的數據無任何意義。PBS防堵型陣列風量測量裝置采用等截面陣列布置多個測點的方法，測得同截面的平均速度，采用的選點方法為ISO3966《封閉管道中流體流量的測量—采用皮托靜壓管的速度面積法》和ISO7145:1982《圓形截面封閉管道中流體流量的測定—在截面的一點上測量速度的方法》國際標準中規定的等面積法。對于各種形狀的風道，可根據現場實際情況確定所需測點的數量、測量裝置的數量和布置方式等。

5 國華太倉公司二次風量測量裝置改造實施方案

鍋爐二次總風量風道截面尺寸為4 500×4 400×4 mm，由公式，可得其當量直徑為4 450 mm，風道直管段長度為12 000 mm，即風道直管段長度不到3倍當量直徑。由于風道大，直管段短，截面風速容易分布不均勻。為了確保準確測量風量，擬在4 500×4 400 mm的風道截面上按等截面網格法多點測量原理布置32個風量測量點，其等截面網格布置風量測量點如圖1所示。

等截面陣列布置32個測點，測得同截面的平均速度，是為了確保準確測量風量，將32個風量測量探頭的正壓側與正壓側相互連接、負壓側與負壓側相互連接，引出1組正、負壓信號至差壓變送器。測量探頭布置方式示意見圖2。

PBS型防堵型陣列測風裝置計算的數學運算模型為：

式中：A 為風道面積，m2。

風道中的氣流速度為：

其中密度ρ可由氣流的溫度t(℃)以及風道內的靜壓Ps(Pa)和當地大氣壓力Pa(Pa)求出：

風量監測裝置的標定系數k為：

標定后的風量可以利用風量監測裝置的差壓來得到：

測量裝置出廠前的測量精度與流量系數k通常是通過實驗室風洞測試得出的，是常規條件下的流量數據，現場被測介質的流場與實驗室風洞中的流場會有很大差異，因此為了保證測量系統的現場測量準確性和在不同運行工況下線性度，對測量裝置進行現場校驗。

現場按照GB10184-88《電站鍋爐性能試驗規程》、《磨煤機試驗規程》（DL467-92）或《ASME 試驗規程》PTC4.1、PTC4.3規定及有關測試方法取3種工況進行了冷態試驗。

6 應用情況

國華太倉公司7號鍋爐自從采用PBS防堵型陣列風量測量裝置后二次風量測量一直很準確，也再沒發生過送風自動調節解除的現象，測量裝置也從未堵過，減少大量的維護工作量，而且從煙氣含氧量數據來看，也提高了鍋爐燃燒的穩定性和經濟性。

7 結束語

國華太倉公司1號鍋爐自從采用了PBS防堵型陣列風量測量裝置后，送風自動調節一直很理想，大大地提高了鍋爐安全穩定、經濟運行能力。PBS防堵型陣列風量測量裝置由于采用了網格多點測量原理且具有自動清除灰塵的能力，也免去了大量的維護工作。總之，PBS防堵型陣列風量測量裝置功能特點為：

（1）徹底解決了含塵氣流風量測量裝置的信號堵塞問題，風量測量裝置本身具有利用流體動能進行自清灰防堵塞的功能，絕對不需要外加任何壓縮氣體進行吹掃，無論氣體含塵濃度多大，完全可以做到長期運行免維護。

（2）風量測量裝置性能穩定，調節線性好。

（3）由于電站鍋爐一、二次風量及制粉通風量總管直管段安裝條件在許多場合無法滿足，而且風道截面大，流速在截面上容易分布不均勻，為了確保測量精度，可以將多個風量測量探頭進行等截面多點布置，然后將各測量裝置的正壓與正壓、負壓與負壓相互連接，最終引出一組信號到變送器，這樣的組合風量測量裝置對風道的直管段沒有太多要求,一般只要求直管段長度不小于管道的當量直徑即可。

（4）采用插入式布置，對于整個大風道來說，組合風量測量裝置的擋風面積幾乎可以忽略不計，因此，其對整個風道流體的壓力損失幾乎沒有，節能效果十分顯著，且安裝方便。

[1]汪祖鑫.超臨界壓力600 MW機組的啟動和運行[M].北京：中國電力出版社，1996.

[2]楊義波.熱力發電廠[M].北京：中國電力出版社，2005.

[3]GB10184-88，電站鍋爐性能試驗規程[S].北京：中國電力出版社，1998.

[4]潘汪杰.熱工測量及儀表[M].北京：中國電力出版社，2005.