多喉徑流量計在鍋爐燃燒系統中的應用

馮 璐

(華陸工程科技有限責任公司，陜西 西安 710065)

0 引言

工業鍋爐主要為工業生產提供工藝蒸汽，為社會大眾提供熱水，是工業的必須消耗品［1］。隨著我國社會經濟的發展，對于能源的消耗越來越大，《第十一個五年規劃綱要(全文)》要求在“十一五”末，單位國內生產總值能源消耗降低20%左右，并著重提出發展“區域熱電聯產”，這就對工藝設備及其自動控制水平提出了更高的要求。在國家“十二五”規劃當中，“區域熱電聯產”仍然是發展的重點之一。

熱電聯產中，鍋爐燃燒控制系統是實現能耗降低的關鍵，而對風量的精確測量，實現風煤量的最佳比例是當前的研究應用趨勢。本文結合某大型化工項目配套的鍋爐熱電聯產裝置，詳細介紹了多喉徑流量計在熱電聯產鍋爐風量測量中的應用。

1 鍋爐燃燒控制系統

鍋爐燃燒系統分為主蒸汽壓力控制、煙氣氧含量控制(送風調節控制)、爐膛負壓控制這3個自動控制子系統［2］。鍋爐燃燒控制系統結構圖如圖1所示。

圖1 鍋爐燃燒控制系統結構圖Fig.1 Structure of the boiler combustion control system

3個自動控制子系統分別控制3個調節變量即燃料量、送風量(包括一次風，二次風)和引風量，以維持3個被調量即主蒸汽壓力、含氧量和爐膛負壓。主蒸汽壓力的變化會引起燃料量和送風量成比例的變化。送風量和燃料量的變化又直接影響爐膛負壓的變化。通過調節引風擋板改變引風量，使爐膛負壓保持在一定的范圍內，其原理如圖2所示。

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

3個自動控制子系統互相關聯，互相協調構成一個復合控制系統。鍋爐燃燒控制系統是實現鍋爐安全經濟運行目標的有效手段［3］，其中，準確的一次風及二次風流量測量有助于選擇最佳燃燒工況和精確的風量調節，顯著提高鍋爐運行的安全性和經濟效益，符合國家大力倡導的節能減排、提高效率的工業要求。

2 風量測量特點

風量是鍋爐安全經濟運行的重要參數，風量的大小直接影響著燃料量和引風擋板的開度，進而影響鍋爐主蒸汽的正確調節。若要使風量控制在合適的范圍內，就必須對風量進行有效精確的測量。鍋爐風道多為矩形大管道，管道中流體的狀態不斷變化，鍋爐運行過程中風量的大小也會根據需要進行調整。早在1926年，Nikuradse就對流體在矩形管道中的流動性能進行了測試，其等速流場如圖3所示［4］。

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

風道流量具有流體性質多樣、管路系統多樣、流動狀態多樣、直管段短、管道口徑大、流體中又常伴有灰塵和煙霧的特點，所以現在常用的測量煙氣流量的流量計基本都是基于“速度-面積”法原理，即通過測量封閉管道計量橫截面的面積和流過該計量橫截面的軸向流體平均流速，從而計算出體積流量。

基于鍋爐風量測量的復雜性和重要性，目前研究人員對鍋爐風量的準確測量做了大量的研究和試驗，提出了許多可行實用的測量方案。本文著重介紹多喉徑流量計。

3 鍋爐風量測量裝置

目前，市場上關于鍋爐大管道煙風流量測量的裝置有很多，多以差壓式流量計為主［5］。通過對比整理，并結合某大型化工廠配套熱電聯產鍋爐風量測量系統的應用實例，對幾種常用流量計介紹如下。

3.1 插入式多喉徑流量計

本設計采用的是插入式多喉徑流量測量裝置。根據現場工藝條件的不同，分為雙喉徑和多喉徑兩種。雙喉徑適合應用于直管段較長、流場穩定的場合，多喉徑適合應用于直管段較短、流場不太穩定的場合［6］。

插入式多喉徑流量計用于測量鍋爐風量，測量元件按航空發動機模型設計。當介質進入內部整流段，使流體充分發展為絮流狀態，并通過設置取出高壓，在流體進入喉部最小處時，由于流速提高、靜壓降低，此處取低壓;而經過外導流管的流體，通過外提速段，在內擴散段的末端形成負壓區，實現對中心流的抽吸和引流作用，使測量的喉部靜壓進一步降低，從而達到信號放大及穩壓的目的。因此，插入式多喉徑流量計具有差壓值大、壓損小、精度高、測量信號穩定的特點。對直管段的要求不高、對流場的穩定性沒有要求的場合如低壓、大口徑、異形管，采用多點雙喉徑流量裝置優勢更為突出，且防堵性能好，安裝方便，可在管道上開孔直接安裝，適合于鍋爐燃燒系統的風量測量。插入式多喉徑流量計結構如圖4所示。

圖4 插入式多喉徑流量計結構圖Fig.4 Structure of the insertion multi-throat diameter flow meter

體積流量和質量流量表達式為:

式中:A為管道內截面積;W為結構系數;I為流速分布系數;ΔP為輸出差壓;ρ為介質密度;n為流量指數;KV為體積流量系數;Km為質量流量系數;QV為體積流量;Qm為質量流量。

3.2 雙文丘里管流量計

雙文丘里測速管是一種用于鍋爐大口徑煙氣管道的流量測量元件，其結構如圖5所示。它的外文丘里管起誘導整流作用，內文丘里管是一次傳感元件［7］。

圖5 雙文丘里管結構圖Fig.5 Structure of dual Venturi tube

雙文丘里管流量計的主要特點是阻力損失小、差壓信號大、性能較穩定、量程范圍較寬、防堵性好。但該儀表在使用過程中要求有一個較穩定的流場，并且有一定的前后直管段要求。

3.3 威力巴流量計

威力巴流量計結構如圖6所示。

圖6 威力巴流量計結構圖Fig.6 Structure of Verabar flow meter

威力巴流量計的工作原理是迎流面測量的是動壓，背流面測量的是靜壓，利用測量流體的動壓與靜壓之差來測量流量。其特點是壓損小、量程比大、精度高、開孔小、安裝方便;但鍋爐風道流體中常含有灰塵和煙霧，影響威力巴流量計的測量，另外差壓值較小，影響流量測量精度。

3.4 幾種風量測量裝置的比較

鍋爐風道常含有灰塵，威力巴類流量計對于介質中含有的顆粒難以清掃，插入式多喉徑流量計屬于貫穿式測速方式，介質流體對取壓口進行連續沖刷。由于顆粒所具有的動能，減少了灰塵停滯的機會，從而使該流量計具有較好的自清掃功能。同時由于鍋爐的風道一般都是彎直連接的，造成管道內流體的流場狀態分布呈渦流狀態。這些工況都不符合一般的流量計對流場的要求，而多喉徑流量計具有內置的直管段，可以大大縮短前后直管段的要求和對流體狀態進行整流。各種風量測量裝置比較如表1所示。

表1 各類風量測量裝置比較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、差壓信號可靠、直管段要求較小等特點;另外，它的壓損只有標準文丘里測量裝置的10%左右，而雙文丘里管流量裝置的壓損是標準文丘里測量裝置的15%，這為工廠的運營減少了能量損失，節省了大量的運行費用。長期綜合來看，插入式多喉徑流量測量裝置能很好地適用于鍋爐風量測量的復雜工況。多個工程的使用表明，該裝置帶來了一定的經濟效益和社會效益，值得大力推廣。

4 結束語

當前，國家正在大力推行節能減排工作，鍋爐作為高能耗產品面臨的節能減排壓力十分巨大［8］。鍋爐運行的安全性和經濟性主要取決于鍋爐燃燒系統［9］。其中風量的精確測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，達到節能減排的要求。因此，風量的準確測量是關鍵。在某大型化工項目配套的鍋爐熱電聯產工程設計中，選用了插入式多喉徑流量裝置，其性價比高、綜合功能好，得到了業主的充分認可。但是由于鍋爐工況的復雜，還需要研究人員和工程運行人員的不斷研究和創新。

［1］趙欽新，周屈蘭.工業鍋爐節能減排現狀、存在問題及對策［J］.工業鍋爐，2010(1):1 －6.

［2］方聲丑.高爐煤氣燃燒鍋爐控制系統的優化［J］.浙江冶金，2008(8):1－3.

［3］田彬.電廠鍋爐燃燒控制系統的研究［D］.保定:華北電力大學，2007.

［4］毛新業.矩形大管道的風量測量［J］.自動化儀表，2000，21(3):11－13.

［5］孫金玲.普光氣田天然氣計量儀表的選擇和設計［J］.自動化儀表，2009，30(3):73 －75.

［6］孟建剛，徐曉東，王曉被，等.插入式多喉徑流量測量裝置在大型 CFB 上的應用［J］.內蒙古電力技術，2006，24(s1):51－53.

［7］嚴文福，寧方青.煤氣計量和檢測儀表的合理選擇［J］.燃料與化工，2004(7):14－16.

［8］王善武，呂巖巖，吳曉云，等.工業鍋爐行業節能減排與戰略性發展［J］.工業鍋爐，2011(1):1－9.

［9］吳華.鍋爐控制系統研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2005.