一次風(fēng)風(fēng)量測控回路的改進(jìn)方案

胡 皓

(東方電氣股份有限公司國際工程分公司，成都 610036)

火力發(fā)電廠中磨煤機(jī)入口一次風(fēng)的配風(fēng)調(diào)節(jié)是機(jī)組經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行的重要保證之一，入口風(fēng)量過低會導(dǎo)致堵粉或堵煤，甚至引起制粉系統(tǒng)爆炸；風(fēng)量過高則會導(dǎo)致煤粉濃度降低，致使機(jī)組低負(fù)荷時燃燒不穩(wěn)定，引起NOx和SOx排放超標(biāo)。但是一次風(fēng)流量測量卻又一直是該測控回路采集側(cè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在系統(tǒng)設(shè)計上，由于要盡可能地節(jié)約布置空間和成本，熱/冷風(fēng)管道通常沒有測量所要求的足夠長度的直管段，對測量精度造成不利影響；其次，熱一次風(fēng)中常攜帶有一定的粉塵，增加了測量取壓元件堵塞的可能性，一旦堵塞發(fā)生，勢必嚴(yán)重影響測量結(jié)果；再次，一次風(fēng)流量測量利用的是差壓原理，而測量對象又為微差壓環(huán)境，其測量管路上稍有泄漏，都會對測量結(jié)果造成巨大影響。測量的準(zhǔn)確性和調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)性關(guān)系到整個機(jī)組的風(fēng)量平衡和燃燒效率。

1 測量原理①

一次風(fēng)的測量精度受煙氣溫度、壓力變化的影響。設(shè)流體管道各點(diǎn)的當(dāng)?shù)卮髿鈮合嗤軆?nèi)氣流的密度為ρ，遠(yuǎn)大于外部空氣的密度ρe，p1、p2分別為上下游S1、S2斷面處未擾動來流的壓力(類靜壓)，ρu12/2、ρu22/2是動壓，pe為風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后在S1、S2斷面的壓強(qiáng)，h2-h1是S1、S2斷面的高度差，pw是壓強(qiáng)損失，根據(jù)理想氣體的伯努利方程推導(dǎo)[1]，低速能量方程為：

(1)

忽略ρe不計，則由式(1)推導(dǎo)出實(shí)際流體的能量守恒方程[2]：

(2)

其中，H1、H2為位壓；等式兩邊第二項(xiàng)分別為S1、S2斷面的靜壓；等式兩邊第三項(xiàng)分別為S1、S2斷面的動壓。

如圖1所示，將式(2)的兩端以微小流量dq，沿各自的流線對通流截面S進(jìn)行積分，得：

(3)

在設(shè)定單位時間內(nèi)dq=u1dS1=u2dS2，式(3)兩端前面項(xiàng)積分分別表示單位時間內(nèi)流過S1和S2的流量所具有的位能、靜壓和動能，而右端最后一項(xiàng)Ew則表示流束內(nèi)的流體從S1流到S2損耗的能量。

圖1 流體沿管束的緩變流動

在機(jī)組不做滑壓及甩負(fù)荷等變工況運(yùn)行的情況下，風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓在經(jīng)歷一段直管段后，pe可視為定壓條件，即為常數(shù)。則式(3)中截面S1和S2處的流動可以假設(shè)為緩變流動，表明壓力沿流線不變，當(dāng)流速增大時，動壓增大，靜壓減小，反之亦然。即通流截面上各點(diǎn)處的壓力符合流體靜力學(xué)的壓力分布規(guī)律，則H+p/(ρg)=constant。

式(3)化簡后可繼續(xù)推導(dǎo)為：

(4)

(5)

泡椒豬皮加工過程中加入乳酸鏈球菌素0.50%，茶多酚0.30%，植酸0.20%，真空包裝后常溫貯藏，其保鮮期可達(dá)63d，細(xì)菌總數(shù)、TVB-N和pH值仍符合國家鮮肉二級鮮度標(biāo)準(zhǔn)。

由于一次風(fēng)源于大氣，動力粘度值較小，過流斷面速度梯度小，實(shí)際的流速分布均勻，接近于斷面平均流速，在未插入測量元件時，α值取1。但根據(jù)流體繞物體流動的位流理論，管道中在插入測量元件后，低速條件下(氣體的流速不大于102m/s)，流體的動能發(fā)生變化，相對于處于高壓分布區(qū)的高壓取壓點(diǎn)，低壓取壓點(diǎn)的選位則更為關(guān)鍵。若流體流過探頭后，流體牽引力和渦街脫落力隨機(jī)變化，尾跡的邊界層流波動，流量系數(shù)無法穩(wěn)定，產(chǎn)生無法確定的牽引漂移，流體分離點(diǎn)也不固定，則取壓信號跳變幅值將會很大。而若流體流過探頭后，能形成一個穩(wěn)定的紊流邊界層，即α=1，則牽引系數(shù)可以直接從流體系數(shù)推導(dǎo)，流線穩(wěn)定、信號噪聲小，這樣就提高了低流速時流體的測量精度。

差壓測量的體積流量計算公式為[1]:

簡化后為：

(6)

式中Α——測量元件開孔截面積；

C——在一定條件下是常數(shù)；

L——流體系數(shù)；

VQ——管道內(nèi)的體積流量；

ε——可膨脹系數(shù)；

Δp——差壓發(fā)生器產(chǎn)生的差壓；

ρ——被測流體在斷面S處的密度。

由式(6)可知，要確定VQ，必須確定L和Δp。設(shè)Sa為管道截面積，Sb為探頭截面積，再根據(jù)漸進(jìn)速度系數(shù)AS和常規(guī)差壓測量器件節(jié)流裝置的流體系數(shù)L：

(7)

(8)

可知：因式(8)中常規(guī)差壓節(jié)流裝置的流出系數(shù)Kd與雷諾數(shù)相關(guān)，所以若能保證流體系數(shù)L在一定范圍內(nèi)不再隨流體特性的影響而變化，則通過提高L的計算精度即可達(dá)到提高流量測量系統(tǒng)精度的要求。

若探頭截面設(shè)計不僅考慮到漸進(jìn)速度和能量損失因素的影響，還同時考慮到差壓產(chǎn)生過程中造成的管道阻礙損耗，以及由于這種限制帶來的探頭邊界層流的壓力損失，則式(8)可改寫為：

(9)

其中，KCO為流體邊界層流系數(shù)；N=e1×d2/e2，d為取壓孔開孔半徑，e1為截面舷長，e2為截面徑長；Sb′為管道減去探頭投影面積后的截面積，該值實(shí)際可按照理想氣體的特性修正，通過面積調(diào)整來補(bǔ)償流體邊界層厚度，即：

(10)

其中，Kb為考慮了受邊界層厚度影響的阻尼常數(shù)；Bv為管道阻礙系數(shù)，即探頭截面積與管道截面積的比值。流體系數(shù)的計算式可最終表達(dá)為：

(11)

由式(11)可知：根據(jù)此類參數(shù)的計算和選擇，探頭的截面形狀為類甲板型，盡管較之常規(guī)流線型的機(jī)翼型及橢圓型等截面設(shè)計，阻礙系數(shù)有所增加，但流體分離點(diǎn)基本固定。調(diào)整后的探頭設(shè)計在量程范圍內(nèi)，流體系數(shù)L主要取決于測量元件的截面尺寸、流體邊界層厚度、該尺寸與管道截面的半徑比和取壓孔的位置，均為基本與流體雷諾數(shù)無關(guān)的系數(shù)。

常規(guī)更流線型的探頭，其高壓區(qū)包絡(luò)范圍較大，高壓取壓點(diǎn)對流體的來流迎角要求不敏感。低壓取壓點(diǎn)為保證感壓軸線對流動方向的適應(yīng)性，常常位于尾部渦旋區(qū)(尾跡區(qū))，該區(qū)域不僅雜質(zhì)很易聚集，易堵塞取壓孔，且取壓信號受層流影響波動很大。而采用根據(jù)上述計算得出的單體雙室類甲板型探頭，較之于截面為類彈頭型的探頭，不僅由于截面舷徑比更大，流體在探頭后室兩旁形成遠(yuǎn)低于管道靜壓的低壓分布區(qū)(該壓力接近于普通探頭尾部渦旋區(qū)的壓力)，從而差壓值的取值更大，非常有利于提升測量效果；而且在該區(qū)域設(shè)置的低壓取壓孔位于尾跡區(qū)之前，這樣就避免了由于渦流層流影響和堵塞而產(chǎn)生信號波動，得到了穩(wěn)定無脈動的低壓信號，提高了對探頭的精度和性能起決定作用的差壓信號的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可靠性。

2 調(diào)試中的修正

以某國2×660MW超臨界機(jī)組為例，兩套機(jī)組各設(shè)計有8臺磨煤機(jī)。因空間所限，測量要求的直管段長度嚴(yán)重不足，各磨機(jī)的一次風(fēng)流量在調(diào)試的最初測量值跳變性均很強(qiáng)、波動幅值過大，從而造成控制系統(tǒng)的讀數(shù)波動很大，調(diào)節(jié)回路頻繁動作，對機(jī)組的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)造成了極大的影響，而系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)控制更是很難建立。

調(diào)試過程中，為降低數(shù)值的波動，在對變送器的阻尼系數(shù)統(tǒng)一調(diào)整后，系統(tǒng)還是會稍有風(fēng)量的變化就動作。因此按照第1節(jié)所述測量原理，把原常規(guī)的機(jī)翼型探頭更換為單體雙室類甲板型探頭。同時，根據(jù)現(xiàn)場管道尺寸、管道結(jié)構(gòu)、導(dǎo)流板安裝、風(fēng)門安裝、流體走向、測點(diǎn)及風(fēng)門前、后壓力等現(xiàn)場技術(shù)參數(shù)，建立了流場模擬仿真實(shí)驗(yàn)。以風(fēng)門開度關(guān)閉狀態(tài)順時針旋轉(zhuǎn)30°時的速度場為例，考察類甲板型探頭和尾部的低壓取壓點(diǎn)設(shè)計對流場的影響。流體仿真分析結(jié)果如圖2～5所示。

圖2 中截面速度場分布

圖3 流動軌跡線(速度)

圖4 類甲板型探頭插入處橫截面速度場分布

圖5 機(jī)翼型探頭插入處橫截面速度場分布

流體仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，采用單體雙室類甲板型結(jié)構(gòu)的探頭，低壓取壓點(diǎn)取在探頭尾部，其流場均勻，與尾跡區(qū)分離明顯，測量條件明顯優(yōu)于機(jī)翼型探頭，對測量結(jié)果達(dá)到了穩(wěn)定檢測的要求，測量精度大幅提高，重復(fù)性良好。

3 一次風(fēng)量的控制策略

在完成一次風(fēng)量測量的基礎(chǔ)上一次風(fēng)量調(diào)節(jié)的限制要求如下：

a. 輸送和干燥煤粉的一次風(fēng)量控制包含著出口風(fēng)粉混合物的溫度控制。為了保證鍋爐安全運(yùn)行，一次風(fēng)必須滿足一定的溫度范圍要求。

b. 增減負(fù)荷時燃料和風(fēng)量控制回路需交叉限制，否則由于風(fēng)量對象的特性時間常數(shù)大于燃料量的特性時間常數(shù)，增負(fù)荷時，助燃空氣不足，燃燒不完全，機(jī)組熱效率下降；反之，當(dāng)降負(fù)荷時，空氣過剩，引起NOx和SOx排放超標(biāo)[4]。

但常規(guī)控制邏輯中，交叉限制會造成增負(fù)荷，由于必須先增風(fēng)后加燃料，煤量動態(tài)過調(diào)可能被一次風(fēng)量的變化所抑制；而減負(fù)荷時，由于必須先減燃料后減風(fēng)，一次風(fēng)量的動態(tài)前饋又可能被煤量的變化所抑制。

針對上述問題，一次風(fēng)量控制回路的動態(tài)前饋回路可優(yōu)化為如下控制策略：為保持整個管道系統(tǒng)的總阻力不增加，并盡可能降低廠用電耗，當(dāng)磨煤機(jī)運(yùn)行時，磨機(jī)入口的一次風(fēng)量控制和出口溫度控制存在著強(qiáng)烈的耦合關(guān)系，冷風(fēng)門和熱風(fēng)門用于配合調(diào)整這兩大參數(shù)。一次風(fēng)風(fēng)量的測點(diǎn)在冷熱風(fēng)的混合點(diǎn)下游，由除法模塊和開方模塊組成一次風(fēng)溫度補(bǔ)償回路，當(dāng)風(fēng)溫信號錯誤時，切換器T1置1，校正取消。其主控回路在一次風(fēng)量測量值經(jīng)過開方模塊運(yùn)算后，轉(zhuǎn)換成流量信號，由超前/滯后模塊LEAD/LAG構(gòu)成的延時環(huán)節(jié)進(jìn)行阻尼運(yùn)算，濾去其中的高頻脈動干擾信號，并經(jīng)過標(biāo)度變換后進(jìn)入調(diào)節(jié)器偏差比較入口，經(jīng)過主控調(diào)節(jié)計算后，通過平衡模塊送出。一次風(fēng)量的設(shè)定值由磨機(jī)的給煤指令經(jīng)函數(shù)功能模塊f(x)計算后給出，可以通過DCS工程師站對風(fēng)量偏置和功能函數(shù)f(x)進(jìn)行調(diào)整。一次風(fēng)量冷熱風(fēng)門開度控制回路SAMA圖如圖6所示。

圖6 一次風(fēng)量冷熱風(fēng)門開度控制回路SAMA圖

交叉限制雖然保證了燃燒控制的安全，但卻損失了燃燒控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。因此磨機(jī)負(fù)荷指令經(jīng)另一傳遞函數(shù)模塊f(x)做功能計算后作為磨機(jī)熱風(fēng)風(fēng)門控制的前饋信號，當(dāng)燃料率變化時，該前饋信號將首先粗調(diào)風(fēng)門，加強(qiáng)一次風(fēng)量對給煤率指令的響應(yīng)速度，整定微分作用時間和強(qiáng)度，增強(qiáng)負(fù)荷調(diào)節(jié)的初始過程[5]，然后再通過主控回路來校正磨機(jī)的一次風(fēng)量偏差。

圖6所示，從磨機(jī)出口溫度調(diào)節(jié)器引入的另一路前饋信號，使冷熱風(fēng)門協(xié)調(diào)動作。這一回路為時間常數(shù)較小的慣性環(huán)節(jié)，而主控回路為時間常數(shù)較大的多容環(huán)節(jié)。為了改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，以入口熱風(fēng)風(fēng)門消除入口一次風(fēng)量的穩(wěn)態(tài)偏差，由入口冷風(fēng)風(fēng)門消除出口溫度的穩(wěn)態(tài)偏差，兩大參數(shù)間設(shè)計單向靜態(tài)解耦信號，即主控?zé)犸L(fēng)側(cè)的設(shè)置為正的比例環(huán)節(jié)，而輔控冷風(fēng)側(cè)設(shè)置為負(fù)的比例環(huán)節(jié)。冷熱風(fēng)風(fēng)門的開度調(diào)節(jié)指令互為交叉前饋信號，同時各自保持冷熱風(fēng)門的最小開度。

4 結(jié)束語

根據(jù)伯努利方程的推導(dǎo)和流體系數(shù)調(diào)整算法確定的單體雙室類甲板型探頭，在空載和帶負(fù)荷實(shí)驗(yàn)中，保證了信號采集的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。修正后的測量誤差在工程設(shè)計允許范圍內(nèi)，完全適用于回路的監(jiān)控和調(diào)節(jié)，讀數(shù)穩(wěn)定，重復(fù)性和流量趨勢良好。而控制側(cè)也采用了更為優(yōu)化的策略，保證了響應(yīng)的及時性和協(xié)調(diào)性。這樣既滿足了一次風(fēng)量根據(jù)負(fù)荷指令調(diào)整的需要，又維持了出口溫度的恒定，保證了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。