火力發電廠自動補償式爐膛壓力測量裝置應用前景分析

龔 峻，戴一鳴，吳志剛

(江蘇國信揚州發電有限責任公司，江蘇 揚州 225131)

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火力發電廠自動補償式爐膛壓力測量裝置應用前景分析

龔 峻，戴一鳴，吳志剛

(江蘇國信揚州發電有限責任公司，江蘇 揚州 225131)

傳統火力發電廠爐膛壓力測量裝置一般采用負壓式取樣筒，但取樣筒由于爐墻內外溫差及爐內煙氣呼吸作用的雙重影響極易積灰堵塞，造成爐膛壓力測量不準，需要定期安排檢修人員進行人工清理，清理時還需短時退出爐膛壓力保護功能，給鍋爐運行帶來較大的安全隱患。采用自動補償式微正壓測量裝置，可以有效解決爐膛壓力測量裝置容易堵塞的問題，不但有利于大幅降低爐膛壓力測量設備的維護工作量，而且更有利于提高爐膛壓力連續測量的可靠性、改善其動態性能、保證其測量精度，從而達到鍋爐運行期間全周期投用爐膛壓力保護的目的。

自動補償原理；測量裝置結構；靜態調試；動態調試

某火電廠1號、2號機組為亞臨界630 MW機組。1號、2號爐各配置10套負壓式爐膛壓力測量裝置，10個負壓取樣筒均勻布置在鍋爐48 m層前墻水冷壁預留的位置上。其中4個模擬量測量信號用于DCS系統爐膛壓力自動控制系統，6個開關量測量信號用于DCS系統爐膛壓力保護邏輯，實現爐膛壓力越限跳閘功能。

1號、2號爐爐膛設計為微負壓運行，爐膛負壓是反映鍋爐燃燒工況穩定與否的重要參數，是運行人員控制和監視的重要參數。爐內燃燒工況一旦發生變化，爐膛負壓隨即發生相應變化。因此，正確測量爐膛壓力對于保證爐內燃燒工況的穩定、分析爐內燃燒工況特性、煙道運行工況特性、分析事故原因均有極其重要的作用。

該廠原配套使用的爐膛壓力測量裝置為負壓式測量原理，取樣筒由于爐墻內外溫差及爐內煙氣呼吸作用的雙重影響極易積灰堵塞，造成爐膛壓力測量不準，需要定期安排檢修人員進行人工清理，清理時還需短時退出爐膛壓力保護功能，給鍋爐運行帶來較大的安全隱患。因此，尋求一種既不堵塞，又保證測量精度的爐膛壓力測量裝置成為該廠的研究課題。

1 自動補償式微正壓測量裝置工作原理

1.1 項目必要性

在爐膛壓力取樣筒改造前，原爐膛壓力測量裝置存在的主要問題就是取樣筒容易堵塞，從而導致爐膛壓力測量接近失效，一方面直接影響爐膛壓力連續測量的可靠性與動態性能，進而影響爐膛壓力調節品質與鍋爐安全保護的可靠性；另一方面相關設備的日常維護工作量很大，平均不到30天就要維護一次，維護時要進行測量信號邏輯隔離、就地設備退出、壓縮空氣吹掃或機械清除積灰、裝置投入及測量信號邏輯恢復等多個操作步驟，每個測點維護一次至少耗時半小時，期間為防止人為誤操作，爐膛壓力保護都處于退出狀態。

有效解決爐膛壓力測量裝置容易堵塞的問題，不但有利于大幅降低爐膛壓力測量設備的維護工作量，而且更有利于提高爐膛壓力連續測量的可靠性、改善其動態性能、保證其測量精度，從而達到鍋爐運行期間全周期投用爐膛壓力保護功能的目的。

1.2 自動補償式防堵風壓測量裝置工作原理

要實現爐膛壓力精確、可靠測量，防堵是一個技術關鍵點。目前電廠的防堵取壓裝置一般采用常規的防堵取樣筒，如：花瓶式內置三層防堵結構的取樣筒、自清灰取樣筒和微流量連續吹掃防堵裝置(吹氣量僅為60 L/h)等。這些產品在防堵取壓上雖有一定效果，但從各電廠實際使用情況來看并不十分明顯，取樣筒堵塞現象仍然存在，并不能從根本上解決取樣筒防堵塞的問題。

針對這些問題，擬對1號、2號爐爐膛壓力測量裝置進行改造，保留原壓力變送器、壓力開關等原有的二次測量信號通道，并計劃采用自動補償式防堵風壓測量技術來徹底解決爐膛壓力測量取樣筒的堵塞問題。

自動補償式防堵風壓測量裝置的工作原理如圖1所示，該裝置主要包括爐膛壓力一次測量元件(取樣筒)、配氣箱兩部分。

圖1 自動補償式防堵風壓測量裝置的工作原理

自動補償式防堵風壓測量裝置的基本工作原理為：使用壓縮空氣對爐膛壓力取樣筒進行連續吹掃，徹底杜絕爐膛含塵氣體進入取樣筒，達到可靠防堵的效果。通過獨特結構的設計，自動補償吹掃流量及其變化對爐膛壓力測量的影響，使測壓位置截面(A)處的測壓值與取壓位置截面(L)處的爐內真實壓力值相等，達到精確測量的目的。

圖1中的A與L是壓縮空氣連續吹掃通道上的兩個截面，其中L為爐內真實壓力取壓位置截面，A為吹掃管出口測壓位置截面。由伯努利方程可得：

(1)

式中 Δpx——A～L截面之間的阻力損失。

由于A、L兩截面氣體的流動位差、密度差均可以忽略，得到：

ρAgHA=ρLgHL

(2)

故式(1)可簡化改寫成：

(3)

由式(3)可知，只要使得：

(4)

就能實現A截面的壓力測量等價于L截面的爐內真實壓力的測量，即：

PA=PL

(5)

由于可以近似認為：

ρA=ρL

(6)

所以由流量連續方程可推出：

(7)

在另一方面，由流體力學阻力計算方法可知，A～L截面之間的阻力損失與沿程阻力系數、局部阻力系數、流體密度、動能有關。設Z為A～L截面之間的總等效阻力系數，則阻力損失Δpx可表達為：

(8)

將式(6)～式(8)代入式(4)，整理后可得：

(9)

對式(9)進一步化簡后可得有效補償條件：

(10)

式中pA，pL——A、L截面的壓力；

ρA，ρL——A、L截面吹掃氣體的密度；

VA，VL——A、L截面吹掃氣體的流速；

HA，HL——A、L截面位置的標高；

Z——A～L吹掃段總等效阻力系數；

SA，SL——A、L截面的通流面積；

g——重力加速度。

表1 在不同實驗條件下的比較數據表

由式(10)可知，有效補償條件與吹掃流量無關，使得測量效果不受氣源壓力、氣體流量變化的影響。

壓力自動補償的實現方法：通過取樣管內部結構的合理設計與試驗標定，使取樣管結構條件精確滿足式(10)，最終使得取樣點壓力(pA)的測量等價于爐內真實壓力(pL)的測量。

根據自動補償式防堵風壓測量裝置工作原理和定量分析數據，理論上可以保證該裝置爐膛壓力測量結果不受吹掃氣源壓力、吹掃氣體流量變化的影響。因此將傳統的爐膛壓力負壓式測量方法變為正壓式測量方法技術上是可行的，能夠保證測量信號的精確性和穩定性。

2 裝置改造前期試驗及數據分析

由于爐膛壓力測量對保證鍋爐安全運行至關重要，于2008年2號機組檢修期間，在2號爐編號為2PTGF013 的爐膛負壓測點附近安裝了一只自動補償式防堵風壓測量裝置，信號編號2PTGF018，試驗期間該信號僅用于DCS顯示，不參與自動調節回路。

在裝置安裝完畢后，為了實際驗證吹掃氣體壓力、吹掃流量對爐膛負壓測量精度的影響，在機組冷態和熱態工況下分別對該套自動補償式防堵風壓測量裝置2PTGF018進行了吹掃壓力、吹掃流量擾動比對試驗，與緊挨著的原測量裝置2PTGF013進行比較，擾動試驗曲線如圖1至圖5所示，比較數據見表1。

圖1 區間1至區間3曲線圖

圖2 區間4至區間6曲線圖

圖3 區間7至區間8曲線圖

圖4 區間9曲線圖

圖5 區間10曲線圖

從擾動比對數據可看出，只要將吹掃壓力調整到0.40 MPa以下，吹掃流量調整到30.0 L/min以下，采用自動補償式防堵風壓測量裝置的測點信號與比對點信號曲線一致，說明對爐膛壓力取樣筒進行換型改造是成功的。

從2008年至2013年，該套裝置一直連續穩定運行近6年時間，經受了長達一個A修周期的時間考驗。該裝置在免人工維護的情況下連續運行數年，從未發生過堵塞現象，測壓的靈敏度、靜態精度、動態精度及運行穩定性都能滿足連續運行的要求。

3 技術推廣及應用注意事項

在試驗驗證該套自動補償式防堵風壓測量裝置改造方案完全可行的基礎上，分別于2013年6月及11月進行了1號/2號機組爐膛壓力取樣裝置全面改造，共安裝該型壓力測量裝置20套。改造工作主要包括取樣筒安裝、配氣箱安裝、靜態調試和動態調試四項內容，項目實施要點具體如下。

3.1 取樣管安裝注意事項

安裝應保證取樣管與水平面傾斜角為45°，材料為304不銹鋼，前端低于后端，取樣管與取壓點采用焊接連接。取壓點應選擇在測壓對象的金屬壁體上，壁體內側為被測流體，將壁體取壓點周邊厚度處理到10 mm，要求表面平整，厚度均勻。在取壓點位置自金屬壁體外側向內側鉆一斜孔，斜孔與水平面傾斜角為45°，力保斜孔通徑為Φ15。將取樣管前端插入斜孔中，用公用配件(45°三角板)校準取樣管前傾斜角為45°，左右不偏，同時校準取樣管插入斜孔中的長度為5 mm。

3.2 配氣箱安裝注意事項

配氣箱安裝位置應選擇在無劇烈震動、環境溫度低于75℃、沒有腐蝕性介質、便于巡視觀測的地方。配氣箱與水平面垂直安裝，以保證配氣箱內吹掃流量的控制與顯示正常。

3.3 系統調試

測壓對象中的被測流體靜止時對本產品進行的調試為靜態調試。測壓對象中的被測流體流動時對本產品進行的調試為動態調試。

3.3.1 靜態調試

根據自動補償式防堵風壓測量裝置安裝的位置與配氣箱的距離決定吹掃空氣壓力與流量。推薦選擇吹掃壓力設定值(吹掃流量為零時)：0.1～0.2 MPa，吹掃流量設定值：1 m3/h。

靜態調試步驟：檢查全程測量管路的密封；在確認流量計讀數為零的前提下，設定吹掃壓力至設定值0.2 MPa；選擇合適的微壓計，分別測試吹掃管位置為90、100、110、120、130、140 mm處的變(吹掃)流量特性，依次改變吹掃流量值：0.5、0.8、1.0、1.5 m3/h，分別記錄各流量穩定時的微壓計讀數。

3.3.2 動態調試

動態調試需分兩個階段進行,具體如下。

動態調試第一階段，測試吹掃管的“動態零位”：選擇吹掃壓力設定值(吹掃流量為零時)0.1～0.2 MPa 、吹掃流量設定值1 m3/h、動態調零壓力設定值(吹掃流量為零時)-100 Pa。在確認流量計讀數為零的前提下，用氣源處理組件的調壓手柄調節吹掃輸出壓力至設定值0.2 MPa，調節后及時鎖定調壓手柄。其次建立“動態調零壓力實際設定值” ：在確認吹掃流量為零的條件下，將測壓對象的被測壓力調到動態調零壓力名義設定值-100 Pa或其附近值并盡力維持穩定，此時被測壓力表的實際讀數將作為“動態調零壓力實際設定值”。接著優化調整吹掃管“動態零位” ：松開吹掃管上的鎖緊螺母，前后反復移動吹掃管，使被測壓力表讀數逼近“動態調零壓力實際設定值”，并注意盡力保持鎖緊螺母處的密封，當讀數相對穩定后關閉流量計后的出口閥，及時復查吹掃流量是否到零、動態調零壓力實際設定值是否有變動，當出現不滿意的變動時就需要按新值重新進行優化調整。最后機械鎖定吹掃管的“動態零位”。

動態調試第二階段測試變工況特性，主要測試-100 Pa時的變工況特性：首先建立“被測壓力基準值-100 Pa”，在確認吹掃流量為零的條件下，將測壓對象的被測壓力調到實際被測壓力值-100 Pa或其附近并盡力維持穩定；然后測試變吹掃流量工況，用流量計后的出口閥依次調節給定吹掃流量，0.5、0.8、1.0、1.5 m3/h。最后測試變壓力工況特性：依次調節給定測壓對象的被測壓力在-200、-300、-400 Pa，依次參考前述兩個步驟進行測試。

通過以上靜態和動態調試，以驗證該測量裝置在爐膛壓力全量程變化范圍內的測量精度，保證鍋爐運行安全。

4 結語與建議

該廠1號/2號機組爐膛壓力測量裝置改造完成后，在無人工定期維護的情況下已連續可靠運行2年多時間。

(1)使用壓縮空氣連續吹掃，主動防堵，徹底避免了粉塵濃度大和爐膛高溫造成的測量筒堵塞和燒毀。

(2)在一次測量元件上使用壓力自動補償法，無需在機組控制系統中進行計算修正，測量精度不受吹掃氣源壓力、流量影響。當補償流量為1 m3/h時，測量平均誤差控制在0.4 mm水柱以內。

(3)結構合理，安裝方便，直接在水冷壁鰭片上取壓即可。

(4)該裝置中任何元件故障都不會影響系統的正常工作，可靠性高。

自動補償式防堵風壓測量裝置是一套先進、性能穩定可靠的爐膛壓力測量系統，既大幅度降低了爐膛壓力測量裝置的維護工作量和人為操作風險，又提高了爐膛壓力測量的可靠性、爐膛壓力調節品質和爐膛壓力保護的可靠性，從而為鍋爐運行提供了極大的安全保證。因此，此項測量技術具有在火電廠推廣使用的巨大空間和潛力。

(本文編輯：趙艷粉)

Application Prospect of Automatic Compensation Furnace Pressure Measurement Device in Coal-Fired Power Plant

GONG Jun, DAI Yi-ming, WU Zhi-gang

(Jiangsu Guoxin Yangzhou Power Generation Co., Ltd., Yangzhou 225131, China)

The negative-pressure sampling tube is used as the conventional furnace pressure measuring device in coal-fired power plants, but the dual effects of the temperature difference between inside and outside furnace wall and the furnace flue gas respiration may lead to heavy ash block, as well as inaccurate furnace pressure measurement. Therefore, routine manual cleaning is required, and the temporary stop of furnace pressure protection during the cleanup results in the possible safe problem of the boiler operation. The automatic compensation pressure measurement device is can effectively solve these problems, not only conducive to greatly reducing the maintenance workload, but also to improving the reliability of continuous measuring the furnace pressure, and its dynamic performance and measurement accuracy, so as to achieve full cycle furnace pressure protection during boiler operation.

automatic compensation principle; device structure measurement; static debugging; dynamic debugging

10.11973/dlyny201605017

龔 峻(1967)，男，碩士，主要從事發電廠設備檢修及技術管理工作。

TM621.2

B

2095-1256(2016)05-0605-05

2016-06-14