BS-I型測速管的應(yīng)用及特性分析

柳冠青，曹文廣，張高山，華亮，石戰(zhàn)勝，馬治安，鄒重恩

(1.中國華電集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司，北京 100070； 2.中國華電集團(tuán)公司湖南分公司，長沙 410004；3.湖南華電長沙發(fā)電有限公司，長沙 410203)

0 引言

燃煤電廠制粉系統(tǒng)的性能測試和日常監(jiān)測中，風(fēng)速是最為基本和關(guān)鍵的測量對象之一。與單相介質(zhì)中的風(fēng)速測量不同，制粉系統(tǒng)粉管中由于顆粒(煤粉)的存在，常用的標(biāo)準(zhǔn)皮托管和S型靠背管的結(jié)構(gòu)和原理導(dǎo)致其測量的動(dòng)壓值包含了煤粉的貢獻(xiàn)，因此必須根據(jù)煤粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行修正以獲得實(shí)際風(fēng)速值[1-2]。然而實(shí)際情況下煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常都是未知量，而且相比流速測量來說，其測量難度更大，不確定性更高，因此，有必要采取不受氣流中煤粉影響的測速方法，以將風(fēng)速測量與煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)測量解耦。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]推薦在含塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%時(shí)采用BS-I型測速管進(jìn)行風(fēng)速測量而不需進(jìn)行煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)修正(但其速度系數(shù)需事先標(biāo)定)。BS-I型測速管的實(shí)際應(yīng)用不多，而且關(guān)于其性能特點(diǎn)的文獻(xiàn)報(bào)道十分少見。部分學(xué)者研究了與BS-I型形式相似的測速管，但其具體結(jié)構(gòu)參數(shù)與BS-I型差別較大[3]或未給出確切數(shù)值[4-5]。本文對BS-I型測速管進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，并基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法研究了其性能特點(diǎn)。

1 BS-I型測速管基本結(jié)構(gòu)

BS-I型測速管屬于靠背式結(jié)構(gòu)，俗稱劈頭靠背管，由2根?10 mm×1 mm的鋼管組成，2根鋼管的頭部以75°斜切，形成朝向氣流和背向氣流的尖頭楔形結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。分別測量總壓pt和靜壓ps，根據(jù)二者的差值即差壓Δp可計(jì)算來流速度u0。

式中：k為測速管的速度系數(shù)，主要取決于測速管的結(jié)構(gòu)形式和相對于來流的姿態(tài)；ρ為來流氣體的密度，kg/m3。

圖1 BS-I型測速管的結(jié)構(gòu)形式

2 BS-I型測速管實(shí)際應(yīng)用

本文根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)[1]進(jìn)行了BS-I型測速管的定制加工，出廠標(biāo)定的速度系數(shù)k≈0.82。采用該測速管在華電長沙發(fā)電有限公司#1機(jī)組制粉系統(tǒng)分離器多根出口粉管上(帶粉狀態(tài)下)進(jìn)行了風(fēng)速測量，并與粉管上固定安裝的測速裝置即分散控制系統(tǒng)(DCS)表盤顯示的風(fēng)速進(jìn)行了比對，見表1。由表1可以看出，BS-I測速管實(shí)測值與DCS示值偏差不大，相對偏差的絕對值平均約為5%，對于現(xiàn)場測試來說，無論從準(zhǔn)確性還是便捷性方面考慮都是較好的一種測量手段。

圖4 測速管的不同積粉情況

DCS示值/(m·s-1)測速管測量值/(m·s-1)相對偏差/%33.032.0-3.028.026.0-7.128.528.70.724.026.18.8

3 BS-I型測速管特性的數(shù)值計(jì)算和分析

現(xiàn)場測試時(shí)，測試結(jié)果會(huì)受到諸多外界因素的影響，包括測速管未完全正對來流、測速管內(nèi)有積粉導(dǎo)致開口截面形狀發(fā)生變化等。本文采用CFD方法，研究了BS-I測速管在放置姿態(tài)不同和粉管積粉兩種情況下的測量特性。

3.1 CFD計(jì)算設(shè)置及工況

在計(jì)算模型中，BS-I測速管總長約200 mm，放置于截面尺寸為300 mm×400 mm、流動(dòng)方向長1 200 mm的矩形流道中。如圖2所示，氣體從矩形流道左側(cè)入口流入，從右側(cè)出口流出，流道中主流速度為已知的設(shè)定值。采用Realizablek-ε湍流模型和增強(qiáng)的壁面函數(shù)。BS-I測速管的總壓管和靜壓管中空結(jié)構(gòu)的底部為壁面邊界條件，該處的壓力數(shù)值即分別為測得的總壓pt和靜壓ps。測速管及周圍區(qū)域采用加密的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，典型的網(wǎng)格尺寸為1 mm，主流區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，典型的網(wǎng)格尺寸為8 mm，計(jì)算區(qū)域總網(wǎng)格數(shù)為40萬～60萬，并進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。

圖2 計(jì)算域示意

本文研究了圖3和圖4所示工況下的測速管特性：(1)標(biāo)準(zhǔn)工況，即測速管嚴(yán)格正對來流(如圖2所示)；(2)測速管繞對稱軸扭轉(zhuǎn)一定角度θ，模擬測試時(shí)測速管垂直于管道中心線插入流體，但總壓口沒有完全正對來流(即總壓管和靜壓管軸線所在平面與來流方向不平行)的情況，如圖3a所示；(3)測速管前傾或后仰一定角度β，模擬總壓管和靜壓管軸線所在平面與來流方向平行但測速管對稱軸與來流方向不嚴(yán)格垂直的情況，如圖3b所示；(4)總壓口形狀為部分“堵塞”的橢圓，模擬總壓管內(nèi)積粉導(dǎo)致總壓口形狀發(fā)生變化的情況，如圖4所示。

圖3 測速管的不同放置姿態(tài)

3.2 計(jì)算結(jié)果與討論

測速管的性能指標(biāo)和特性主要指其速度系數(shù)k以及k隨流速、測速管放置姿態(tài)和積粉等情況的變化。通常情況下，k對前述因素越不敏感越好。

3.2.1 速度系數(shù)隨流速的變化

粉管風(fēng)速u0常在20～35 m/s的范圍內(nèi)，本文分別計(jì)算了標(biāo)準(zhǔn)工況下u0為20，30，35 m/s時(shí)的速度系數(shù)k，結(jié)果分別為0.805，0.808，0.809，差別不顯著，且與本文現(xiàn)場實(shí)測所用測速管的速度系數(shù)0.820偏差不大(-2%以內(nèi))。后文計(jì)算中均設(shè)定u0=30 m/s。

3.2.2 速度系數(shù)隨旋轉(zhuǎn)角度θ的變化

圖5給出了測速管繞對稱軸旋轉(zhuǎn)角度θ從0°變化至87°時(shí)的總壓pt、靜壓ps和速度系數(shù)k的變化曲線。隨著θ的增大，pt單調(diào)減小，而ps絕對值先增大(即負(fù)壓程度增強(qiáng))，之后在θ>80°后又減小。k在θ=[0°，30°]的范圍內(nèi)從0.808單調(diào)增加至0.812，相對增加0.5%，變化不明顯，說明k對測速管的旋轉(zhuǎn)角度不敏感，但這并非因?yàn)閜t和ps在該區(qū)間內(nèi)不隨θ變化，而是二者變化的方向和程度相近，導(dǎo)致差壓Δp變化不大。但k在θ>80°后急劇增大，這是因?yàn)榇藭r(shí)pt和ps逐漸接近，當(dāng)θ=90°時(shí)二者幾乎相等，此時(shí)k將為無窮大。利用該特性，可以在實(shí)際應(yīng)用中較準(zhǔn)確地確定來流速度平面，方法是使測速管繞對稱軸旋轉(zhuǎn)，直至差壓Δp接近為0，此時(shí)來流方向所在平面一定垂直于總壓管和靜壓管軸線所構(gòu)成的平面，這有助于研究粉管中是否存在不均勻流動(dòng)，特別是殘余旋轉(zhuǎn)。

圖5 總壓、靜壓和速度系數(shù)隨旋轉(zhuǎn)角度的變化

3.2.3 速度系數(shù)隨傾斜角度β的變化

圖6為測速管傾斜角度β從-20°變化至+20°時(shí)的總壓pt、靜壓ps和速度系數(shù)k的變化曲線。β為負(fù)值時(shí)測速管呈前傾狀態(tài)，為正值時(shí)測速管呈后仰狀態(tài)?？倝弘S傾斜角度變化不大，最大值出現(xiàn)在β=[-10°，-5°]區(qū)間。在略前傾的狀態(tài)下，總壓管的開口橢圓面相比未前傾時(shí)更接近于垂直來流，因此總壓值反而更大，但其最大值并不出現(xiàn)在β= -15°開口橢圓面嚴(yán)格垂直來流的狀態(tài)下，這可能與測壓管本體圓管對附近流場的影響有關(guān)。靜壓則隨傾斜角度單調(diào)變化，測速管呈前傾狀態(tài)時(shí)靜壓值較高，后仰時(shí)靜壓值較低，極端情況下，即β= -90°時(shí)總壓和靜壓值將相等。

速度系數(shù)k隨傾斜角度β的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，最小值出現(xiàn)在β= -5°附近，約為0.806。k-β曲線并不關(guān)于β= 0°對稱，測速管前傾和后仰對流場和壓力場分布的影響不存在“鏡像”對稱性。在圖示范圍內(nèi)，k的最大值約為0.861(此時(shí)β=20°)，相比未傾斜狀態(tài)的0.808大了約6.6%，這是當(dāng)氣流方向無法準(zhǔn)確獲知但偏離管道或煙道中心線不超過20°時(shí)可能引起的測速誤差絕對值的上限。當(dāng)粉管來流方向明確時(shí)，建議實(shí)際測量時(shí)將粉管后仰5°左右，這時(shí)引起的測速誤差僅為-0.4%左右，但有利于減緩或避免總壓管積粉，使得將BS-I型測速管作為半固定式的粉管測速手段成為可能。

圖6 總壓、靜壓和速度系數(shù)隨傾斜角度的變化

3.2.4 速度系數(shù)隨總壓管積粉狀態(tài)的變化

表2為總壓管不同積粉情況下的測速管性能參數(shù)。從表2可以看出，總壓管無論是側(cè)面輕度積粉還是背側(cè)輕度、中度積粉，測速管的速度系數(shù)變化很小。這與一些學(xué)者對S型靠背管入口形狀變化對速度系數(shù)影響的研究結(jié)果具有一定的相似性，但S型靠背管在流速為15 m/s時(shí)對入口形狀的敏感性偏大[6]。根據(jù)筆者的使用經(jīng)驗(yàn)，S型靠背管在測量粉管風(fēng)速時(shí)堵塞迅速，不會(huì)如文中設(shè)想的僅出現(xiàn)總壓管入口的局部堵塞。S型靠背管發(fā)生堵塞后，差壓值往往單調(diào)變化，而不是圍繞均值上下波動(dòng)，此時(shí)的測量值已經(jīng)無效，不再是測量精度高低的問題。

表2 總壓管積粉狀態(tài)對速度測量的影響

圖7給出了總壓管未積粉和背側(cè)中度積粉2種工況下，總壓管中心縱剖面(平行于來流方向)上的壓力分布：總體呈現(xiàn)中間大于邊緣區(qū)域的情況，最大值出現(xiàn)在入口截面基部以下的管外壁處?？倝汗苋肟诔騺砹鞯谋硞?cè)中部壓力較高，下部次之，上部最低。雖然積粉堵塞區(qū)域在2種工況下的壓力分布差異較大，但2種工況下總壓管入口流體區(qū)域的壓力分布卻大致相似，因此總壓管背側(cè)中度積粉對pt造成的影響比較有限。

圖7 總壓管未積粉、背側(cè)中度積粉時(shí)的壓力分布

4 結(jié)束語

現(xiàn)場實(shí)測驗(yàn)證了BS-I型測速管對粉管風(fēng)速的測量具有較好的精度，且不需要進(jìn)行基于煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的修正。CFD數(shù)值計(jì)算則表明，BS-I型測速管的速度系數(shù)對流速、測速管放置姿態(tài)和管內(nèi)積粉等情況不敏感，具備良好的精度和實(shí)用性?；谝陨锨闆r，對于燃煤電廠制粉系統(tǒng)風(fēng)粉管道內(nèi)的流速測量，建議推廣采用BS-I型測速管。

[1]電站磨煤機(jī)及制粉系統(tǒng)性能試驗(yàn)：DL/T 467—2004[S].

[2]南京熱電廠，江蘇電力局中試所，西安熱工所.含塵氣流濃度對動(dòng)壓頭的影響[J].熱力發(fā)電,1976(10):87-95.

[3]孫志強(qiáng)，鄭劍武，張宏建，等.類S型皮托管及其測量特性研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2007，26(5):40-42.

[4]張澄，趙秀英.JS型測速管的研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1995，23(6):706-711.

[5]張澄，趙秀英.含塵氣流測速管的研究與開發(fā)[J].通風(fēng)除塵，1996(4):1-4.

[6]張見昕.S型皮托管截面受損與皮托管系數(shù)變化的實(shí)驗(yàn)研究[J].環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2011，31(3):56-58.