某電廠二次風量測量分析與應用

吳 吉 神華福能發電有限責任公司 福建 362700

火電廠機組的風量測量一般分為一次風、二次風、燃盡風、助燃風等，其中一次風量、二次風量的測量尤為重要。一次風量、二次風量測量的準確性直接影響一次風機和送風機的出力，同時也影響給水量、燃料量的調節，其調節品質直接影響機組的經濟性，甚至可能導致機組非停。 隨著機組自動化程度要求越來越高，對于具有多輸入、多輸出、強耦合、非線性特點的超臨界機組，其鍋爐側相對于汽機側仍存在較大的滯后的特點。類似風量這類重要參數的準確測量直接影響機組的安全穩定運行，機組對二次風量的在線測量也提出了更高的要求。本文以某火力發電廠百萬機組二次風量測量為例，分析其存在的問題及技術改造后的成功應用。

該工程火力發電機組容量為1050MW，鍋爐為超超臨界參數、一次再熱、單爐、東方電氣集團東方鍋爐有限公司生產的平衡通風、逆流燃燒方式、固體排渣、露天布置、全鋼框式變壓直流鍋爐。機組為東汽N1000-26.25/600/600超超臨界1050MW汽輪機。它由一臺再熱、單軸、四缸、四臺排汽凝汽式汽輪機、一臺單流高壓缸、一臺雙流中壓缸和兩臺雙流低壓缸組成。本工程DCS控制設備采用杭州和利時分散控制系統。配置軟件為MACS6.52系統，硬件為SM系列[1]。

1 二次風量測量形式

下面對該電廠二次風量改造前后兩種測量形式進行介紹。

1.1 雙文丘里裝置

雙文丘里流速計是一種用于測量電廠大口徑煙氣管道流量的壓差傳感器。利用壓差變送器和記錄顯示儀表，可以獲得管內被測點的瞬時壓差，通過雙文丘里流量計算書便可計算出不同工況風量，壓差與流量之間轉換通常都是通過DCS邏輯組態實現，即計算出實測風量大小。而DCS實際組態風量的設定值是根據機組負荷，即補償后的鍋爐主控指令由折線函數計算得出，通過對實測風量和風量設定值偏差的控制來調節爐膛氧量和燃燒，改造后的多矩陣式風量裝置測量原理同改造前一樣，只是取樣、測量形式有所不同，具體介紹見1.2小節。

1.1.1 文丘里特點

(1)與節流裝置相比，流量較小，永久壓力損失最小。本實用新型結構簡單，便于檢查、清洗和維護。與畢托管、阿努巴流量計、平均速度管流量計相比，其壓差信號較大。

(2)測量復現性穩定。所謂測量復現性就是在不同測量條件下，其測量結果一致的程度。測量復現性是儀表的一項重要性能指標。適用于低靜壓、低壓力損失的大口徑管道的測速。雙文丘里管常被用來測量煙道和非圓孔徑管道的測速，但現場實際使用效果表明，其防堵能力相對較差。

1.1.2 雙文丘里測量問題分析

利用3號機組停機期間，進入煙道檢查發現二次風量測量裝置堵灰嚴重，見圖1、圖2。針對檢查發現問題，進行同類型機組調研并咨詢廠家，分析主要原因為由于二次主風道面積較大，里面粉塵較多，裝置防堵效果不佳；另一原因是風量裝置部分負壓測點處流速較低，導致抽吸作用不強，長時間運行導致二次風灰塵進入文丘里負壓取壓口處造成嚴重堵塞。

圖1 風道內雙文丘里測量裝置

圖2 風道內雙文丘里測量裝置

1.1.3 定期吹掃方案

針對現場風量裝置取樣孔堵塞問題，調研同類型機組并咨詢廠家確定二次風量裝置定期吹掃方案，采用逐組測風裝置逐個測點挨個吹掃的方案。每組雙文丘里測風裝置迎風面為負壓側，背風面為正壓側，壓縮空氣接上以后，工人到二次熱風道風量測點位置處，將一次閥門1～15中的其中14個全部關閉(閥門布置見圖3)，只保留1個閥門是開啟的。迎風面負壓側吹掃具體步驟：

(1)關閉閥門2～15，保持閥門1開啟，吹掃15秒。

(2)開啟閥門2，關閉閥門1，吹掃15秒。

(3)開啟閥門3，關閉閥門2，吹掃15秒。

依次類推，直至迎風面負壓側全部吹掃完畢。

背風面正壓側吹掃方法同負壓側一樣，由于正壓側只有5組閥門，因此吹掃工作就簡單多了，關閉其中4個，開啟1個，逐組吹掃即可。

圖3 雙文丘里風量裝置圖

改造前通過此吹掃方案吹掃多次也無法解決文丘里測量裝置堵灰問題，即使定期吹掃周期縮短至1周，效果也欠佳，定期工作維護量非常大。而且總風量低保護是主保護之一，當風量正壓側堵灰嚴重時會導致風量突降觸發MFT，存在較大安全隱患。

1.2 多點矩陣式風量裝置

針對鍋爐煙氣含塵量大、風管截面大、風管內流場極不均勻的特點，需要采用一種具有良好的阻流性、耐磨性、多點平均壓力和低壓損失的測風裝置。傳統的測風裝置如機翼、畢托管和文丘里管都不能滿足這些要求。矩陣式空氣測量裝置具有自清潔、防堵塞功能[2]，幾乎無壓力損失，耐磨性能好，性能可靠，氣流顯示穩定。已成功應用于各種類型的鍋爐，成為免維護產品。

1.2.1 測量原理

DFAB防堵陣列風量測量裝置是基于靠背測量原理。測量裝置安裝在管道上。它的探頭安裝于管道內。當有介質流動時，迎風側受到氣流的沖擊，氣流的動能轉化為壓力能。因此，前管中的壓力較高。前管內的壓力稱為“全壓”，背風側由氣流驅動。管道內的壓力是管道內的靜壓，稱為“靜壓”。總壓和靜壓的差稱為壓差。其大小與風管內的風速有關。風速越大，壓差越大；風速越小，壓差越小。因此，只有通過測量壓差，才能發現壓差和風速之間的差異。根據這種關系，可以正確測量管道中的介質流量。測量原理見圖4。

圖4 測量原理示意圖

由于風道截面大，流場不均勻，只有一個測點是無法滿足測量要求的。為了更加精確測量，通常根據橫截面的尺寸和直管段的長度來確定測點的數量。然后，根據圖4的測量原理，在連接管內裝配多個測量點。所有正壓側相連，所有負壓側相連。正壓側和負壓側分別與壓差變送器的正負端連接。便可測得橫截面的平均壓差[3]。結構示意圖見圖5、圖6。

圖5 8個測量元件等截面布置示意圖

圖6 16個測量元件等截面布置示意圖

1.2.2 多點矩陣式裝置特點

(1)測量精度高：采用多點測量，可以真實反映管道流場狀況，測量精度達到1% 。

(2)測量線性好。

(3)自清灰、防堵塞：利用流體動能進行自清灰，徹底解決了含塵氣流風量測量裝置的取樣管路易堵問題，不需要額外的壓縮氣體來清掃，因此可以實現長期運行和免維護。

(4)幾乎無壓損，節能性好。

(5)組合式測風裝置的擋風面很小，可以忽略不計。整個管道流體的壓力損失幾乎為零，節能效果非常明顯。

(6)安裝簡單：插入式布置安裝，十分方便。

風量測量裝置工藝參數[4]見圖7。

應用工程某電廠安裝位置二次主風管道安裝方式水平節流件名稱DFAB防堵陣列型測風裝置流體名稱空氣工藝條件氣體名稱組份粘度μ密度ρB體積%分子量等熵指數空氣Air0.01721.292810028.9601.4001名稱數值單位名稱數值單位名稱數值單位最大流量1315000kg/h常用流量1162000kg/h最小流量800000kg/h工作表壓5800Pa工作溫度337℃密度0.6119kg/m3地區大氣壓101325Pa管道尺寸6000*5000*5mm流體粘度0.03057mPa·s等熵指數1.3746壓縮系數1.00041相對濕度50%管壁絕對粗0.075mm管道材質0.00001338mm/mm℃20#鋼糙度K0.075mm線脹系數0.0000175mm/mm℃1Cr18Ni9Ti等效直徑D6195mm計算結果刻度流量1500000kg/h刻度差壓 P206Pa最大雷諾數2456051常用雷諾數2171389最小雷諾數1494932常用差壓 P124Pa壓力損失Δω2.06Pa不確定度e±1.00%當量直徑5444mm刻度流速V22.6m/s工況截面積A30.144m2流速分布Fv1管道修正系數1.00401前直管段L116.33m后直管段L28.17m建議最短安裝長度6195mm結構系數k0.87計算公式M=5.09117*k*A*Fv*(P*ρ)^0.5t/h(注:P≤0時M取0,Fv為可設定參數默認為1)密度公式?ρ=ρB*273.15*(P0+P1)/101325/(273.15+t)(㊣P0為當地大氣壓;P1為表壓;t為管道溫度)推薦量程400Pa

圖7 風量測量裝置工藝參數圖示

1.3 風量測量裝置連接形式

風量測量裝置根據安裝形式可劃分為法蘭插入式連接、法蘭圓形管道式連接、法蘭方形管道式連接。

本工程項目采用法蘭插入式連接方式，見圖8(a)。

(a)法蘭插入式連接

(b)法蘭圓形管道式連接

(c)法蘭方形管道式連接圖8 風量測量裝置的三種形式

2 二次風量裝置換型改造

2.1 改造前存在的問題

4號機組啟機并網后，鍋爐二次風總風量測量裝置多次因取樣管路堵塞發生測量偏差，定期吹掃工作頻繁，維護量增大，工作風險也隨之加大。針對此問題進行長期分析與研究，同時通過調研得知，大唐呂四港電廠4臺600MW機組2009年自改用DFAB矩陣式測風裝置后效果非常好。結合它廠經驗以及技術人員指導意見最終確定二次風量換型改造方案。

在3號機組停運臨修期間，根據調研確定方案對風煙系統兩套二次風量裝置進行換型改造，將原設計雙文丘里測量裝置改為DFAB多點矩陣式風量測量裝置[5]。

2.2 風量測量裝置安裝步驟

(1)按照圖紙尺寸劃好中心線，根據開孔尺寸及安裝圖在風道頂部相應位置開孔。

(2)分別將各流量測量裝置組件插入到風道中，注意安裝時氣體流向必須和標牌上箭頭方向保持一致，切勿裝反，頂部的法蘭暫時不焊接。

(3)在風道內部將各流量測量裝置一次元件和內部加強桿焊接固定，后將頂部法蘭與管道焊接。

(4)將匯壓母管部分進行裝配焊接。

(5)將正(負)引壓接頭接至變送器正(負)端。

安裝示意圖見圖9。

圖9 流量測量裝置安裝示意圖

2.3 安裝注意事項

(1)流量測量裝置組件必須保持上下垂直。

(2)安裝流量測量裝置組件時必須和標牌上箭頭方向保持一致，切勿裝反。

(3)風量測量裝置安裝位置前后不允許有支撐物存在以免影響取壓裝置壓差采樣，導致風量測量不準。

(4)所有取壓管部分的焊接要求焊接無氣孔、夾渣、管內無焊瘤現象存在。

(5)設備安裝后，風量測量裝置一次門至差壓變送器的引壓管應該進行嚴密性試驗，并在連接到變送器前用壓縮空氣進行吹掃。

2.4 改造后優點

(1)母管改造后與水平位置成300坡度，與改造前雙文丘里取樣母管水平布置相比，母管積灰的概率大幅降低，通過設備長期運行狀況來看，改造后風量測量裝置防堵效果非常好。

(2)測風裝置的形式與改造前雙文丘里測風裝置相比也有所改變，改造后為矩陣式防堵測風裝置，結構內部有自動清灰擺錘[6]，當有風量介質流過時，擺錘會不斷振打將累積灰塵除掉，能更好地解決測風裝置堵塞問題，使測量更穩定、精確。

3 風量裝置投入運行效果

二次風量裝置經過換型改造后，使用前經過長期試驗觀察，無論在機組升負荷、降負荷還是負荷穩定的工況下二次風量的測量都非常穩定。完全解決了改造前存在的同側測點偏差大和兩側風量偏差大的問題；也從根本上解決了裝置易堵塞問題，提高了設備可靠性。DCS歷史趨勢圖見圖10。

圖10 不同工況對應二次風量趨勢圖

4 結語

3號機組采用多點橫截面測量裝置替換原來雙文丘里測風裝置后，通過機組不同工況多次試驗，測量效果較好，與改造前對比非常明顯。同時也將二次風量定期吹掃頻率從改造前的1月/次改成目前2月/次,通過長時間運行觀察效果非常好，改造后風量裝置完全可以解決原測量裝置易堵灰現象，確保空預器出口二次風量測量數據準確和可靠。對于具有風速測量相同問題的同類型機組，可借鑒上述案例進行選型、改造和調試。