垃圾焚燒爐爐排風量測量方法的比較研究

孫曉燕，戴小東，張曉斌，熊君霞，吳海鳳，叢海亮

（北京首創(chuàng)環(huán)境科技有限公司，北京 100028）

在垃圾焚燒技術中，自動燃燒控制（automatic combustion control，ACC）系統占有重要地位。與完全依靠運行人員經驗和感覺的傳統操作相比，ACC系統在確保系統運行協調性、提高運行管理水平和設備檢修效率、降低運營成本，以及保證穩(wěn)定的焚燒量、蒸發(fā)量、爐渣的熱灼減率、排氣標準等方面具有明顯的優(yōu)勢，因此日益受到業(yè)界的重視。

風量控制系統是ACC系統的關鍵子系統，在燃燒過程中，其通過調節(jié)燃燒用空氣流量以及每段爐排的速度來降低垃圾燃料熱量的波動，從而達到穩(wěn)定爐膛溫度、蒸汽流量、日處理垃圾量并控制飛灰質量的目的。ACC系統中的風量精確測量與垃圾的穩(wěn)定焚燒量、蒸發(fā)量、爐渣的熱灼減率以及排放標準息息相關，是實現垃圾焚燒爐安全、穩(wěn)定、高效運行的必要條件。目前國內外風量測量主要采用差壓式流量計（以雙文丘里流量計、均速管流量計等為代表）、熱式質量流量計等測量方式。由于垃圾焚燒爐爐排具有風管直管段短、風量量程比寬等特點，風量測量誤差通常較大，因此流量計選型一直是難點問題。

基于ACC系統原理，本文結合垃圾焚燒爐爐排實際工程中的風量測量特點以及筆者在三個垃圾焚燒項目中流量計選型、應用等方面的經驗，重點分析了均速管流量計、雙文丘里流量計、熱式質量流量計的測量原理和優(yōu)缺點，結合各流量計在不同場景和工作環(huán)境中的使用情況，

為垃圾焚燒行業(yè)的流量計選型提供相關參考。

1 ACC 系統原理

在垃圾焚燒中，在獲得穩(wěn)定蒸汽量的同時，需要嚴格控制廢氣中的氧含量。ACC系統包含一次風量調節(jié)、二次風量調節(jié)、垃圾給料和爐排速度調整等關鍵功能。ACC系統典型輸入、輸出關系圖如圖1所示［1］，ACC系統由蒸汽流量控制、爐排速度控制、燃燒用空氣流量控制和氧含量控制等子系統構成。

圖1 ACC 系統典型輸入、輸出關系圖Fig. 1 Input/out diagram of ACC system

1.1 蒸汽流量控制子系統

蒸汽流量控制可通過最小化燃燒波動的方法來實現。當垃圾燃料熱值變化時，需要投入適量的燃燒用空氣到爐膛，同時保證適量的垃圾燃料在燃燒區(qū)域。

目標蒸汽流量由操作員設定，燃燒用空氣流量在設定目標蒸汽流量和目標氧含量的基礎上自動計算得出，進而根據蒸汽流量、燃燒用空氣流量計算出爐排速度。因此，蒸汽流量控制是通過爐排速度控制和燃燒用空氣流量控制協調實現。

1.2 爐排速度控制子系統

爐排速度控制方式包括手動方式和自動方式。在手動方式下，操作員可以直接設定速度。在自動方式下，目標速度的設定來自于ACC系統程序。在完成調試之后，每段爐排速度基本保持不變，其整定值在調試期間確定。

1.3 燃燒用空氣流量控制子系統

必要的燃燒用空氣流量是根據目標蒸汽流量和規(guī)定的氧含量計算得出。一次風和二次風被適當分配至每段爐排，其分配比例在調試整定后基本保持不變。燃燒用空氣流量控制方式分為手動方式、自動方式以及串級控制方式。在手動方式下，操作員可直接打開控制空氣擋板至一定位置；在自動方式下，操作員可以根據目標流量控制空氣流量為一常量；在串級控制方式下，目標空氣流量由ACC系統設定。ACC系統通過計算煙氣殘余氧濃度與蒸汽流量偏差，經過函數計算將該偏差作為燃燒空氣調節(jié)風門PID（比例-積分-微分）控制器的設定值，將流量計測量值作為PID控制器的過程值，從而組成一個完整的閉環(huán)控制。

2 風量測量的特點及難點

以垃圾焚燒發(fā)電項目A為例，焚燒爐爐排及一次風系統如圖2所示。該項目采用某進口品牌高性能爐排。其采用液壓控制的三列水平順推階梯式爐排系統，每列爐排劃分為四個區(qū)：第一區(qū)為干燥區(qū)，第二、三區(qū)為燃燒區(qū)，第四區(qū)為燃燼區(qū)。每個區(qū)由相互交疊的固定爐排與可移動爐排組成，一次風從爐排下方吹入，提供垃圾焚燒需要的氧氣并冷卻爐排，各段爐排由液壓系統獨立驅動。每列爐排下方設置6根一次風管，每根風管上設置燃燒空氣調節(jié)風門和流量計，用來計量供給的燃燒空氣量以保證穩(wěn)定燃燒。三列爐排共18套調節(jié)風門和流量計。

在爐排處設置紅外成像攝像頭，并經過畫面處理裝置輸出模擬量信號至自動燃燒演算裝置，自動調整每個區(qū)的爐排速度與一次風量達到最優(yōu)比例。若某段爐排燃料燃燒不充分（例如爐內進入大型垃圾）時，可減少垃圾進爐量，并降低此區(qū)的爐排速度，同時加大此區(qū)爐排進風量，以便加強燃燒。在特殊情況下可能會出現集中一區(qū)爐排供風而其他區(qū)爐排不供風的情況。為了滿足這些特定時刻進風量大的工況，一次風管設計管徑較大，在正常流量以及較小流量下，一次風管內風速過低，這給流量計的選型帶來了困難。此外，在實際工程中，受限于爐底空間，風管直管段過短，難以滿足大多數流量計的安裝要求。

3 主流流量計的原理及實際運用經驗

目前在垃圾焚燒行業(yè)，風量測量一直是難點問題，并且沒有成熟的方案。為了探討各類流量計的實際測量結果和選型原則，筆者在多個垃圾焚燒項目上分別采用了雙文丘里流量計、均速管流量計和熱式質量流量計等三種測風裝置。下文將結合這三種流量計的測量原理、設計選型、投資成本和使用效果，給出垃圾焚燒發(fā)電項目中流量計的選型原則。

圖2 焚燒爐爐排及一次風系統圖Fig. 2 Diagram of incinerator grate and primary air system

3.1 雙文丘里流量計

雙文丘里流量計是一種基于差壓原理的流量傳感器。當流體流過雙文丘里流量計時，其中一部分流體流入外文丘里管內腔，經收縮口、喉部流向擴散角。這部分流體對流入內文丘里管部的流體產生抽吸作用，提高了文丘里管喉部流體的流速，從而明顯降低了內文丘里管喉部的靜壓，雙文丘里流量計全壓孔所測得的全壓與內文丘里管喉部所測得的靜壓之差得以放大。流速越大，所產生的差壓越大。雙文丘里流量計配合差壓變送器及顯示儀表（或計算機），通過對差壓的測量，實現對管道中流體流量的測量［2］。其流量可表示為

式中：Qv為體積流量；K為與流量系數、介質密度及開孔截面積等相關的系數；Δp為差壓。

雙文丘里流量計具有以下優(yōu)點：①靈敏度高。由于雙文丘里流量計具有差壓放大特點，所以在插入式測速管系列傳感器中，雙文丘里流量計的差壓最高，最低風速可測到3 m·s-1；②體積小，壓力損失小。雙文丘里流量計的壓力損失一般為其產生差壓的1%左右；③重復性好，性能穩(wěn)定；④安裝方便，便于維護和檢修。

雙文丘里流量計的缺點：由于測量的是點速，所以管道中流速分布對其測量精度影響較大。

基于以下因素在垃圾焚燒發(fā)電A項目中選用雙文丘里流量計：

（1）壓力損失、精度、安裝條件

在差壓式流量計中，雙文丘里流量計產生的差壓大而且壓力損失小。表1為均速管流量計、雙文丘里流量計差壓結果，可見后者差壓明顯高于前者。雙文丘里流量計配套的差壓變送器量程比為200:1，精度為0.04%，可滿足該項目對測量精度的要求。在安裝條件方面，雙文丘里流量計要求流量計上游直管段不小于5D（D為管道直徑），流量計下游直管段不小于2D。而項目A中一次風管道可保證流量計上游直管段為10D，流量計下游直管段為3D，理論上滿足雙文丘里流量計對直管段的長度要求。

表1 均速管流量計、雙文丘里流量計差壓結果（項目A）Tab. 1 Differential pressure results of averaging pilot tube and double Venturi flowmeter in plant A

（2）價格

雙文丘里流量計、均速管流量計、熱式質量流量計每臺均價分別為1.3、3.6、4.8萬元。可見，雙文丘里流量計的投資遠低于后兩種。出于對投資成本的考慮，項目A采用雙文丘里流量計。利用手持式標準流量計進行現場比對，結果如表2所示，其中：標定流量采用標準流量計測得的示數；顯示流量為雙文丘里流計測得的示數。

風閥50%、60%開度兩種工況下，擋板開度發(fā)生了變化，標定流量也發(fā)生了變化，但雙文丘里流量計的顯示流量基本保持不變（見表2中序號為2、3、4、5的測點），其誤差較大。經現場調研，發(fā)現出現此現象的原因為直管段長度不足，流量計安裝在風門擋板處導致產生偏流區(qū)，風場狀態(tài)不穩(wěn)定，而且測量值不是取多個測量點的平均值，并不能代表真實值。雙文丘里流量計價格低廉，理論上能夠滿足該項目對最低風速和精度的要求，且對于直管段長度相對要求較低。但經過項目A的驗證，該測量方式在實際運行狀態(tài)與理論計算結果相差較大，使用效果不理想。除非投資非常緊張，否則不建議采用雙文丘里流量計。

表2 雙文丘里流量計現場比對數據（項目 A）Tab. 2 Data determined by double Venturi flowmeter in plant A

3.2 均速管流量計

均速管流量計是基于皮托管原理發(fā)展起來的一種新型差壓式流量計。它的基本結構是一根中空的金屬桿，稱為檢測桿。檢測桿上迎流方向開有成對的測壓孔，測量管道中流體平均總壓p0，在檢測桿背流方向或者下游管壁上測量流體靜壓p。平均總壓p0和靜壓p之差△p與流量Qv之間的關系為[3]

式中：α為流量系數；ε為膨脹系數；ρ為介質密度。

均速管流量計的優(yōu)點包括：①結構較簡單，重量輕；②壓力損失小，能耗小；③準確度和穩(wěn)定性較好；④安裝、拆卸方便，維護量小；⑤采用管截面上介質的平均流速，能夠反映管內流速分布變化規(guī)律。

同時，均速管的測量原理決定了它存在不可避免的缺點，包括：①易堵塞：由于必須通過檢測孔測流量，只要流體中有粉塵、顆粒、凝析物等，堵塞就難以避免。但垃圾發(fā)電廠的一次風相對比較潔凈，粉塵較少。②輸出差壓小：均速管流量計是根據皮托管原理，通過測量△p來推算流量。

項目B中均速管流量計差壓結果見表3。

表3 均速管流量計差壓結果（項目 B）Tab. 3 Differential pressure results of averaging pilot tube in plant B

由表3中可見，均速管流量計產生的差壓較小，即使選擇市場上最高精度為0.025%、量程比為200:1的差壓變送器，也僅能保證實際差壓在0.080 kPa以上才能測得比較準確的值，在最小流量時，風量數值可信度低。但在絕大多數工況下，風量測量值可信度較高，因此在垃圾焚燒發(fā)電項目B中選用了均速管流量計。

項目B在投運后經過手持式標準流量計現場比對，結果如表4所示。除了風閥40%開度工況下，序號為1、2、4的測點誤差較大外，其余兩種工況均可準確、穩(wěn)定測量，使用效果良好。

3.3 熱式質量流量計

熱式質量流量計是基于熱擴散原理測量流量，其測量傳感器采用兩支探針（熱電阻元件），其中一支其測量結果為參考點，用來測量流體的溫度t1，另一支為加熱源，用來充當熱源，其溫度為t2。它們置于流體中，這兩支探針元件之間溫度差為ΔT。在無流量時，ΔT最大。隨著流體質量流量增加，熱源熱量被帶走，t2下降，ΔT會減小。通過電子線路將探針測得的溫度信號轉化為DC電壓信號或電流信號，信號在輸出終端輸出［4］。熱式質量流量計的加熱功率、溫差及測得流量之間關系為

表4 均速管流量計現場比對數據（項目 B）Tab. 4 Data determined by averaging pilot tube in plant B

式中：P為加熱源功率；b是與所測氣體物性如熱導率、比熱容、黏度等有關的系數，若氣體成分和物性恒定則視為常數；a是與實際流動相關的常數；Qm為流體的質量流量。

從式（3）中可以看出，利用熱式質量流量計實現流量測量有兩種方法：恒功率法（P固定）；ΔT恒溫差法（ΔT固定）。

為了對溫度快速響應和保持恒定的溫差，恒溫差熱式質量流量計的鉑電阻通常較細，而對于較細的鉑電阻，其附著物會對鉑電阻的散熱產生較大影響，嚴重時會使其測量精度大大降低。而恒功率熱式質量流量計中鉑電阻可以做得較粗或加熱源與熱電阻單獨工作（生產廠不同，尺寸通常也不同）。測量臟濕介質時，臟濕物質對鉑電阻的附著是短暫的（通常生產廠都對鉑電阻采取拋光處理，長期附著物不易產生）。垃圾焚燒發(fā)電項目中一次風是從垃圾儲坑處抽取，其介質特性是高溫、高濕、含塵量大，所以恒功率熱式流量計更為適用。

熱式質量流量計的優(yōu)點是：①有較高的精度和較好的重復性；②壓力損失小；③量程比寬，可達到1 000:1；④對直管段長度要求低；⑤風速低，對熱式質量流量計影響小。

在垃圾焚燒發(fā)電項目C中選用恒功率熱式質量流量計，可以有效避免氣體潮濕對傳感器的影響。項目C在投運后經過手持式標準流量計現場比對，結果如表5所示。整體來看，風量測量準確、穩(wěn)定，并且避免了均速管流量計不能準確測量小流量的問題。但其缺點為流量計價格昂貴。在建設標準較高、對ACC系統要求較高的垃圾焚燒廠時，恒功率熱式質量流量計是較合適的選擇。

4 結 論

在ACC系統中，風量控制至關重要，而其中風量測量又是風量控制的關鍵。本文分析了三種主流流量計的測量原理和優(yōu)缺點，并通過三個垃圾焚燒發(fā)電項目的工程實踐，對各流量計的實際測量效果進行了驗證，獲得了不同類型流量計的選型經驗。在垃圾焚燒廠風速低、直管段長度不足的情況下，雙文丘里流量計使用效果欠佳；均速管流量計價格適中，除了最小流量工況外，其他工況測量準確，值得推廣使用；熱式質量流量計在各種工況下均測量準確、穩(wěn)定，但價格昂貴，適合建設標準高的垃圾焚燒廠。

表5 熱式質量流量計現場比對數據（項目 C）Tab. 5 Data determined by thermal mass flowmeter in plant C