矩陣式風量測量技術在含塵風道中的實踐應用

摘要：某廠有兩臺1 000 MW超超臨界機組，分別于2010年和2011年投產，兩臺機組共設置12套傳統均速管型二次風量測量元件。自投用該風量裝置以來，運行狀況一直不好，特別容易出現取樣孔堵灰、積灰并導致風量波動跳變大的情況，因此需頻繁吹掃。為解決該風量測量異常問題，重新設計了風量測量元件的結構型式，提高了風量測量的穩定性和準確性，減少了風量測量故障缺陷，保證了鍋爐運行安全，有利于機組的經濟安全運行。

關鍵詞：超超臨界機組;二次風量測量;穩定性;實踐應用

中圖分類號：TM621.2" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）24-0086-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.24.021

0" " 引言

風道系統風量值對于整個燃煤電廠的運行效率有著至關重要的影響。在傳統的風道系統中，均速管型單點風量測量技術應用廣泛。然而，由于鍋爐燃燒風道中摻混有大量煤灰粉塵的特殊性，加上風道內氣體流場存在不均勻、紊流與旋流的情況，傳統的風量測量方法往往不能準確、高效地測量含煤灰粉塵風道的風量，并且存在很多問題，如測量精度低、測量范圍窄、維護難度大等。這不僅影響了電廠的運行效率，還可能導致不必要的能源浪費和環境污染。例如，某廠兩臺機組共設置12套傳統均速管型二次風量測量元件，其屬于插入式差壓測量元件。該元件自基建投用以來，運行狀況一直不好，很容易出現取樣孔堵灰、積灰，導致風量波動跳變、風量壞點的異常情況，嚴重時會聯鎖機組AGC協調控制退出的故障事件。該風量測量方式設計的固有缺陷造成了送風自動運行控制效果差、檢修維護工作量大等故障情況頻繁出現，特別是晚班低負荷時該異常情況尤其嚴重，因此如何提高氣體流量測量的準確度顯得尤為重要。

1" " 設備現狀

在傳統的風道系統中，風量測量技術通常采用的是單點測量方式，這種方式主要存在以下幾個問題：首先，由于風道中含有大量的煤灰粉塵，傳統的測量方式往往會受到粉塵干擾，導致測量結果不準確;其次，由于測量點的數量有限，這種測量方式很難全面準確地反映風道的風量情況;此外，這種測量方式反應速度較慢，不能實時監控風道的運行狀態，不利于電廠的高效率穩定運行。

某廠原先使用的二次風量測量元件為傳統均速管型，正壓側和負壓側上面留有壓力取樣孔，因該取樣孔孔徑細小（2.5 mm），鍋爐熱二次風攜帶的粉塵很容易堵塞正、負壓側取樣孔，并在元件內部積灰（內部沒有排污設計，容易積灰，清理困難），經常出現風量偏高或偏低的跳變情況，所以該測量元件的測量方式已不滿足現場需求。

同時，取樣孔內積灰影響鍋爐二次風正常監視及運行，需要頻繁人工吹掃。吹掃周期在每周1～2次，情況嚴重時需隔天吹掃。如果堵塞很嚴重，風量跳變大，DCS上顯示壞點，還會影響二次風量送風自動，導致機組AGC協調控制退出，降低自動投入率，并影響技術監督統計。為減少機組運行中二次風量測量出現異常的情況，在機組停機時和日常預防性維護工作中，都需對所有二次風量元件進行吹掃和檢查，但效果很不理想，導致在機組啟動后和正常運行時仍需頻繁人工吹掃，特別是夜班低負荷時該異常情況非常嚴重。該類型的二次風量元件工作穩定性較低，日常維護工作量大，對爐膛的安全燃燒、鍋爐燃燒效率及機組運行負荷都產生了較大負面影響，是機組正常運行的重大隱患。

2" " 相關問題分析及項目實施試驗

為了解決上述問題，本文提出了基于矩陣式多點風量測量技術的方案。矩陣式多點風量測量技術可以在風道的多個位置同時進行風量測量，從而全面準確地反映風道的風量情況。同時，這種技術可適應大風量、粉塵含量高的場合，以實時監控風道的運行狀態，提高測風反應速度，為優化燃燒控制提供準確的數據支持。此外，矩陣式多點風量測量技術還可有效抵御煤灰粉塵的干擾，保證測量結果的準確性。所以，根據實際生產需要，對某廠二次風量測量進行創新性實踐改造，通過改變風量測量和取樣的方式，解決現有問題[1]。通過走訪周邊和其他省內百萬機組燃煤電廠，充分調研二次風量測量元件使用情況，并進行比對分析，最終決定選用一種多點取樣的矩陣式分布型式，并增大取樣孔徑，最大程度防止出現傳統式測量常有的堵塞和風量驟降故障。

多點矩陣式風量測量元件是基于背靠背測量原理：測量裝置安裝在管道上，其探頭插入管內，當管內有氣流流動時，迎風面受氣流沖擊，在此處氣流的動能轉換成勢能，因而迎風面管內壓力較高，稱為“全壓”，背風側由于不受氣流沖壓，其管內壓力為風管內的靜壓力，稱為“靜壓”，全壓和靜壓之差稱為差壓，其大小與管內風速（量）有關，風速（量）越大，差壓越大;風速（量）小，差壓也小，因此，只要測量出差壓的大小，再找出差壓與風速（量）的對應關系，就能正確測出管內風量。由于大風道流場相對比較復雜，為了能更準確地測得風道流量，將風道界面模擬等分成N個等份，在每個模擬的截面上布置一個測點，然后將若干個測點測得的差壓進行平均得到整個風道內平均差壓，再利用系數修正計算出風量Q（m3/h）：

Q=K×A×f（ΔP，T）

式中：K為風量計算的數學運算模型的總系數;A為風量測量裝置安裝處的面積;ΔP為風量測量裝置輸出差壓;T為風速（量）所對應的風溫[2]。

將矩陣式風量測量技術投入實踐應用，風道尺寸W×H（寬×高）：5 000 mm×6 700 mm。首先拆除舊型二次風量測量元件;然后在風道頂部開設1 000 mm×

110 mm方孔三個，左右兩側距離煙道壁600 mm;再在方孔中心處開一個定位槽，定位槽寬50 mm、長110 mm，定位槽寬度不能過大，否則焊接肋板不好固定，影響測量;施工過程中要求清理開孔邊沿殘留毛刺;最后將矩陣式風量測量元件插入管道中，調整元件位置，使焊接肋板卡進定位槽內，下表面與管道外表面充分接觸。二次風量測量布置設計如圖1所示。

通過調整元件接頭方向，最終使流體介質流向和元件接頭箭頭指向一致，斜剖口側在迎風面上，使其元件平面垂直于管道橫截面，從而保證各個取壓點都是正對迎風面，可以取得準確且有效的壓力信號，同時可以依靠粉塵自重自動清灰。在實施過程中，先點焊定位，確認符合上述安裝要求后，再進行加固滿焊，保證測量元件安裝穩固結實，無晃動。

3" " 設備改造前后效果對比及創新分析

該矩陣式風量測量元件測點壓力均衡，避免了單一取樣時渦流測量誤差引起的數值變化，測量波動小，精度高，最大允許誤差可控制在±2%至±1%;測量穩定性好，測量值真實，適合短直段管道風量測量;同時該元件屬于插入式安裝，安全方便。由于取樣孔徑加大加厚，孔徑內部可以依靠粉塵自重自動清灰，而不需要另加吹掃裝置。綜上可知，該測量元件測量線性度好、精度高，能滿足二次風量投自動的要求。

本實踐應用改造項目完成后，已連續工作四年以上，自改造后風量測量穩定，夜間低負荷時取樣點堵塞情況大大減少，從往常的平均一周吹掃1～2次變為每月定期吹掃，也無須再就地清理取樣點，運行效果良好。同時，由于二次風的測量精度和穩定性提高，AGC協調控制質量提高，煤耗降低，環保性能也得到了提升。試驗數據表明，基于矩陣式分布測量的設計應用方法，具有穩定性與安全性高、維護量小等優點，在燃煤電廠的含塵風道風量測量上有一定的應用價值。

3.1" " 技術優勢突出

新風量測量元件主要創新點在于將矩陣式多點風量測量技術應用在含煤灰粉塵較多的風道系統中。這種技術采用先進的矩陣式多點同時測量的方式，可以全面準確地反映風道的風量情況，具有精度高和穩定性好等特點，能夠滿足燃煤電廠含煤灰粉塵多的風道復雜測量需求。新元件反應速度快，可以實時監控風道的運行狀態，為優化燃燒控制提供準確的數據支持。該實踐應用不僅解決了傳統測量方式存在的問題，同時也為燃煤電廠的環保改造提供了新的思路。對比傳統風量測量元件，新元件具有下列明顯優勢：

1）精度高：使用插入式布置安裝，矩陣式分布測量結構，測點壓力均衡，矩陣式測量元件的擋風面積幾乎可以忽略不計，因此幾乎沒有造成整個風道流體的壓力損失，測量效果十分顯著，測量波動小，精度高，最大允許誤差可控制在±2%至±1%，特別適用于煤粉塵含量高的風量測量場合，能夠實現高精度的風量測量。

2）多點測量：采用等截面多點全截面測量探頭，避免了單一取樣時氣體紊流與旋流誤差引起的數值變化。

3）穩定性好：測量穩定性好，測量值真實，適合短直段管道風量測量，不受安裝環境的影響。

4）維護簡單：設備元件屬于插入式安裝，十分方便;由于取樣孔徑加大，取樣管加厚，取樣管內部可以依靠自帶的清灰桿實現自動清灰。

針對該實踐項目，第三方檢測機構開展了風量標定試驗，實測標定結果與改造后的矩陣式風量測量元件測量結果基本一致，效果很好。

3.2" " 經濟和社會效益優勢突出

從經濟效益方面來看，矩陣式風量測量技術的創新應用顯著提高了電廠運行效率，幾乎消除了以前均速管測量帶來的各種問題，避免了取樣管徑過小堵塞灰塵而引起的風量驟減、AGC協調自動退出甚至影響機組負荷的情況，使得鍋爐可以安全運行，延長了各聯動設備的使用壽命，保障了公司效益，節省了運營成本和設備檢修維護成本。

從社會效益方面來看，這次風量測量元件創新應用為后續的燃煤電廠風道系統和煙氣CEMS流量精準測量提供了改造思路和實施案例，對火電行業環保改造起到了積極的推動作用。具體表現在以下幾個方面：1）提高了測量精度和穩定性，減少了誤差和漏測的情況，保障了安全生產;2）降低了設備維護的工作量和成本，提高了工作效率和效益;3）為優化燃燒控制提供了準確的數據支持，提高了燃煤電廠AGC協調控制質量，保障了機組效率;4）推動了新技術的應用和發展，促進了技術進步和產業升級，與綠色能源的節能環保發電理念相適應。

4" " 結束語

本改造項目完成驗收后已工作四年以上，風量測量的穩定性、準確性有極為明顯的提高，風量測量故障缺陷顯著減少，維護了鍋爐運行安全，保證了機組長周期安全穩定經濟運行。矩陣式多點風量測量技術在燃煤電廠含煤灰粉塵風道中的實踐應用，具有重要的現實意義和發展前景，對燃煤電廠的風道系統精準測量有著深遠的影響，不僅為電廠帶來了顯著的經濟效益，也為社會帶來了重要的環保效益。二次風量采用矩陣式分布測量的設計應用方法，在燃煤電廠的含塵風道風量測量方面值得大力推廣。

[參考文獻]

[1] 田文娟.二次風風量多點測量裝置檢定方法研究[D].保定：華北電力大學，2017.

[2] 任登敏，張大川，胡杰.火力發電廠空預器出口二次風量測量技術優化[C]//2016燃煤電廠超低排放形勢下SCR脫硝系統運行管理及氨逃逸監測、空預器堵塞與低溫省煤器改造技術交流研討會論文集，2016：200-209.