毛新業(yè)

一、前言

1.形勢(shì)嚴(yán)峻

溫室效應(yīng)、節(jié)能減排已成為全人類所關(guān)注的課題。在2009年的哥本哈根會(huì)議上，我國(guó)宣布到2020年，將在2005年基礎(chǔ)上，將單位GDP產(chǎn)值降耗40～45％。要達(dá)到這個(gè)減排指標(biāo)，將面臨很大的困難與壓力。雖然我國(guó)近年已將節(jié)能減排放在國(guó)策中的重中之重，竭盡全力，加大了力度，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍存在較大的差距。我國(guó)中小火電廠供電耗煤為380～500g/kw；大型電廠為320～354 g/kw，如全部達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平299g/kw（日本），可節(jié)約1億噸煤，減排SO2 180萬(wàn)噸，CO2 2.2億噸，火電的技改應(yīng)是我國(guó)節(jié)能減排的重點(diǎn)之一。

“十一、五”火電節(jié)能減排主要依靠行政手段進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，關(guān)停產(chǎn)值小、能耗大的中小企業(yè)，僅火電就關(guān)停了5000多萬(wàn)kw機(jī)組，這終究只是權(quán)宜之計(jì)，今后的重點(diǎn)還是應(yīng)用科學(xué)發(fā)展觀，采取節(jié)能新技術(shù)促進(jìn)節(jié)能減排。

2.準(zhǔn)確測(cè)量風(fēng)量，提高鍋爐熱效率

近些年，我國(guó)火電的節(jié)能減排重點(diǎn)是除塵，脫硫，尚未對(duì)提高風(fēng)量測(cè)量準(zhǔn)確度以增加鍋爐熱效率引起足夠的重視。鍋爐的燃燒，是碳與氧的化學(xué)反應(yīng)，應(yīng)有一個(gè)恰當(dāng)?shù)娜剂?空氣比，才能有效地完成這個(gè)化學(xué)反應(yīng).。空氣（氧）不足，燃燒不完全；空氣過(guò)多則造成鍋爐熱效率降低。長(zhǎng)期以來(lái)，為避免供氧不足引起熄火，往往采取過(guò)氧運(yùn)行，過(guò)氧量常達(dá)2～3％，導(dǎo)致10～15％的空氣被無(wú)謂的加熱、輸運(yùn)、排放，造成鍋爐熱效率不高。前三年我國(guó)電廠平均凈效率僅34.43％，而國(guó)際先進(jìn)水平已達(dá)40％以上。

據(jù)相關(guān)資料估算2，如風(fēng)量準(zhǔn)確度為8～10％，鍋爐熱效率僅為70～74％，如采取多項(xiàng)措施，將風(fēng)量測(cè)量準(zhǔn)確度提高至2～3％，則可將鍋爐熱效率提高至80～84％，我國(guó)火電裝機(jī)達(dá)5.5億kw，如普通采用新技術(shù)提高風(fēng)量測(cè)量準(zhǔn)確度，將有力促進(jìn)我國(guó)節(jié)能減排，具有重大的意義。

二、火電風(fēng)量檢測(cè)的特點(diǎn)與其檢測(cè)儀表

1.火電風(fēng)量的特點(diǎn)

①管徑可達(dá)5～6米以上，多為矩形管，且組合復(fù)雜（圖1a，華北某火電廠二次風(fēng)管道），直管段長(zhǎng)度放短，往往不足1D，流速分布復(fù)雜（圖1b），且隨負(fù)荷不斷變化，不可能存在固定不變的平均流速點(diǎn)。

②管內(nèi)存在漩渦，其大小及位置隨流量不斷變化。

③為減小壓力損失（管道壓損與流速大小按幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)），管內(nèi)流速多低至5～10m/s，在常溫下，空氣的總靜壓差僅15～60Pa（約1.5~6mm水柱）。

④氣體中常含有粉塵，采取常用的差壓儀表易于堵塞。

⑤由于流量分布復(fù)雜，如提高準(zhǔn)確度多采用速度面積法，測(cè)取幾十點(diǎn)流速推算流量，每一點(diǎn)流速的大小、流體物性、加權(quán)個(gè)數(shù)……均不相同，計(jì)算復(fù)雜。

2.已使用過(guò)的檢測(cè)儀表

①測(cè)單點(diǎn)

基于取樣原理，通過(guò)測(cè)管道中某一特定點(diǎn)（圓中心或0.242R）流速來(lái)推算流量.如:插入式渦輪、渦街、雙文丘里、熱式等……，其前提是前直管段長(zhǎng)度應(yīng)達(dá)到30～50D（Ｄ管內(nèi)徑）。

由于火電廠直管段長(zhǎng)度極短，且存在變化無(wú)常的漩渦，不可有位置固定不變的平均流速點(diǎn)，甚至不存在輸出值隨流量變化的規(guī)律，且不說(shuō)流量準(zhǔn)確度，即或用于工控系統(tǒng)也是不合適的。

不少?gòu)S家曾宣稱其流量計(jì)曾在風(fēng)洞中進(jìn)行了標(biāo)定，準(zhǔn)確度可達(dá)到±1％，這僅是流速準(zhǔn)確度，流量準(zhǔn)確度由于管道的影響，即使直管段較長(zhǎng)也只可能達(dá)到±3％。3、4

當(dāng)前仍有不少電廠采用熱式流量計(jì)測(cè)風(fēng)量，它的優(yōu)點(diǎn)是可測(cè)很低的流速且不會(huì)阻塞，但它只能測(cè)干燥的氣體，溫度不能太高，且當(dāng)存在漩渦時(shí)，還可能給出虛假信號(hào)，只是這個(gè)信號(hào)究竟反映什么，那就說(shuō)不清了，而可肯定不是真實(shí)的流速。

從上所述，由于火電廠流速分布過(guò)于復(fù)雜，這類測(cè)單點(diǎn)的插入式流量計(jì)已完全不適用于火電廠的風(fēng)量測(cè)量。

②測(cè)線上多點(diǎn)5

通過(guò)測(cè)管道中某一直線（圓管為直徑，矩形管為高或?qū)挘┥隙帱c(diǎn)流速來(lái)推算流量，安裝仍為插入式的流量?jī)x表，于上述測(cè)單點(diǎn)流量相比，準(zhǔn)確度將有所提高，且具有安裝簡(jiǎn)便，工作穩(wěn)定，壓損小等優(yōu)點(diǎn)，以均速管（即Bar類）為典型。但其前提也需要有不少于20D的前直管道長(zhǎng)度，管內(nèi)流速分布的等速線近似于同心圓才有可能獲得必要的準(zhǔn)確度。

均速管用于各項(xiàng)工程已有四、五十年的歷史，根據(jù)技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用中的問(wèn)題不斷改進(jìn)更新，檢測(cè)桿的截面形狀、取壓方式歷經(jīng)了圓形、菱型Ｉ型、菱型型Ⅱ（組合式）、菱型Ⅱ（一體式）、彈頭型（威力巴）、T型（Annubar485）等多種型式。當(dāng)前在冶金、鋼鐵、市政、化工、建材……等行業(yè)應(yīng)用較多的是菱形Ⅱ一體式(Itabar、Deltabar)及彈頭型的Verabar。

而對(duì)于火電廠測(cè)風(fēng)量來(lái)說(shuō)，如僅采用均速管（不配合采取其他措施）已不能取得較好的效果。在華北某電廠筆者曾見(jiàn)用三支均速管測(cè)矩形管道中的二次風(fēng)（圖1a），管道橫截面僅0.9*1.1m，由于管道中存在漩渦，其大小及位置還隨風(fēng)量不斷變化，因而在30～50％風(fēng)量范圍內(nèi)，出現(xiàn)了當(dāng)風(fēng)量增大時(shí)均速管的輸出差壓反而減小的現(xiàn)象。說(shuō)明在火電廠測(cè)風(fēng)量，即使管道不大，由于流速分布復(fù)雜，插入多支均速管也不可能正確反映流量值，而且輸出差壓在某一流量范圍還呈現(xiàn)反常現(xiàn)象，用于工控系統(tǒng)也是不合適的。

③滿管流量計(jì) 曾用過(guò)機(jī)翼式、文丘里管等流量計(jì)測(cè)火電廠的風(fēng)量，由于火電廠管徑已大至5～6米，這些流量計(jì)體積都過(guò)于龐大，其本身的長(zhǎng)度也需要一定長(zhǎng)度，且不說(shuō)制造、運(yùn)輸、安裝的困難，火電廠已沒(méi)有足夠的空間來(lái)安裝這些“龐然大物”了。

三、大管道氣體流量測(cè)量系統(tǒng)

從上所述，由于火電廠進(jìn)風(fēng)管徑極大，直管段長(zhǎng)度又很短，流速分布十分復(fù)雜，且存在漩渦。幾十年以來(lái)所采用的單臺(tái)流量計(jì)已無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，制約了鍋爐燃燒效率的提高及節(jié)能減排的實(shí)施。

當(dāng)無(wú)法改變工程現(xiàn)場(chǎng)條件時(shí)，就應(yīng)采取相應(yīng)的措施來(lái)改善現(xiàn)場(chǎng)條件，以達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量風(fēng)量的目的。

基于這一理念，采取了以下措施組成了大管道氣體流量測(cè)量系統(tǒng)。

1.整流器

①必要性 火電廠風(fēng)管流速分布十分復(fù)雜，可增加流速測(cè)量點(diǎn)準(zhǔn)確進(jìn)行描述，但如果存在漩渦，且其大小及位置將隨風(fēng)門的開(kāi)度，流量大小不斷變化，不清除漩渦就無(wú)法正確測(cè)量流量。當(dāng)前最有效的辦法就是采用整流器（圖2）。

②結(jié)構(gòu) 這種整流器不同于ISOTC30幾十年以來(lái)所推薦的整流器，而采用近百年來(lái)成功應(yīng)用于風(fēng)洞設(shè)備中的蜂窩狀整流器。其特點(diǎn)是：流通面積/管道截面比值較大，以減小壓力損失。

2.多點(diǎn)流速計(jì)(圖3)

①原理 根據(jù)皮托管測(cè)速原理，通過(guò)測(cè)流體總靜壓之差推算流速，測(cè)點(diǎn)位置及數(shù)量按相關(guān)規(guī)范組成矩陣，充分反映管道中流速分布。

②流速計(jì)截面 采用圓管，當(dāng)管徑大于1米，空氣流速大于2m/s時(shí)，雷諾數(shù)已超過(guò)106，采用圓截面管道已不存在“阻力危機(jī)”問(wèn)題，而且還易于制造、降低成本。

③總壓孔 總壓孔加工了一個(gè)凹形槽，當(dāng)氣流偏斜±20％時(shí)，仍可準(zhǔn)確測(cè)量差壓。

④靜壓孔 根據(jù)菲克亥爾摩方法，圓管在迎向流向±30％處壓力分布（圖4），為理想靜壓孔的位置，因而流速系數(shù)等于1，可以避免壓力分布帶來(lái)的誤差，但在相同流速下，輸出差壓將比均速管小50％。

3.微差壓變送器

①低量程 長(zhǎng)期以來(lái)制約插入式流量計(jì)應(yīng)用于火電廠風(fēng)量測(cè)量的因素之一是輸出差壓太小，據(jù)了解國(guó)外已推出一種超低差壓變送器，最低量程可為0～13Pa。

②自動(dòng)歸零

一般的變送器都有零點(diǎn)漂移問(wèn)題，如果量程很低又存在零點(diǎn)漂移，將造成很大的誤差，這種差壓變送器具有自動(dòng)歸零功能，以確保測(cè)量準(zhǔn)確度。

4.自動(dòng)及吹掃裝置

火電廠的進(jìn)風(fēng)、二次風(fēng)都難免含有粉塵，通過(guò)測(cè)差壓來(lái)推算流量的儀表難免堵塞，長(zhǎng)期制約了這類儀表（如均速管）在火電廠的應(yīng)用。為解決粉塵的堵塞，不少?gòu)S家采用了吹掃裝置取得了較好的效果，確保了流量計(jì)長(zhǎng)期可靠的工作。該裝置可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的需要設(shè)定吹掃的間隔時(shí)間（每小時(shí)、數(shù)小時(shí)或一天吹掃一次），而每次吹掃持續(xù)的時(shí)間也可在30～120秒范圍內(nèi)設(shè)定，吹掃時(shí)將自動(dòng)關(guān)閉測(cè)量閥門，保證不影響測(cè)量數(shù)據(jù)，整個(gè)過(guò)程設(shè)定后均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。

5.流量計(jì)算機(jī)

火電廠的進(jìn)風(fēng)管道已達(dá)5～6米，滿管流量計(jì)已難以采用，由于直管段十分短，流速分布及其復(fù)雜，必需采用插入式多點(diǎn)流速計(jì)。根據(jù)速度面積法在一個(gè)截面上測(cè)幾十點(diǎn)流速，才可能充分反映管道中的流速分布，以確保流量測(cè)量的準(zhǔn)確度，應(yīng)當(dāng)考慮以下因素：每一個(gè)測(cè)點(diǎn)因流速不同差壓值會(huì)有差異；溫度、壓力不等必需進(jìn)行補(bǔ)償；因測(cè)點(diǎn)位置不同加權(quán)系數(shù)不相同（見(jiàn)IS03966）；----等，計(jì)算十分復(fù)雜。所以必需采用的流量計(jì)算機(jī)。

6.效果與 應(yīng)用

1效果

● 精確測(cè)量流量可達(dá)到風(fēng)量與燃煤的最佳比值，減少風(fēng)機(jī)功耗，提高鍋爐熱效率。

●

插入式多點(diǎn)流速計(jì)的永久壓損僅為滿管流量計(jì)的十幾分之一，且安裝、維修簡(jiǎn)便。

● 風(fēng)量大小處于最佳狀態(tài)，使煤粉得以充分燃燒，減少CO的排放。

● 維持燃燒火焰的最佳位置，避免火焰貼近爐壁，提高鍋爐的壽命。

● 實(shí)現(xiàn)低碳燃燒，避免采用過(guò)于昂貴的SCR脫硝工藝，降低成本。

● 實(shí)現(xiàn)空氣量隨鍋爐負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，確保有效燃燒。

2應(yīng)用

大管道氣體流量測(cè)量系統(tǒng)在國(guó)外已應(yīng)用了十余年，據(jù)稱在美國(guó)火電已占有90%以上的市場(chǎng)。我國(guó)采用該技術(shù)僅數(shù)年，如：廣東汕尾電廠2X600MW機(jī)組； 福建湄洲灣電廠2*396MW機(jī)組； 遼源電廠2*300MW機(jī)組； 綏中電廠2*1000MW機(jī)組；國(guó)產(chǎn)技術(shù)也有成功的案例，如廣東陽(yáng)西電廠2X600MW 機(jī)組6。

四、大管道氣體流量?jī)x表的檢驗(yàn)7

為了確保儀表的測(cè)量準(zhǔn)確度，出廠前都應(yīng)在試驗(yàn)室進(jìn)行校驗(yàn)，流量試驗(yàn)室在流體工況，流動(dòng)的穩(wěn)定性，測(cè)試儀表的精確度，流場(chǎng)┉--等都應(yīng)具有理想的條件，其中流場(chǎng)的相似是重要條件之一。否則，所標(biāo)定的流量系數(shù)傳遞就失去了意義，目前在國(guó)內(nèi)曾用以下方法（或裝置）用于校驗(yàn)流量?jī)x表：

1、在風(fēng)洞中校驗(yàn)

風(fēng)洞是研究、測(cè)定物體與大氣產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)物體受力狀況的設(shè)備。 在其試驗(yàn)段截面上應(yīng)是流速大小一致、方向相同的直均流。它雖是研究航空、航天的高科技試驗(yàn)設(shè)備，但并不可能成為理想的流量校驗(yàn)裝置。因?yàn)楣I(yè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法產(chǎn)生直均流，流場(chǎng)不一致校驗(yàn)就沒(méi)有意義。

廠家可以用它校驗(yàn)流速計(jì)，但流速計(jì)并非流量計(jì)。

2、在流量試驗(yàn)室中檢驗(yàn)

這些流量試驗(yàn)室都在較長(zhǎng)的直管段長(zhǎng)度，具有充分發(fā)展紊流流場(chǎng)。各種流儀表規(guī)范也要求在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，必需具有較長(zhǎng)的直管徑長(zhǎng)度（大于30D）。這樣，試驗(yàn)室校驗(yàn)的流量系數(shù)才有意義。有人曾將均速管在風(fēng)洞中標(biāo)定后，又在充分發(fā)展紊流中進(jìn)行標(biāo)定，由于流場(chǎng)的不同，流量系數(shù)相差10％。說(shuō)明流量系數(shù)與流場(chǎng)密切相關(guān)。

3、現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)

由于工程中管徑日益增大，而又無(wú)法保證必要的直管徑長(zhǎng)度，上述二種方法已不太適用于大管道氣體流量?jī)x表的校驗(yàn)。電廠的風(fēng)量校驗(yàn)尤為突出，較為現(xiàn)實(shí)的方法是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)。

五、小結(jié)

1.要正視，適應(yīng)現(xiàn)實(shí)

由于火電風(fēng)量測(cè)量的特殊性（管徑極大，長(zhǎng)度很短，流速分布復(fù)雜，含有粉塵等）是無(wú)法改變的現(xiàn)實(shí)，單臺(tái)儀表目前已不可能準(zhǔn)確測(cè)量。因此，只能采取各項(xiàng)措施組成系統(tǒng)，有的放矢、逐一解決難題，才有可能準(zhǔn)確地測(cè)量火電的風(fēng)量，促進(jìn)節(jié)能減排。

2.在我國(guó)已取得初步成效

近年來(lái)大管道風(fēng)量測(cè)量系統(tǒng)，已部分或完整地應(yīng)用于我國(guó)火電廠，取得了較好的效果，如福建湄州灣電廠，華能汕頭電廠、大唐遼源電廠、國(guó)能綏中電廠等。

3.現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)是發(fā)展趨勢(shì)

由于特大管道流場(chǎng)的復(fù)雜性，且千變?nèi)f化，沒(méi)有確定的模式，也難以在試驗(yàn)室復(fù)制。而校驗(yàn)又必需具有相似的流場(chǎng)，用統(tǒng)一模式的試驗(yàn)室進(jìn)行校驗(yàn)已失去意義。