（工程热物理专业论文）电站锅炉燃烧在线监测及诊断系统的实验研究与开发.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 随着电力工业的迅速发展，对电厂锅炉运行的安全性和经济性也随之提出了 更高的要求，但现有的监测手段已经远远不能满足这种新的发展要求。为了实现 电厂锅炉的安全经济运行，提高锅炉燃烧效率，本课题针对电厂2 2 0 t h 中间仓储 式煤粉锅炉，开发出一套电站锅炉燃烧在线监测及诊断系统。整个系统基于现场 总线技术，采用热平衡法煤粉浓度测量原理，结合自主开发的在线监测软件包， 实现锅炉一、二、三次风速、风温和煤粉浓度、煤粉温度的在线监测以及数据分 析和处理，诊断故障并具有报警功能。 本文在总结传统风速测量元件优缺点的基础上，针对电站锅炉含粉气流提出 了新的测速元件设计思路，并完成了测速元件的结构设计：建立了风洞试验台， 并在该试验台上完成了测速元件的选型和定型试验，最终开发出一种新的k b x 一3 型靠背式测速元件。该测速元件能够适应含粉尘气流，可应用于圆形管道、方形 管道以及方弯管，并在各种弯头和阀门的模拟情况下，能够保持速度系数的稳定 性，准确反映流场风速的实际变化。实验数据表明，k b x 一3 型靠背式测速元件完全 能够满足工业应用的需要。 电站锅炉燃烧在线监测及诊断系统主要包括硬件和软件两大部分。硬件部分 包括数据采集设备、数据转换和传输设备、终端数据处理显示设备，主要完成现 场测量信号的采集和传输；软件部分，即在线监测软件包，由实时监测和网络 远程监测两大功能模块组成。该软件包是基于网络应用程序开发语言j a v a ，结 合数据库技术编写的，整个软件包按照模块化原则设计，由许多功能不同的模块 和子模块组成，主要包括实时监测、历史数据查询、趋势曲线分析、报表打印、 报警以及网络远程监测六大功能模块。 电站锅炉燃烧在线监测及诊断系统能够帮助运行人员监测锅炉运行工况，准 确调整锅炉燃烧配风，实现锅炉配风均匀、燃烧稳定并防止堵管；提高锅炉燃烧 效率，使锅炉运行更加安全、经济、稳定。 关键字：现场总线、在线监测、测速元件、软件包 一! ! 查查兰堡主堂壁丝壅 r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o fo n l i n em o n i t o r i n ga n d d i a g n o s e s y s t e m f o rb o i l e rc o m b u s t i o n a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f p o w e ri n d u s t r y , t h eh i g h e rd e m a n d sf o rs a f e t ya n d e c o n o m y o fb o i l e r so p e r a t i n gh a v eb e e np u tf o r w a r d a tt h es a l r l et i m e ，t h ee x i s t i n g m o n i t o r i n gm e a n s h a sa l r e a d yb e e nf a rf r o m r e s p o n d i n gt ot h en e wr e q u e s t i no r d e rt o r e a l i z et h es e c u r ea n de c o n o m i c a l o p e r a t i o no fb o i l e r , i m p r o v ei t sc o m b u s t i o ne f f i c i e n c y , t h eo n l i n em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s es y s t e mf o rb o i l e rc o m b u s t i o ni s d e v e l o p e df o r 2 2 0 t hb o i l e r b a s e do nf i e l d b u s t e c h n o l o g y , t h i ss y s t e m c o u l dr e a l i z eo n 1 i n e m o n i t o r i n gf o rt h ev e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r eo fp r i m a r ya n ds e c o n d a r ya i r , a n df o rt h e t e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o no fp u l v e r i z e dc o a lw i t ho n l i n em o n i t o r i n gs o f t w a r eb y i n d e p e n d e n td e v e l o p m e n t i tc o u l d r e a l i z ed a t aa n a l y z i n ga n d s t o r i n g ，d e t e c t i n gf a i l u r e s a n da l a r m i n ge i t h e r t h el a wo fh e a tb a l a n c ei s a c c e p t e d a st h e p r i n c i p a l f o rt h e c o n c e n t r a t i o no f p u l v e r i z e dc o a l sm e a s u r e m e n t i nt h i ss y s t e m i nt h i sp a p e r , an e w d e s i g nm e t h o d o f a i r - v e l o c i t ym e a s u r i n g u n i t ei sg i v e nt h r o u g h a n a l y z i n gm e r i t sa n dd e m e r i t so ft r a d i t i o n a la i r - v e l o c i t ym e a s u r i n gu n i t e s ，a n dan e w a i r - v e l o c i t ym e a s u r i n g u n i t eo fb a c k t o - b a c k t y p e i s d e s i g n e d a n d e x p e r i e n c e d c o r r e s p o n d i n gp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t ss u c c e s s f u l l y t h en e wm e a s u r i n gu n i t e i s n a m e dk b x 一3 ，w h i c hc a na d a p tt h el o c a lf o r m i d a b l ec o n d i t i o n so ft h ep o w e rp l a n t ，a n d c a l lb eu s e df o rc i r c u l a ra n dr e c t a n g u l a rd u c t ，d u s tc o n t a i n e dg a su n d e r v a r i o u sk i n d so f s i m u l a t i o ns i t u a t i o n so fe l b o w sa n dv a l v e s ，i t c a nk e e pt h e s t a b i l i t y o fv e l o c i t y c o e f f i c i e n t ，r e f l e c t t h ea c t u a l c h a n g e o fw i n ds p e e da c c u r a t e l y ，e x p e r i m e n t a ld a t a i n d i c a t et h a tk b x 一3c a l lt o t a l l ym e e tt h ed e m a n d so f i n d u s t r ya p p l i c a t i o n t h i ss y s t e mm a i n l yc o n s i s t so ft w op a r t s ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h eh a r d w a r e p a r ti n c l u d e se q u i p m e n t sa n d i n s t r u m e n t so fd a t ac o l l e c t i n g ，d a t at r a n s m i t t i n ga n dd a t a p r o c e s s i n g ；t h es o f t w a r ep a r ta l s oi n c l u d e st w op a r t s ，r e a l t i m em o n i t o r i n g a n dn e t w o r k 山东大学硕上学位论文 r e m o t em e n i t o r i n g a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p a lo fm o d u l a r i z a t i o n ，t h es o f t w a r ep a c k a g e i sd e v e l o p e db yj a v al a n g u a g ea n dd a t a b a s et e c h n o l o g y , a n di ti n c l u d e sm a n yf u n c t i o n m o d u l e ，s u c ha sr e a l t i m em o n i t o r i n g ，h i s t o r i c a ld a t ai n q u i r i n g ，t r e n dc u r v ea n a l y z i n g ， r e p o s i n g a n d p r i n t i n g ，r e m o t em o n i t o r i n g a n ds oo n w i t ht h e h e l p o ft h eo n - l i n em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s es y s t e m f o rb o i l e r c o m b u s t i o n ，o p e r a t o r so fp o w e rp l a n tc o u l dm o n i t o rm a j o ro p e r a t i n gp a r a m e t e r so f b o i l e r ，a n da d j u s ta i rd i s t r i b u t i o no f b o i l e r s ot h a ti tc o u l di n c r e a s et h es a f e t y , s t a b i l i t y a n de c o n o m yi nb o i l e r so p e r a t i o n ，a n dr e a i i z et h eo p t i m a lo p e r a t i o no f b o i l e r k e y w o r d s ：f i e l d b u s ，o n l i n em o n i t o r i n g ，a i r - v e l o c i t ym e a s u r i n g u n i t e ，s o f t w a r ep a c k a g e i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 圈墅璺 日期：丝笙! ! ! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：i 茎l 窒翌导师签名：洼i 董三日期：! ! 生：坚：! 山东大学1 面- i ：学位论文 主要符号表 d当量直径，m m 6感压缝宽度，f i l m 卸 测速元件输出差压，p a 印。 标定测速元件输出差压，p a 女测速元件速度系数 女。 标定测速元件速度系数 “煤粉浓度，k g k g t 。 煤粉温度， t 。 热风温度， t 风粉混合物温度， ，( f ) 热容，k j k g c比热，k j k g q ，( f ：) 混合过程中散热损失，k j k g v风速，m s 口热风密度，k g m 3 风 标准状态时空气密度，约为1 2 9 3k g m 3 卸，a p ： 被测测速元件输出差压，p a 下。粝 a热空气 d煤粉 山东大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 课题的背景及意义 随着电力工业的迅速发展，对电厂运行的安全性和经济性提出了更高的要求。 锅炉由于系统结构复杂，运行工况和运行环境恶劣，一直是电厂运行中问题最集 中、事故率最高、对机组可用率影响最大的设备；锅炉燃烧工况的好坏，在很大 程度上决定着锅炉设备和整个发电机组运行的经济性和安全性。目前，在我国火 力发电机组中占绝大多数的是四角布置直流燃烧器的煤粉炉，保持其四角配风均 匀合理，建立良好的炉内空气动力工况和实现稳定燃烧，对锅炉安全经济运行起 着重要作用。 一直以来，国内电厂主要采用传统的静压表来测量一、二次风的风道静压， 这种传统的测量方法是在假设各个风道全压相同的前提下，以风道静压为依据， 来反映和调节一、二次风速，实现各燃烧器的配风均匀。但各风道结构上存在差 异，风箱到各个喷口的阻力不尽相同，并且随炉型增大，差异也会变大；况且现 场环境恶劣，流场稳定性相当差，使准确测量静压值比较困难，导致风道静压不 能真实有效地反映各风管的流动状况，使运行人员不能根据风道静压进行准确、 有效的调节，从而导致锅炉在配风不均的状况下长期运行，严重时会引起锅炉火 焰中心偏斜，燃烧不稳，导致熄火放炮、局部结焦及炉管爆漏，最终使锅炉热效 率降低，一次风管堵管事故也经常发生。在我国电站锅炉煤质多变的现状下，这 些问题已经严重地危及机组的安全、经济运行。 随着电站锅炉向大容量和高参数发展，再用静压表作为运行人员的监测手段， 已不能适应机组安全、经济运行的需要。因此，为运行人员提供一套可靠的锅炉 燃烧实时、在线监测和诊断系统，监测各主要运行参数( 风速、风温、煤粉浓度) ， 诊断故障并发出警告，其意义就显得非常重要。 本课题针对烟台电厂2 2 0 t h 中问仓储式、热风送粉、四角布置直流燃烧器的 煤粉炉，开发一套电站锅炉燃烧在线监测和诊断系统。该系统能够实现锅炉、 二、三次风速、风温和煤粉浓度、煤粉温度的实时在线监测以及数据分析处理、 运行故障诊断报警，帮助运行人员监视锅炉运行工况，准确调整锅炉燃烧配风， 使锅炉运行达到配风均匀、燃烧稳定，最终达到提高锅炉运行稳定性及燃烧效率， 山东大学硕士学位论文 使锅炉和整个机组的运行更加安全、经济、稳定。 1 2 电站锅炉燃烧在线监测有关技术的研究现状 电站锅炉燃烧在线监测及渗断系统是否能够实现实时、准确的监测锅炉运行 工况，关键在于一次风速和煤粉浓度的准确测量。 煤粉颗粒在一次风中的运动过程是非常复杂的气固两相流动，气固两相流动 中各种流动参数的准确测量多年来一直是研究人员致力解决的难题。目前煤粉浓 度测量的方法主要分为两大类，一类为间接法：就是根据热量平衡原理或者能量 守衡原理，测量与煤粉浓度有关的各种参数，然后通过相关的公式，计算出煤粉 浓度；一类为直接法，主要就是利用各种先进的测量技术和测量手段，对煤粉浓 度进行测量，主要包括微波法、激光法、超声波法，电容法等方法。 国外一直侧重于各种直接法的研究。7 0 年代，h e e r t j e sp m 等人开发了一种 能够现场测量固体颗粒速度的测量仪。该测量仪通过固体颗粒的撞击，测量单个 颗粒的动量，从而实现对固体颗粒流速的测量，该测量仪已经成功应用于气固流 化床。 文丘里流量计由于结构简单、坚固耐用、可靠性高以及低成本，已经广泛应 用于工业中的流速测量。8 0 年代，国外许多科研人员研究利用文丘里管分别测量 气固两相流速。s h a f f e r ，f d 等人。1 对一种气固两相质量流速测量仪进行了校准 实验。该测量仪的测量段由三部分组成：一个收缩进口、一段直管和一个文丘里 管，并通过测量两个压差值实现对流速的测量。作者在实验时，采用的固体颗粒 和气体的质量比为3 5 ：1 。 w a n g ，w e n q i 等人”1 在总结前人对文丘里流量计应用于测量气固两相流中气体 流速的研究成果的基础上，对于它用来测量固体颗粒流速的可行性进行了实验研 究，实验结果表明这种方法是可行的；t a n g ，l 等人“1 对扩展文丘里管测量仪的有 效性进行了相关实验。实验结果表明，扩展文丘里管能够满足工业应用的测量精 度要求，并同时给出气体和固体颗粒的流速。由于实验数据是在有限的实验范围 内获得的，还需要进一步的实验来证明这一点。作者还提出，在对文丘里测量仪 结构进行最优化设计时，要在保证测量精度的前提下，尽量降低压头损失和元件 的磨损。 山东大学硕士学位论文 9 0 年代以后，随着各种测量技术和手段的发展，气固两相流中固体颗粒的速 度和浓度的测量方法也有了很大的进步。y a n ，y o u n g 等人。_ 各电动技术和辐射技 术相结合，实现对煤粉质量流量的准确测量。通过在大型电厂中进行的一系列工 业性实验，表明这种方法能够给出较准确的煤粉质量流量测量值；y a h ，y o n g 等人 “1 还利用y 射线对气力输送管道内的固体颗粒含量进行非接触式测量，并开发出 种采用单光束，较宽的扫描区域，以及带有标准灵敏度分布特性的单元件探头 的测量仪器。该仪器主要用来测量低浓度、非均匀分布的煤粉浓度。作者对影响 测量精度的各种因素也进行了详细地分析。 w o o d h e a d ，s r 等人。采用激光开普勒速度测量系统，对气固两相流中的固体 颗粒速度进行测量。实验分别采用小麦粉和煤粉作为固相颗粒。采用空气作为气 相流体：实验管段采用直径为5 3 m m 的圆管；空气实验速度范围为2 5 到4 5 m s ，固 体颗粒悬浮密度为0 0 0 1 到i k g m 3 。 w e r t h e r ，j 等人通过在一个冷态c f b 模型中进行一系列实验，对采用光学 光纤l d a ( 1 a s e rd o p p l e ra n e m o m e t e r ) 探头的l d a 粒子速度测量技术和采用两通 道s f r ( s i n g l e f i b r er e f l e c t i o n ) 探头的互相关性测量技术进行测量性能比较。 实验结果表明，两种测量技术的准确度基本一致，但采用s f r 探头的互相关性测 量技术的成本更低。 n i e u w l a n d ，j j 等人“1 介绍了一种已经开发的光学测量系统。该系统根据悬 浮颗粒对光的反射特性，实现对气固两相流中固体颗粒的浓度和轴向速度的测量。 澳大利亚的c s i r o 所开发的超声波流量计，在大型闭环煤粉循环装最上的实 验表明，在流速为l o m s 3 0 m s 的范围内，测量精度可达到0 3 5 m s ；在恒定流 速下，浓度范围为0 1 m g c m 3 1 o m g c m 3 时的测量精度为5 以内。另外，正在开 发的微波技术包括：借助微波的相移和衰减来测定煤粉浓度及借助微波的多普勒 位移来测定流速，但在工业性实验之前，还需要进行许多实验室的工作“。 9 8 年公布的一项欧洲专利，介绍了用微波技术测量输粉管中煤粉浓度的一种 具体方案：在输粉管路中用法兰装接节测量管，其直径和材料均与输粉管相同； 在测量管的同一侧管壁上，沿煤粉流动方向按一定角度( 大于9 0 。) 对应倾斜布 置微波发射器和微波接收器，它们都是同样的截锥状喇叭筒天线；在发射器的顶 端( 小直径端) 安装耿式振荡器，构成了一个空腔谐振器；在接收器的顶端( 小 直径端) 安装肖特基二极管，它可将接收的电磁波转变成相应的电压值“。 山东大学硕士学位论文 v e n k a t a s u b r a m a n i a ns 等人“”研究三种不同的弯管对煤粉沉积的影响程度， 在文章中提到一种已经开发的在稀相传输系统中根据测量压差来测量固体颗粒流 量的测量仪器。该测量仪器根据固体颗粒不同悬浮量时的压差比值和气体单相传 输流量，悬浮量之间的线性关系，进行工作。经过测试，该测量仪器用来测量弯 管处煤粉浓度，能够在测试条件范围内，表现出令人满意的测量特性。 c o u l t h a r d ，j o h n 等人。”介绍了一种由a b b 公司设计生产的新型测量仪器。该 测量仪器能够实现对煤粉速度，各风管煤粉分配量，煤粉粒度及热风温度的测量， 为锅炉运行提供参考，从而提高锅炉的燃烧效率。 s e n ，s 等人“”提出了一种基于计算机对气力传输系统气固两相流的固体颗粒 浓度和流体速度进行在线测量的系统，并在实验室中进行了实验；该系统采用非 接触测量技术，分别用电动传感元件和电容传感元件以及对应的测量电路对流速 和颗粒浓度进行测量，然后通过多通道数据采集卡，将数据传给计算机，并在计 算机中对数据进行计算、修正和显示。文章对传感元件的设计及修正也给出了较 详细的介绍。 t a l l o n ，s t e p h e nj 。等人“4 “3 提出可以通过测量声波信号轴向传播的方法， 实现对气力传输中流速和固体颗粒浓度的在线及无损伤测量。作者研究了一个模 型测量仪对过渡区域气固两相流动的测量性能，并讨论了安装位置对测量仪的测 量准确度和重现性的影响。 z h u ，j 一x 等人“”开发了一种新型的光学光纤探头测量系统。该系统由一个 光学光纤探头和一个微型计算机处理器组成，能够对气固两相流中的固体颗粒速 度实现直接测量。该系统的有效应用范围为：固体颗粒的平均尺寸在5 0 微米到5 毫米之间，颗粒沉积率在0 1 到2 5 之间，测量的流速在0 3 到2 4 m s 。 国内在直接法方面也做了一些研究工作。归柯庭等人“7 1 以锅炉送粉管内空间 物质( 空气+ 煤粉) 的等效介电常数随煤粉含量而改变的物理现象为依据，制作 测量等效介电常数的电容传感器，从而实现非接触式测量。并在实验中采用误差 补偿式混频振荡电路，能使煤粉容积份额的分辨率达到2 1 0 ，从而分辨出1 0 的煤粉浓度变化。 蔡小舒等人“利用光脉动法测量煤粉气固两相流的粒度和浓度，结合相关测 量法还可以测量煤粉颗粒的速度。根据该原理研制的煤粉粒度、浓度和速度在线 测量装置成功地测量了煤粉粒度、浓度和速度在管内沿直径的分布情况，这些结果 山东大学硕士学位论文 可用于分析煤粉管道的运行状况。 虽然国内对直接法也做了一些研究工作，但国内的研究重点一直侧重于间接 法。方彦军等人“”根据热平衡法原理，利用美国w o n d e r w a r e 公司9 5 年推出的 i n t o u c h 5 0 组态软件，针对中间仓储式、热风送粉的煤粉炉，开发了一次风速和 煤粉浓度分布式计算机监测系统，并在株洲电厂安装运行，效果良好。 热平衡法原理简单，便于应用，但它只适用于中间仓储式热风送粉锅炉，丽 不能应用于直吹式制粉系统。所以很多研究人员希望能研究出一种既适应于中间 仓储式制粉系统，又适应于直吹式制粉系统的方法。 潘卫国等人0 0 1 通过对上升管段中气粉混合物流动阻力特性与煤粉浓度关系的 理论分析和简化，得出了测量煤粉浓度的理论关系式，然后在多相流动实验台上进 行气固两相流动阻力特性与煤粉浓度关系实验，经过对实验结果回归分析得出相 应的测量模型；在实验研究的基础上，对测量模型进行误差分析，并指出影响测量 准确度的因素；最后提出了采用在线监测的实现方法和作用。 易金萍等人。”基于悬浮式气固两相流理论，考虑了合流过程中的压力损失及 悬浮颗粒提升压损，建立测量煤粉质量浓度i t i 的数学模型，并在多相流实验台上进 行了验证。实验证明该数学模型对一次风管中煤粉浓度的在线监测取得了很好的 效果，其测量精度比热平衡法要高，结果较接近于实际值，并适用于水平或垂直管 道，且在垂直段的结果比水平段测试的结果更准确一些。基于该数学模型所开发的 在线监测软件已在某热力厂两台型号为dg 1 3 09 8 一i ，bg 1 3 0 3 8 24 5 0 ，中间 仓储式的煤粉炉上应用。实验研究和现场实践证明所用的数学模型是较精确可靠 的，且能较好反映一次风管中风一煤混合的实际情况。 同时，许多研究人员对乏气送粉锅炉的煤粉浓度间接测量也做了大量研究工 作。潘卫国等人”通过对气粉混合物流经弯管时内外侧压差的变化与煤粉浓度关 系的理论分析，得出了测量煤粉浓度的理论关系式，然后在多相流动实验台上进 行了相关实验。经过对实验结果的回归分析得出相应的系数和测量模型，并在实 验研究的基础上，对测量模型进行误差分析，指出影响测量精度的因素。 艾卫国等人”1 通过测量圆形、月牙形孔板、文丘里管3 种阻力元件在气粉两 相流中的阻力，分析3 种阻件的阻力系数与煤粉浓度之间的关系，从比例阻力系 数、所受煤粉浓度、节流比的影响程度上，比较它们在用于测量煤粉浓度方面的 性能，并推荐使用文氏管测量煤粉浓度。 山东大学硕上学位论文 王强等人”根据气固两相流理论，通过气体状态方程、混合物状态方程、风 粉混合前后气体的连续性方程和能量守恒方程，推导出煤粉浓度方程，然后利用 动态连接库技术开发对一次风管中煤粉浓度、风速实现在线监测的软件。 武宝会等人。”根据动量守恒原理及流体连续性方程，推导出适用于乏气送粉 锅炉一次风速及煤粉浓度测量的压差法，此方法经过理论分析和大量的现场实验 证明，是可干亍的。 国外在直接法方面的研究成果很多，并且已经开发出些商用产品；国内到 目前为止，还没有各种直接法应用于工业的报道。直接法虽然测量精度高，但成 本也高，对现场环境的适应性差，同时还受到些工艺和技术条件的限制，目前 在国内还不适合大量推广应用。激光法原理简单，适合于测量低浓度工况，但成 本高，探头污染的问题难以解决；微波法测量精度高，适合于测量高浓度工况， 但测量元件不耐高温，容易受电磁干扰和周围环境的影响；电容传感器由于要求 测量电路有非常高的灵敏度，能够分辨出煤粉浓度容积份额十万分之甚至更小 的变化，受到电子测量技术发展的制约。 间接法虽然测量精度较直接法低，但间接法对现场环境的适应性强，能够在 高温、粉尘和强干扰等恶劣环境下长期工作，并且成本低，便于安装和维护。大 部分研究人员根据目前国内电厂的实际情况，将重点放在间接法的研究工作中， 以期不断提高各种间接法的测量精度，从而不断提高国内电厂运行的自动化控制 水平。 山东大学硕士学位论文 1 3 本课题拟完成的主要任务 1 设计- - t 0 具有特殊结构的新型测速元件，能够应用于圆形、方形管道和低含尘 气流，适应工业现场的恶劣环境。该测速元件能够利用自身的特殊结构，测量 低含尘气流时防止测孔堵塞，并具有一定的自清洁能力。 2 根据相似与模化原理，建立风洞实验台，通过模化实验，对新型测速元件进行 冷态标定，求出其速度系数( 标定时选取的速度范围，尽量将锅炉正常运行时 的风速范围包含在内) 。并模拟锅炉现场条件，检验该测速元件在测点前后直 段短、弯头和阀门对流场产生较大影响的情况下，测量精度是否能满足工业应 用的要求。若不能满足要求，要分析其中原因，采取有效措施提高测速元件的 测量精度，使其能够达到工业应用的要求。 3 针对现场二次风管从风箱到锅炉之间没有直段，只有不规则弯管段的现状，进 行模拟实验，测出新型测速元件在该模拟条件下不同工况时的速度系数。 4 采用功能强大的网络应用程序开发语言j a v a ，结合数据库技术，自主开发电站 锅炉燃烧在线监测及诊断系统软件包。该软件包既能够实现锅炉燃烧实时、在 线监测，又能够对数据进行相关分析处理和储存。 ! 堕奎堂婴圭兰垡笙苎 第二章新型测速元件的初步设计和选型实验 2 1 工程应用中传统的风速测量元件 工程应用中传统的风速测量元件主要有以下几种： i 皮托管 利用皮托管测量气流流速是流速测量的基本方法，也是工程应用的基准方法。 皮托管的速度系数一般为0 9 8 8 i ，工程应用中通常认为其速度系数是l 。皮托 管测量气流速度时，需要在测量截面上进行多点测量，这时就需要操作皮托管在 测量截面上移动，记录各点的动压，以得到整个截面的流速分布。 2 均速管( 阿纽巴管) 均速管是从6 0 年代开始出现的，在毕托管的基础上直接测量平均流速的测速 元件。均速管由测得的全压平均值与静压值之差，即可算得平均流速。但均速管 只适用于圆形管道的测量。 3 笛形管 笛形管是在测量截面上设置多处全压测点，将其连通测量全压值，静压孔就 开在被测管道的壁面上，笛形管的速度系数一般为0 8 5 0 9 5 ，出现场标定实验 得出。 4 ，靠背管 靠背管是两根管子背靠背焊接在一起，一个测量全压，一个测量静压。因为 靠背管的测孔直径比较大，在测量低含尘气流时，不易被堵塞。所以在工程中大 量用于测量低含尘气流。靠背管的速度系数也必须由现场标定实验得出，一般为 0 7 5 o 9 5 。 除上述测速元件以外，还有文丘里管和机翼型测速元件等。这些传统测速元 件的原理均是气流的连续性方程和伯努利方程。所有这些传统测速元件中，只有 靠背管能适应低含尘气流测量。但靠背管是单点取压，一般要求安装位置前的直 管段为4 6 d ，安装位置后的直管段为3 4 d 。否则很难保证测量的准确度。 山东大学硕士学位论文 2 2 新型测速元件的初步设计 2 2 1 新型测速元件的设计思路 烟台电厂的现场情况比较复杂。一、三次风管为圆形管道，二次风管为方形 管道，管道上能够用于安装测速元件的直段，远远少于常规测速元件的要求。因 此，必须设计一种新型的测速元件，能够适应低含尘气流、圆形和方形管道，在 前后直段比较短的情况下，满足对流速的测量要求，并利用元件本身的特殊结构， 防止测孔堵塞。 在目前使用的常规测速元件中，靠背管由于开孔及管径尺寸比较大，从而能 适应低含尘气流的应用环境。新型测速元件的设计采纳了靠背管的这一优点：即 采用较大的开孔及管径尺寸，消除灰尘堵塞。 皮托管由于对测量条件要求高，操作麻烦，很快被均速管和笛形管所取代。 均速管是测量固定四点的全压值，然后取平均值；笛形管则可以根据实际需要， 取更多点的全压平均值。从理论上讲，取的平均点越多，测量值就越精确，越稳 定。这一点在均速管和笛形管的应用中也体现出来。新型测速元件的设计将这一 观点进行了大胆的延伸：在不考虑测速元件开口截面积占测量管道内截面积比例 限制的前提下，取无穷点，即直线的全压平均值，来表示管道内的全压值。因此， 新型测速元件的主要设计思路可归纳为以下三点： 1 以线代点。在全压管迎风面开一个狭长感压缝，用整个感压缝的全压平均值来 表示管道内的实际全压值。 2 感压缝宽度采用较大尺寸，以消除感压缝堵塞。 3 圆管全压管下端采用斜孔( 仿靠背管) ；方管全压管迎风面采用倾斜结构，有 助于解决灰尘堵塞问题。 2 2 2 新型测速元件的结构设计 按照新的设计思路，设计了四种型式九种规格的测速元件全压管，各测速元 件全压管具体型式及尺寸见表g - ! 。 生查查兰堡主兰垡堡苎 表2 1 各种新型测速元件全压管型号及主要尺寸表 全压管全压管型 仝压管规感压缝宽单管弯曲角 静压管规备注 型式格( m m )度6 ( m m )度9 ( 度) 格( m m ) 单圆1 51 5 四种型式 单圆管单圆22 0 九种规格 单圆30 1 0 153o全压管感 双嘣1 2 01 51 2 0压缝在迎 双圆管 双圆1 5 0l51 5 00 1 0 1 5风面投影 单方1 5 l ，5 艮度均相 单方管单方22 7 9 * 5 02o 同 单方3 t 43 0 双方管双方1 5 1 ，5 各种型式测速元件全压管的具体结构见图2 1 ，图2 2 ，图2 - 3 和图2 4 。 3 j 图2 - 1 单方管型全压管 图2 2 双方管型全压管 山东大学硕士学位论文 图2 - 3 单圆管型全压管 图2 - 4 双圆管型全压管 2 2 3 新型测速元件的连接部件 新型测速元件结构设计完成后，就要考虑安装问题。只有保证新型测速元件 在实验过程中能够自由方便地拆装，才能最大程度的利用每个测速元件，使整个 实验过程中，每种型式的测速元件只需制作一件就能满足要求。根据新型测速元 件型式的不同，我们采取了不同的连接方式。对于方管全压管，采用法兰连接； 对于圆管全压管，则采用活结及两个带螺纹的短管连接。 2 2 4 静压管型式及连接方式 不论方管全压管，还是圆管全压管，静压管都采用与圆管全压管相同规格的 管子。静压管分两种型式：单圆管静压管和双圆管静压管。单圆管静压管就是一 根圆管；双圆管静压管与双圆管全压管结构相同，但静压管没有感压缝和下部斜 孔。静压管的连接方式与圆管全压管完全相同。 2 2 5 测速元件的耐磨性 由于一次风中含有煤粉，对测速元件的磨损非常大，因此必须解决测速元件 的耐磨问题。根据目前国内的情况，完全采用高硬度材料来制作测速元件是不可 取的，因为这将大大增加测速元件的制作和应用成本。近年来，随羞金属工艺学 的发展，金属表面喷涂技术已经得到广泛应用。金属喷涂就是用压缩气体将熔融 状态的金属雾化成微粒，喷涂沉积在预先准备的工件表面上，形成一个完整的金 山东大学硕士学位论文 属覆盖层，根据喷涂的金属不同，可以产生不同的结果，如提高工件的耐磨性、 防腐性等等。 为了提高测速元件的耐磨性，在测速元件制作完成后，要进行耐磨金属喷涂 处理，从而大大提高测速元件的耐磨性能。 2 。3 实验原理 新型测速元件的实验原理主要是依据流体力学的伯努利方程。，由新型测速 元件和速度系数已知的标定测速元件，在相同风速下，分鄹输出各自所测的动压 值印和卸。因为标定测速元件的速度系数已知，则新型测速元件的速度系数 根据下式计算： s j 等 2 4 实验系统 i i 属口旁通 ( 2 1 ) 图2 - 5 实验系统平面布置图 本实验系统主要由离心风机、风洞实验台、调节蝶阀以及必要的测量设备等 部分组成。系统平面布置图见图2 - 5 。冷风从进风口由风机吸入，然后通过风机进 入集气箱；集气箱上有旁通，其出口安装一个调节蝶阀，实验用冷风风量主要是 通过调节蝶阀和旁通进行调节；冷风从集气箱出来，经过中间管道，到达风洞实 山东大学硕士学位论文 验台入口，然后经过风洞实验台，从实验台出口进入出口管道，最后从出风口排 到室外。 2 4 1 风洞实验台 风洞实验台是根据相似与模化原理建立的。新型测速元件在该实验台上通过 冷态标定实验，检验元件设计的可靠性，即对新型测速元件的速度系数进行冷态 标定，以检验它的测量准确性和不同工况下的稳定性。风洞实验台具体结构如图 2 6 所示。 风洞实验台主要由各种管段组成，能够通过更换不同的变径管，来实现圆管 实验段和方管实验段的随意转换。管段之间以法兰连接，并确保密封良好。图2 6 中实验段和方弯管实验段都是安装被测测速元件的管段；标定段是用来安装标定 测速元件( 速度系数己知，用来对新型测速元件进行速度系数标定的测速元件) 。 进风 r ，a 岛被珊氓捌逮元件餐扭茬压娟标定测逮元件轴出差压 图2 6 风洞实验台示意图 根据实验要求，首先制作了3 个圆管实验段和1 个圆管标定段，方弯管实验 段作为整个管道系统的一部分，也制作了1 个。圆管实验段和标定段的管子规格 为中2 4 5 3 r f i i 珏：方弯管实验段的管子规格为63 2 0 0 1 6 0 m m ( 水平方向宽度是 1 6 0 m m ) 。3 个圆管实验段分别用于圆管型测速元件、单方管型测速元件和双方管型 测速元件。新型测速元件在相应圆管实验段上的安装位置( 即接管焊接的位置) 以图2 - 6 中的l 表示，具体尺寸如图2 7 所示。 圆管标定段上安装一个已标定的笛形管，用来标定新型测速元件。筒形管全 压管垂直安装，静压管倾斜4 5 。安裟。安装位置距前端法兰连接面为5 d ( 圆管实 验段d = 2 3 9 m m ) 。 山东大学硕士学位论文 | tt r “目 r l - r ll - 司 ii a 2 4j t 3 uu j u 相 uu 乏 口己45 h 3寸 图2 7 测速元件在相应圆管实验段上的安装位置图 2 4 2 主要测量工具和标定仪表 1 本实验所使用的风压测量工具主要是三台德国t e s t o 公司生产的t e s t o s l 2 型 数字式压力计。该压力计为液晶显示，通过适当的软管与测速元件相联接；该 压力计能够同时显示所测压差值和风速值，测量准确度高，使我们在实验过程 中能够非常直观有效地调节所需风速，从而使实验过程中数据的测量、读敢和 记录变得非常轻松。t e s t 0 5 1 2 型数字式压力计的主要技术参数如下： 工作位置：水平放置工作温度：0 6 0 6 c 测量风压范围：o 2 0 h p a测量流速范围：3 5 5 m s 准确度：在2 5 。c 时，相对于整个测量范围，测量准确度为0 5 。 2 进出口风温测量采用两个已标定好的水银玻璃棒温度计，其测量范围为0 5 0 ，允许误差为0 0 5 。 3 标号为2 # ，4 # ，5 # 的三只皮托管，用于标定笛形管，以及作为方管标定段的 标定测速元件。头部直径 2 0 0 0 ，温度 5 ) s i z e x = 4 0 0 ； f o r ( i n t j j j z o 埘 + s q u e r y + a n d 记录时间 + e q u e r y + “； s y s t e mo u t p r i n t l n ( q a e r y ) ； r s = s e x e c u t e q u e r y ( q u e r y ) ， r s m d = r sg e t m e t a d a t a 0 ； c o u n t = r s m dg e t c o l u m n c o u u t 0 ； j i s y s t e mo u t p r i n t l n ( c o u n t ) ； s t r i n g 】n a r o e = n e ws t r i n g c o u n t ； f o r ( i n ta a a a = 0 ；a a a a c o u u t ；a a a a + + ) n a m e a a a a = r s m dg e t c o l u m n n a m e ( a a a a + 1 ) ； s y s t e mo u tp r i n t l n ( ”列名：”+ n a m e a a a a ) ； ) 处理间隔问题 r o w c o u n t = - 0 w h i l e ( r sn e x t ( ) ) r o w c o u n t + + ； r sc l o s e ( ) ； s y s t e m o u tp r i n t l n ( r o w c o u n t ) ； r s = se x e c u t e q u e r y ( q u e r y ) ； r o w c o u n t n e w - 一r o w c o u n t i n t e r v a ； s y s t e mo u tp f i n f l n ( ”p r o g r a mn e e d ”+ r o w c o u n t n e w + ”r o w s ”) ； o b j e c t c e l l s - = l a e wo b j e c t r o w c o u n t n e w + 1 c o u n t + 1 ； s y s t e mo u tp r i n