短管道中平均气体流速测量系统的原理与应用.docx

1、第45卷第2期2014年3月锅炉技术BOILERTECHNOLOGYVol.45.No.2Mar.,2014短管道中平均气体流速测量系统的原理与应用赵勇纲"2,孙保民I,刘志强七杨定华2.3(1.华北电力大学能源动力与机械T程学院.北京102206；2.神华神东电力有限贲任公司，北京100020；3.清华大学热能工程系，北京100084)摘要：短管道气体疽景的高精度低阻力可靠在线测量是实现四角切圆煤粉燃烧锅炉燃烧优化的基础条件.提出了基于伯努利流体动压测地原理，采用格栅整流、感斥孔管道全截面分布、大腔体均压的测量实现方法.从数学上证明了可以利用平均氏力的概念进行流域计算，分析了引压的

2、阻力条件及其对格栅数fit的要求，进而利用一次元件增大动静压差.开发了气体、气一固两相流体管道平均气体流速测量装»=T程应用得到了息好的效果.表明该测址方法具有广泛的应用前景。关键词：短管道；平均气体流速；测缺；原理；应用中图分类号:TK229.6文献标识码：A文章编号：1672-4763(2014)02-0006-04收稿日期=2013-05-28金项目：国家“十二五”科技支撑计划项目(2O12BAAO2BO1)作者简介：IX勿刚(1969).!«.博I研究作.主要从*电站斜炉场烧技术的研究.0前言我国的电力依赖于煤炭，煤粉锅炉是火力发电的主流技术，四角煤粉燃烧在煤粉炉中

3、占有主导地位。对于煤粉锅炉而言，燃烧的组织取决于炉内流场的结构，运行中体现在风量的控制上。准确地测量风地是提高燃烧效率、降低污染的基础.四角切圆燃烧中.二次风一般采用大风箱直接或经过分支管道分配与燃烧器组连接，通过二次风调节风门进入二次风喷口。出于节省空间、降低造价的要求，二次风箱与二次风喷口的连接管道很短，儿乎没有可供测虽的直管段，现有常规流速测量装置无法实现，为燃烧优化调整带来困难。人们曾经尝试过采用变截面如文丘里管实现整流的方法，由于空间的限制，测量结果非常不可舞，误差甚至达到难以估计的程度。OstrowskiPiotr等人2012年提出了一种收缩整流利用皮托管测量的流虽测量方法，见图1

4、，并对其进行了数值模拟和实验研究，通过误差分析、实验室实验和理论分析，该测虽方法具有一定的实用性，但是尚未得到工业验证。作者在2005年提出了一种基于伯努利流体动压测虽原理和附面层理论，采用格栅整流的测量方法幻。该方法的核心思想是将测扯截面分隔成截面较小的流道整流，针对小截面分别测量。1风道；2-整流器；3-收煽板；4一测谶截面；5扩展段；6螺旋接头,7一密封件传感一压差信号,10风道侧板"1一折流板图1OstrowskiPiotr等人提出的流测景装置1理论分析经过某种结构整流后，短管道的三维流动将成为一维非均匀流动。根据伯努利原理，对于一维非均匀流动截面上的任何一点i,见图2,均存

5、在PotiP»,i+Pm.igP'"式中：Pz第i点的流体总压，Pa；Pz第i点的流体静压，Pa；第i点的流体动压，Pa；p,第，点的流体密度，kg/mw,第，点的速度»m/s.亦即w.=pt.i）P>则通过该截面的流量为Q=Q，=梏J2（n.,f.DdF(1)(2)(3)根据积分中值定理，则必然存在一组数值满足式（3）,即Q=*j2（'Lp,）<4）定义此点为平均密度、平均全压和平均静压。数学上该点无法精确得出，工程上可以采用平均的方法近似f,0-n如果截面上的任何一个微元面药连接一个引压管，见图3,微元流出的气体将通过引压管进入某个

6、空腔，如图4所示，将形成流动连通系统。对于闭式系统，即引压系统没有出口，引压管中的流虽为0。对于开式系统，不是一般性，假定引压管出口与主流相同则在引压管和主流之间进行流量分配，这主要取决于两部分的阻力：p,iv,dF=e，w,df,+&w,df,式中：S第i点的流动阻力系数；-引压管；主流通道。式（5）是关于引压管流速的2次方程，当引压管系统的阻力系数远远大于1,且当主流区的阻力1+&系数远远小于引压管系统的阻力系数时，一1+§0,引压管中的流速接近于。，丝lO，Pz=M。在引压管系统内部，即使对于某个引床管的流速而言，由于各引入管的总压不同，将导致各管之间宏观上存在

7、微弱的流动。对于图4所示的任意引压管i,稳态下满足+&=仑.,+（1+&）巧;=P«+P'm.i+E'=/>',+（l+S'）gpT</2（6）E。,Pm.A»u,.dZ/Afi主流图3引压管与流道其他部分流fit分配jjS(1+&垮0丝:(8)当g&，&=&+i，F=(l+&)N3-l时,必=/>',应,=w'=0°结合式（4）po=p（9）采用类似的方法，可以获得动压测量的条件。这样，就解决了测点过多的问题，采用引压母管的方法，将所有测量点

8、的压力信号引至一个母管中，母管的压力即为测量点的压力，其结构条件是测最元件在主流区域的阻力系数尽最小、引压管系统的阻力系数尽虽大、各引压管阻力系数相等、引压空腔阻力系数足够大，满足式中的上标'代表引压空腔中的参数引用管的数最为有限数址，若共引入N个引压管则存在（2，"+（1+&垮0竺2）=则各引压点的平均静压为：f=（i4-e）N3io2数值模拟为了了解其测量结果的可靠性，进行了数值模拟。按照上述引压条件设计引压系统。采用格栅将截面分隔成40个小测量单元，每个单元设置一个采压点，利用引压母管测量平均动压。计算中，分支管的截面为500mmX800mm,格栅为5X4,其前

9、缘距离主管道200mm。格栅沿流动方向厚度200mm。改变输入参数即进入支管的流域，计算对应的多个感压元件驻点通过引床管系统的引压空腔的平均压力，以及感压元件后端静压点等于感压元件前端静压点的静压，按着动压与速度的关系计算得到总的流量.结果见图5。标准均方差K=1.000,如果采用某个与流动Re数无关的修正系数进行修正,则得到的数据极其完美，这说明本文提出的方法是完全可行的，在数据上基本可靠。24168(_、.6)、0笙霜或«4-至«携£24168(_、.6)、0笙霜或«4-至«携£o匕111'08162432输入流量0/（m

10、3L）图5输入流假与计算流（it的比较实际上，取压点的位置尤其是动压点的位置随着Re数变化的。全压测点在工程应用中也不可能精确因此，考察了固定静压点的结果，见图6。图6固定静压点时的流fft比较图6固定静压点时的流fft比较7g.E)、blis«i展tu4if:将%£发现采用固定点的静压时,计算结果偏高，但是线性度仍然很好，段=0.9999。若静压采用固定点，全压测点偏离轴线4°,线性度依然非常令人满意,R=0.999】.见图7。图7动压点偏差对测质结果的影响3实验验证将上述原理开发了测址系统.并在实验室进行实验验证。一次元件采用机翼，设置机翼后的流通截面与原始截

11、面之比为.机翼在测斌段上游围楔型收缩管段+管径长度的直管段+测量装置+下游直管段+90°弯头的条件下，实验发现包括格栅在内的翼体测量装置局部阻力系数的数值很小，在0.1左右。随着Re数的增大，测量装置的输出压差信号均平稳增加。随着截面比巾的减小，测址装置的输出压差信号增大。当Re>1X10时.测量装置的流量系数基本趋于一致，与Re数无关。随着流通截面比值心的减小.流通截面缩小，翼体对流体的挤压、整形效果使得测虽精度有所提高。实验结果见表1，可见对测段的前后直管段要求比较宽松，测量的相对误差在2.62%之内。表1流系数最大误差流通截面比_m下游直管段长度与管径比乙/D01230.

12、41.450.51.521.531.681.420.61.651.841.701.522.001.634工业应用将短管道气体平均流速测域系统在电站锅炉上进行工程应用，取得了良好的效果。其中一台200MW锅炉采用该测量方法，实现了燃烧优化调整，改善了锅炉效率和NO,排放.锅炉热效率从89.07%90.62%提高到90.34%91.52%,NO,的生成量从890mg/m31031mg/m，降低到534mg/m'784mg/m3,见图8、图9。火焰高温区域更集中,最高温度点的火焰温度提高了30*CO92机组负荷率例*图8调整前后200MW锅炉热效

13、率曲线>5-3««宜'fiHONs慕>5-3««宜'fiHONs慕机组负荷率3，图9调整前后锅炉NO,生成量曲线根据现场的实际运行效果来看，短管道中平均气体流速测量系统的实际测址误差过算下来大致不会超过3%。5结语锅炉的煤粉燃烧是一个极其复杂的物理-化学过程，过程的控制的好坏直接关系到电站锅炉运行的安全性、可靠性和洁净性。理想化的燃烧工况是基于对燃烧系统所有喷口平均风速进行准确测信和合理调整，在此基础上从局部到整体实现燃烧工况的组织和优化，控制燃烧温度和合理分布燃烧气貌，而这依赖于对燃烧系统喷口平均风速测量系统的准确性。本文对

14、基于伯努利流体动压测量原理的采用格栅整流、全截面感压的单元测鼠方法进行了数学分析，证明了可以利用平均压力的概念进行流质计算，分析了引压的阻力条件及其对格栅数量的要求，采用数值计算的方法验证了格栅整流的效果和本文提出的测量方法的可克性，并在冷态试验台上验证了测依装置的测域误差小于2.62%之内，进而在200MW四角切圆煤粉燃烧锅炉上应用，实现了燃烧系统喷口风速的实时测量，提高锅炉热效率约1%2%,降低NO,排放30%左右。参考文献：I 叶桂波.乏气送枕锅炉降低一次风速度减轻水冷壁结渣的实践J.有色冶金节能.2007(3),：2中国电力年鉴编微委员会.2011年中国电力年鉴M.北京冲国电力出版社.

15、2011.3JohnsonDDifferentialflowmeterM.ControlEngineering*2000.妃BeckSBM*MaziileJ.AstudyofapressuredifferentialflowmeterthatisinsensitivetoinletconditionsJ.MeasurementandInstrumentation*2002(12):379384.5李银培.电站锅炉二次风系统的故(ft模拟与SNtt：D：.南京:南京理工大学.2006.：6安国银边鱼.付朋.等.电厂锅炉含粉气流流速在线监测系统：J.中国电力，2003,36(10)"64

16、9.7 OstrowskiPiotr.Rcmiorz.Lcszck.MeasurementofgasHowinshortducts*alsorectanRularJFlowMeasurementandInstrumentation.2013(30):19.8 周丽琴，赵勇纲.管道弋体平均流速的测量仪.中国,200610005533.4P.2006-01-09.9 JitschinWWeberU,HartmannIIK.ConvenientprimarygasflowmeterJ.Vacuum*1995.46(810):821824.LIO周宁宁.梁国伟.速度面积法中不同特征点位置选择法之比较J

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18、omputersFluids.1995,24(3)：227-238.13ShihTH.LiouWW.ShabbirA.ctal.Aneweddy-viscositymodelforhighReynoldsnumberturbulentflows-modeldevelopmentandvalidationJJ.ComputersFluids,1995.24(3)：227-238.风方式、燃烧器摆角对锅炉效率影响不大。（2）利用宜观分析法对试验结果进行分析.二次风均匀配风，ABCDE磨组合，氧量3.6%,燃烧器摆角20°为锅炉效率最高点。参考文献：ILiuXJ,Felipe1.R.Cha

19、nCW.Ncurofuzzynetworkmodelingandcontrolofsteampressurein300MWsteam-boiler；.J1.EngineeringApplicationsofArtificialIntelligence,2003.16（5一6）：431-44O.2 武水胜.工业铜炉经济运行探讨J.经济师.2003（9）:273一273.3 张铁茂.丁建国.试验设计与数据处理M.北京，兵器工业出版社，1990.4 白新桂.数据分析与试验优化设计M.北京：清华大学出版社.1986：48.5 牛K山.徐通模.试验设计与数据处理M.西安'西安交通大学出版社.19

20、88.6 李痪.湿法脱硫系统中波形板除雾器除雾性能试验和数（ft模拟D.西安：西安交通大学.2004.ResearchforaPowerPlant2028t/hBoilerEfficiencyThroughOrthogonalExperimentSUNJin-yu,XIAOWei-ran(ChinaSouthernPowerGridSynthesisEnergyCo.,Ltd.,Guangzhou510075.China)Abstract:Usingorthogonaltestmethod,throughintuitiveandvarianceanalysis*secondaryairwith

21、thewind,coalmillcombinationOperationOxygenburnerswingangleofthefourfactorsthataffecttheefficiencyoftheboilercanbecontrolledbyrunning：testandanalysisofthestrengthsandweaknessesofthevariousfactorsthataffectthedegreeofrelationshipandoptimumcombustionmode：theuniformityofthesecondaryairwiththewind,ABCDEg

22、rindingcombinationofoxygen3.6%theburnerswingangleof20°.Keywords：orthogonaltest；boilerefficiency；bestcombustionmode(上接第9页)ThePrincipleoftheAirFlowMeterforaShortDuctandItsApplicationZHAOYong-gang5*2,SUNBao-min2,LIUZhi-qiang2,YANGDing-hua2*3(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering.NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206.China；ShenhuaShcndongElectrisityCo.Ltd.,Beijing100020.China；2. DepartmentofThermalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:Theaverageflow