短管道中平均氣體流速測(cè)量系統(tǒng)的原理與應(yīng)用.docxVIP

1、第45卷第2期2014年3月鍋爐技術(shù)BOILERTECHNOLOGYVol.45.No.2Mar.,2014短管道中平均氣體流速測(cè)量系統(tǒng)的原理與應(yīng)用趙勇綱"2,孫保民I,劉志強(qiáng)七楊定華2.3(1.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械T程學(xué)院.北京102206；2.神華神東電力有限賁任公司，北京100020；3.清華大學(xué)熱能工程系，北京100084)摘要：短管道氣體疽景的高精度低阻力可靠在線測(cè)量是實(shí)現(xiàn)四角切圓煤粉燃燒鍋爐燃燒優(yōu)化的基礎(chǔ)條件.提出了基于伯努利流體動(dòng)壓測(cè)地原理，采用格柵整流、感斥孔管道全截面分布、大腔體均壓的測(cè)量實(shí)現(xiàn)方法.從數(shù)學(xué)上證明了可以利用平均氏力的概念進(jìn)行流域計(jì)算，分析了引壓的

2、阻力條件及其對(duì)格柵數(shù)fit的要求，進(jìn)而利用一次元件增大動(dòng)靜壓差.開發(fā)了氣體、氣一固兩相流體管道平均氣體流速測(cè)量裝»=T程應(yīng)用得到了息好的效果.表明該測(cè)址方法具有廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：短管道；平均氣體流速；測(cè)缺；原理；應(yīng)用中圖分類號(hào):TK229.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-4763(2014)02-0006-04收稿日期=2013-05-28金項(xiàng)目：國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2O12BAAO2BO1)作者簡(jiǎn)介：IX勿剛(1969).!«.博I研究作.主要從*電站斜爐場(chǎng)燒技術(shù)的研究.0前言我國(guó)的電力依賴于煤炭，煤粉鍋爐是火力發(fā)電的主流技術(shù)，四角煤粉燃燒在煤粉爐中

3、占有主導(dǎo)地位。對(duì)于煤粉鍋爐而言，燃燒的組織取決于爐內(nèi)流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，運(yùn)行中體現(xiàn)在風(fēng)量的控制上。準(zhǔn)確地測(cè)量風(fēng)地是提高燃燒效率、降低污染的基礎(chǔ).四角切圓燃燒中.二次風(fēng)一般采用大風(fēng)箱直接或經(jīng)過分支管道分配與燃燒器組連接，通過二次風(fēng)調(diào)節(jié)風(fēng)門進(jìn)入二次風(fēng)噴口。出于節(jié)省空間、降低造價(jià)的要求，二次風(fēng)箱與二次風(fēng)噴口的連接管道很短，兒乎沒有可供測(cè)雖的直管段，現(xiàn)有常規(guī)流速測(cè)量裝置無法實(shí)現(xiàn)，為燃燒優(yōu)化調(diào)整帶來困難。人們?cè)?jīng)嘗試過采用變截面如文丘里管實(shí)現(xiàn)整流的方法，由于空間的限制，測(cè)量結(jié)果非常不可舞，誤差甚至達(dá)到難以估計(jì)的程度。OstrowskiPiotr等人2012年提出了一種收縮整流利用皮托管測(cè)量的流雖測(cè)量方法，見圖1

4、，并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，通過誤差分析、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和理論分析，該測(cè)雖方法具有一定的實(shí)用性，但是尚未得到工業(yè)驗(yàn)證。作者在2005年提出了一種基于伯努利流體動(dòng)壓測(cè)雖原理和附面層理論，采用格柵整流的測(cè)量方法幻。該方法的核心思想是將測(cè)扯截面分隔成截面較小的流道整流，針對(duì)小截面分別測(cè)量。1風(fēng)道；2-整流器；3-收煽板；4一測(cè)讖截面；5擴(kuò)展段；6螺旋接頭,7一密封件傳感一壓差信號(hào),10風(fēng)道側(cè)板"1一折流板圖1OstrowskiPiotr等人提出的流測(cè)景裝置1理論分析經(jīng)過某種結(jié)構(gòu)整流后，短管道的三維流動(dòng)將成為一維非均勻流動(dòng)。根據(jù)伯努利原理，對(duì)于一維非均勻流動(dòng)截面上的任何一點(diǎn)i,見圖2,均存

5、在PotiP»,i+Pm.igP'"式中：Pz第i點(diǎn)的流體總壓，Pa；Pz第i點(diǎn)的流體靜壓，Pa；第i點(diǎn)的流體動(dòng)壓，Pa；p,第，點(diǎn)的流體密度，kg/mw,第，點(diǎn)的速度»m/s.亦即w.=pt.i）P>則通過該截面的流量為Q=Q，=梏J2（n.,f.DdF(1)(2)(3)根據(jù)積分中值定理，則必然存在一組數(shù)值滿足式（3）,即Q=*j2（'Lp,）<4）定義此點(diǎn)為平均密度、平均全壓和平均靜壓。數(shù)學(xué)上該點(diǎn)無法精確得出，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個(gè)微元面藥連接一個(gè)引壓管，見圖3,微元流出的氣體將通過引壓管進(jìn)入某個(gè)

6、空腔，如圖4所示，將形成流動(dòng)連通系統(tǒng)。對(duì)于閉式系統(tǒng)，即引壓系統(tǒng)沒有出口，引壓管中的流雖為0。對(duì)于開式系統(tǒng)，不是一般性，假定引壓管出口與主流相同則在引壓管和主流之間進(jìn)行流量分配，這主要取決于兩部分的阻力：p,iv,dF=e，w,df,+&w,df,式中：S第i點(diǎn)的流動(dòng)阻力系數(shù)；-引壓管；主流通道。式（5）是關(guān)于引壓管流速的2次方程，當(dāng)引壓管系統(tǒng)的阻力系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1,且當(dāng)主流區(qū)的阻力1+&系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于引壓管系統(tǒng)的阻力系數(shù)時(shí)，一1+§0,引壓管中的流速接近于。，絲lO，Pz=M。在引壓管系統(tǒng)內(nèi)部，即使對(duì)于某個(gè)引床管的流速而言，由于各引入管的總壓不同，將導(dǎo)致各管之間宏觀上存在

7、微弱的流動(dòng)。對(duì)于圖4所示的任意引壓管i,穩(wěn)態(tài)下滿足+&=侖.,+（1+&）巧;=P«+P'm.i+E'=/>',+（l+S'）gpT</2（6）E。,Pm.A»u,.dZ/Afi主流圖3引壓管與流道其他部分流fit分配jjS(1+&垮0絲:(8)當(dāng)g&，&=&+i，F(xiàn)=(l+&)N3-l時(shí),必=/>',應(yīng),=w'=0°結(jié)合式（4）po=p（9）采用類似的方法，可以獲得動(dòng)壓測(cè)量的條件。這樣，就解決了測(cè)點(diǎn)過多的問題，采用引壓母管的方法，將所有測(cè)量點(diǎn)

8、的壓力信號(hào)引至一個(gè)母管中，母管的壓力即為測(cè)量點(diǎn)的壓力，其結(jié)構(gòu)條件是測(cè)最元件在主流區(qū)域的阻力系數(shù)盡最小、引壓管系統(tǒng)的阻力系數(shù)盡雖大、各引壓管阻力系數(shù)相等、引壓空腔阻力系數(shù)足夠大，滿足式中的上標(biāo)'代表引壓空腔中的參數(shù)引用管的數(shù)最為有限數(shù)址，若共引入N個(gè)引壓管則存在（2，"+（1+&垮0竺2）=則各引壓點(diǎn)的平均靜壓為：f=（i4-e）N3io2數(shù)值模擬為了了解其測(cè)量結(jié)果的可靠性，進(jìn)行了數(shù)值模擬。按照上述引壓條件設(shè)計(jì)引壓系統(tǒng)。采用格柵將截面分隔成40個(gè)小測(cè)量單元，每個(gè)單元設(shè)置一個(gè)采壓點(diǎn)，利用引壓母管測(cè)量平均動(dòng)壓。計(jì)算中，分支管的截面為500mmX800mm,格柵為5X4,其前

9、緣距離主管道200mm。格柵沿流動(dòng)方向厚度200mm。改變輸入?yún)?shù)即進(jìn)入支管的流域，計(jì)算對(duì)應(yīng)的多個(gè)感壓元件駐點(diǎn)通過引床管系統(tǒng)的引壓空腔的平均壓力，以及感壓元件后端靜壓點(diǎn)等于感壓元件前端靜壓點(diǎn)的靜壓，按著動(dòng)壓與速度的關(guān)系計(jì)算得到總的流量.結(jié)果見圖5。標(biāo)準(zhǔn)均方差K=1.000,如果采用某個(gè)與流動(dòng)Re數(shù)無關(guān)的修正系數(shù)進(jìn)行修正,則得到的數(shù)據(jù)極其完美，這說明本文提出的方法是完全可行的，在數(shù)據(jù)上基本可靠。24168(_、.6)、0笙霜或«4-至«攜£24168(_、.6)、0笙霜或«4-至«攜£o匕111'08162432輸入流量0/（m

10、3L）圖5輸入流假與計(jì)算流（it的比較實(shí)際上，取壓點(diǎn)的位置尤其是動(dòng)壓點(diǎn)的位置隨著Re數(shù)變化的。全壓測(cè)點(diǎn)在工程應(yīng)用中也不可能精確因此，考察了固定靜壓點(diǎn)的結(jié)果，見圖6。圖6固定靜壓點(diǎn)時(shí)的流fft比較圖6固定靜壓點(diǎn)時(shí)的流fft比較7g.E)、blis«i展tu4if:將%£發(fā)現(xiàn)采用固定點(diǎn)的靜壓時(shí),計(jì)算結(jié)果偏高，但是線性度仍然很好，段=0.9999。若靜壓采用固定點(diǎn)，全壓測(cè)點(diǎn)偏離軸線4°,線性度依然非常令人滿意,R=0.999】.見圖7。圖7動(dòng)壓點(diǎn)偏差對(duì)測(cè)質(zhì)結(jié)果的影響3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證將上述原理開發(fā)了測(cè)址系統(tǒng).并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。一次元件采用機(jī)翼，設(shè)置機(jī)翼后的流通截面與原始截

11、面之比為.機(jī)翼在測(cè)斌段上游圍楔型收縮管段+管徑長(zhǎng)度的直管段+測(cè)量裝置+下游直管段+90°彎頭的條件下，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)包括格柵在內(nèi)的翼體測(cè)量裝置局部阻力系數(shù)的數(shù)值很小，在0.1左右。隨著Re數(shù)的增大，測(cè)量裝置的輸出壓差信號(hào)均平穩(wěn)增加。隨著截面比巾的減小，測(cè)址裝置的輸出壓差信號(hào)增大。當(dāng)Re>1X10時(shí).測(cè)量裝置的流量系數(shù)基本趨于一致，與Re數(shù)無關(guān)。隨著流通截面比值心的減小.流通截面縮小，翼體對(duì)流體的擠壓、整形效果使得測(cè)雖精度有所提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1，可見對(duì)測(cè)段的前后直管段要求比較寬松，測(cè)量的相對(duì)誤差在2.62%之內(nèi)。表1流系數(shù)最大誤差流通截面比_m下游直管段長(zhǎng)度與管徑比乙/D01230.

12、41.450.51.521.531.681.420.61.651.841.701.522.001.634工業(yè)應(yīng)用將短管道氣體平均流速測(cè)域系統(tǒng)在電站鍋爐上進(jìn)行工程應(yīng)用，取得了良好的效果。其中一臺(tái)200MW鍋爐采用該測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了燃燒優(yōu)化調(diào)整，改善了鍋爐效率和NO,排放.鍋爐熱效率從89.07%90.62%提高到90.34%91.52%,NO,的生成量從890mg/m31031mg/m，降低到534mg/m'784mg/m3,見圖8、圖9。火焰高溫區(qū)域更集中,最高溫度點(diǎn)的火焰溫度提高了30*CO92機(jī)組負(fù)荷率例*圖8調(diào)整前后200MW鍋爐熱效

13、率曲線>5-3««宜'fiHONs慕>5-3««宜'fiHONs慕機(jī)組負(fù)荷率3，圖9調(diào)整前后鍋爐NO,生成量曲線根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行效果來看，短管道中平均氣體流速測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)址誤差過算下來大致不會(huì)超過3%。5結(jié)語(yǔ)鍋爐的煤粉燃燒是一個(gè)極其復(fù)雜的物理-化學(xué)過程，過程的控制的好壞直接關(guān)系到電站鍋爐運(yùn)行的安全性、可靠性和潔凈性。理想化的燃燒工況是基于對(duì)燃燒系統(tǒng)所有噴口平均風(fēng)速進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)信和合理調(diào)整，在此基礎(chǔ)上從局部到整體實(shí)現(xiàn)燃燒工況的組織和優(yōu)化，控制燃燒溫度和合理分布燃燒氣貌，而這依賴于對(duì)燃燒系統(tǒng)噴口平均風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。本文對(duì)

14、基于伯努利流體動(dòng)壓測(cè)量原理的采用格柵整流、全截面感壓的單元測(cè)鼠方法進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，證明了可以利用平均壓力的概念進(jìn)行流質(zhì)計(jì)算，分析了引壓的阻力條件及其對(duì)格柵數(shù)量的要求，采用數(shù)值計(jì)算的方法驗(yàn)證了格柵整流的效果和本文提出的測(cè)量方法的可克性，并在冷態(tài)試驗(yàn)臺(tái)上驗(yàn)證了測(cè)依裝置的測(cè)域誤差小于2.62%之內(nèi)，進(jìn)而在200MW四角切圓煤粉燃燒鍋爐上應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了燃燒系統(tǒng)噴口風(fēng)速的實(shí)時(shí)測(cè)量，提高鍋爐熱效率約1%2%,降低NO,排放30%左右。參考文獻(xiàn)：I 葉桂波.乏氣送枕鍋爐降低一次風(fēng)速度減輕水冷壁結(jié)渣的實(shí)踐J.有色冶金節(jié)能.2007(3),：2中國(guó)電力年鑒編微委員會(huì).2011年中國(guó)電力年鑒M.北京沖國(guó)電力出版社.

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21、thewind,coalmillcombinationOperationOxygenburnerswingangleofthefourfactorsthataffecttheefficiencyoftheboilercanbecontrolledbyrunning：testandanalysisofthestrengthsandweaknessesofthevariousfactorsthataffectthedegreeofrelationshipandoptimumcombustionmode：theuniformityofthesecondaryairwiththewind,ABCDEg

22、rindingcombinationofoxygen3.6%theburnerswingangleof20°.Keywords：orthogonaltest；boilerefficiency；bestcombustionmode(上接第9頁(yè))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