循环流化床锅炉型号锅炉机组风机性能实时在线监测仪表开发_菲普斯特空气能官网
一次风、二次风流量的准确测量对于循环流化床锅炉燃烧优化及机组节能有着重要作用。目前锅炉风量的测量主要依据是《电站锅炉风机现场性能试验》（DL/T469—2018），依据该标准，通过在风道内选择合适的截面布置数量合理的气流速度测点，即可测出风道内的空气或烟气流量，并输入到机组的分布式控制系统（DCS）中，供机组运行人员调整锅炉燃烧时使用。不过该方法受测点位置和风道几何形状的影响较大，循环流化床锅炉风道流场分布情况十分复杂，热一次风、二次风风道直管段长度有限，且多有挡板、变径、弯头及分岔，加之在风道中布置的加强梁和支撑架使流场进一步受到影响，因此风量的准确测量变得非常困难，有时候测量误差会高达20%以上。因此在锅炉机组的实际运行中，很多运行人员并不依靠该方法所测量出的风量来操作锅炉，更多的通过观察烟气氧量来调整风量。
但是通过观察氧量来调整锅炉燃烧，主要存在的问题有：1）烟气中氧量测量的准确性问题，一方面是表计本身的准确性问题；另一方面是测点位置烟道截面的氧量均匀性问题：由于锅炉炉膛及尾部烟道内一般是负压，所以在密封不严时，存在较大的漏风，影响烟道内氧量的分布；2）由于烟气是燃烧后的产物，所以利用氧量来调整燃烧存在一定的滞后性，特别是在锅炉负荷波动较大的时候；3）依据烟气中的氧量可以用来调整锅炉的配风，但不能用来指导优化锅炉一次、二次风的配比。由于锅炉一次风比二次风压力要高很多，因此，优化一次、二次风风量不仅对提高燃烧效率、降低污染物的产生有很大的帮助，同时对于降低风机电耗也有重要作用。
随着火电技术的进步及我国政府对节能减排问题的重视，各燃煤电厂在挖掘节能潜力方面投入了较大的人力物力，因此机组的节能空间已经越来越小，所以精细化管理在电厂节能工作中也更加重要，这给循环流化床锅炉的运行控制也提出了更高的要求。若要实现精细化管理，电厂首先需要提高各种监测仪表的测量精度，而如果风量测量不准，对于实现电厂的精细化管理具有较大的影响。另一方面，建设智慧电厂可能是今后电厂技术的重要发展方向，这对电厂提高各种监测仪表的测量精度也提出了更高的要求。
1.新型仪表开发
由于空气在压缩过程中温度会随着压力的升高而上升，对于循环流化床锅炉机组，由于其一次风机、二次风机出口压力较高，所以一二次风机可以认为是增压比较小的压气机，因此可以利用通过测量风机进出口的温升、压差以及电动机的功率来计算风机的流量与效率。具体来说，在忽略掉风机进出口的高差和表面散热后，根据能量守恒定律，风机出口空气动能与焓值之和应该等于风机进口空气焓值与输入风机的电机功率之和，而风机出口的气体动能与流量之间存在函数关系，基于此，可以求解出风机的流量，进而计算出风机的效率。
为了更加方便运行人员的现场操作，基于上述热力学原理的风机性能测量方法，开发了循环流化床锅炉新型风机性能实时在线测量仪表，仪表结构示意如图1所示。图1中，通过测量风机进出口的温度、压力，采集电动机的功率信号，即可实时计算出风机的流量与效率。考虑到我国大部分地区夏季高温多雨、空气湿度较大，所以开发的新型风机性能测量仪表也考虑了水蒸气对空气物性参数的影响。
湿空气中所含水蒸气的质量采用下式计算：
式中：d为空气含湿量，kg/kg；φ为空气相对湿度，%，为测量值；ps为水在环境温度下的饱和压力，kPa，通过查表取得；p0为环境大气压力，kPa，测量值。
湿空气的有关物性参数，比如比热、密度等采用质量加权平均计算：
式中，X为比热或密度等物性参数，Xa为干空气的物性参数，Xw为水蒸气的物性参数。
由于本文中所提的风机新能测量仪表需要采集风机进出口的相关参数来计算风机的流量与效率，因此仪表的测量精度会直接受各传感器测量精度的影响，各传感器的精度越高，仪表的精度也越高。但考虑到整个仪表的经济性，根据文献中对各参数测量仪表精度对系统误差影响的分析，各测量传感器的精度选择见表1。由于仪表的测量过程主要是基于热力学原理，对温度传感器的精度要求较高，所以对温度传感器的测量精度要求为±0.1℃，如图2所示。
该新型风机性能测量仪表既可以就地显示风机的流量和效率，见图3，也可以将测量出来的流量和效率结果以标准4~20mA标准信号输入电厂的DCS，用于指导运行人员调整锅炉燃烧。仪表本身也可以记录风机的实时运行参数，便于对运行数据进行分析。
2.试验验证
为了验证基于热力学原理的新型风机性能实时在线测量仪表的准确性，在内蒙古某电厂330MW循环流化床锅炉2号机组的2台一次风机及2台二次风机上共安装了4套风机性能实时测量仪表，同时委托专业机构对其中1台一次风机及1台二次风机的风量做了试验标定。
2.1机组情况
该电厂2号机组锅炉为东方锅炉(集团)股份有限公司设计制造的亚临界自然循环、一次中间再热、汽冷式旋风分离器、单炉膛、平衡通风、固态排渣循环流化床锅炉。锅炉型号为DG1089/17.4-Ⅱ1，主要热力参数见表2。
该锅炉机组一次风机系统设2台50%容量的双吸双支撑离心式风机，一次风量采用变频器调节。冷一次风经管式空预器加热后分成两路送入炉膛：一路从热一次风母管引出，经播煤风机升压后，用于炉前播煤装置的气力播煤，每台炉设一台离心式播煤风机；一路从热一次风母管引出，直接去风道点火器，经水冷风室进入炉膛。一次风机出口的冷一次风道上还接有一路至电子称重式给煤机的密封风。二次风机系统设2台50%容量的双吸双支撑离心式风机，二次风量也采用变频器调节。冷二次风经管式空预器加热后通过二次风环形风箱分多级送入炉膛，为燃料燃烧提供氧气。一次风机、二次风机主要技术参数见表3。
2.2试验依据及试验方法
在验证试验中，风量测量方法主要依据为《电站锅炉性能试验规程》（GB/T10184—2015）及《电站锅炉风机现场性能试验》（DL/T469—2018）2个标准，试验过程中保持机组及风机负荷稳定，机组负荷为300MW。在机组稳定负荷（或风机稳定出力）条件下，在风机出口风道采用符合标准规定的气体流量测量装置和等面积网格法，按照式(3)计算各测点的质量流速。
式中：mi为测量截面上各测点的质量流量，kg/(m2·s)；k为靠背管的修正系数，根据靠背管出厂资料，取0.8422；Δpi为测量截面上各测点的动压，Pa；pi为测量截面上各测点的静压，kPa；ti为测量截面上各测点的温度，℃。计算出风道截面各点质量流速mi的平均值后，按照式(4)计算风机出口就地实测风量。
式中：Q为风机出口总风量，km3/h（标准状态，下同）；A为风机出口风道截面积，m2。
试验期间同时记录试验风机的，新型风机性能实时监测仪表读数。将在线测量仪表读数与就地实测结果对比，分析二者的相对偏差情况。
2.3试验结果及分析
厂内编号为22的一次风机、二次风机出口风量的测量结果见表4，二者出口相关参数测量结果如图4所示。
从表4中可以看出，一次风机就地实测风量为220.5km3/h，新型风机性能实时监测仪表测量值为221.9km3/h，二者相对偏差为+0.6%；电厂DCS显示风量155.5km3/h，与就地实测值相差−29.48%。二次风机出口风量实测为277.4km3/h，新型风机性能实时监测仪表为271.3km3/h，二者相对偏差为−2.2%；电厂DCS显示风量为244.4km3/h，与就地实测值相差−11.90%。
从表4中还可以看出，采用基于热力学原理的风机性能测量方法所开发出的仪表精度很高，完全可以满足电厂现场运行的需求，能够用于电厂的循环流化床锅炉优化运行调整及风机能耗监测等方面，电厂也将根据风量表的测量结果对锅炉运行进行优化调整。
现有风量表安装在空预器后面，而基于热力学原理的新型风机性能测试仪表安装在风机出口，这样，由于空预器本身存在漏风，所以在表4中DCS所显示出来的结果要小于试验及仪表测量结果。当然，DCS所显示的一次风量与测量值差异更大，或者是漏风更大的缘故，也可能是现有风量表准确性不高的缘故。如果能够将机组现有风量表校验准确，或者利用其变化趋势，可以与新型风量表配合使用，用来监控空预器的漏风率，以便于用来指导空预器的检修。
采用热力学原理的风机性能测量方法的理论基础就是利用测量风机进出口的温度及静压来替代所需要测量的速度场，从图4中的测量结果来看，即使是离心风机，在出口速度场（动压）分布很不均匀的情况下，风机出口的温度场及静压场非常均匀，特别是温度场，一次风机出口各测点温度均为46.4℃，二次风机出口各测点温度均为33.5℃，说明采用该方法从机理上就具有更高的准确性，而且温度场的均匀性高的特点可以只使用1根温度计，且安装位置灵活，所以系统具有结构简单，易于安装及没有运行阻力的优点。基于热力学原理的风机性能测量仪表与现有的风量测量仪表综合比较见表5。
目前电厂上少有安装，电厂对风机效率测试一般委托给电力科学研究院来完成，而本文中所开发的仪表可以实时测量出风机的运行效率，对于大型动叶可调或者静叶可调风机，可以在运行中通过调整风机叶片迎角及转速保持其处于较高效率区运行，具有较高的使用价值。循环流化床锅炉是低热值燃料、难燃煤种清洁高效利用的主要技术手段，也是我国火力发电的重要组成部分。目前我国在役的大型循环流化床锅炉装机容量超过8000万kW，本文所开发的测量仪表具有较大的市场推广潜力。
3.结语
基于热力学原理的风机性能测试新方法所开发的新型风机性能实时在线测量仪表，在测量330MW循环流化床锅炉机组一次风机流量时，相对误差不足1%；在测量该锅炉机组二次风机流量时，相对误差略高于2%。该仪表同时还具有结构简单、易于安装等点。该仪表由于可以实时测量出风机的效率，具有较大的市场推广潜力。
但是通过观察氧量来调整锅炉燃烧，主要存在的问题有：1）烟气中氧量测量的准确性问题，一方面是表计本身的准确性问题；另一方面是测点位置烟道截面的氧量均匀性问题：由于锅炉炉膛及尾部烟道内一般是负压，所以在密封不严时，存在较大的漏风，影响烟道内氧量的分布；2）由于烟气是燃烧后的产物，所以利用氧量来调整燃烧存在一定的滞后性，特别是在锅炉负荷波动较大的时候；3）依据烟气中的氧量可以用来调整锅炉的配风，但不能用来指导优化锅炉一次、二次风的配比。由于锅炉一次风比二次风压力要高很多，因此，优化一次、二次风风量不仅对提高燃烧效率、降低污染物的产生有很大的帮助，同时对于降低风机电耗也有重要作用。
随着火电技术的进步及我国政府对节能减排问题的重视，各燃煤电厂在挖掘节能潜力方面投入了较大的人力物力，因此机组的节能空间已经越来越小，所以精细化管理在电厂节能工作中也更加重要，这给循环流化床锅炉的运行控制也提出了更高的要求。若要实现精细化管理，电厂首先需要提高各种监测仪表的测量精度，而如果风量测量不准，对于实现电厂的精细化管理具有较大的影响。另一方面，建设智慧电厂可能是今后电厂技术的重要发展方向，这对电厂提高各种监测仪表的测量精度也提出了更高的要求。
1.新型仪表开发
由于空气在压缩过程中温度会随着压力的升高而上升，对于循环流化床锅炉机组，由于其一次风机、二次风机出口压力较高，所以一二次风机可以认为是增压比较小的压气机，因此可以利用通过测量风机进出口的温升、压差以及电动机的功率来计算风机的流量与效率。具体来说，在忽略掉风机进出口的高差和表面散热后，根据能量守恒定律，风机出口空气动能与焓值之和应该等于风机进口空气焓值与输入风机的电机功率之和，而风机出口的气体动能与流量之间存在函数关系，基于此，可以求解出风机的流量，进而计算出风机的效率。
为了更加方便运行人员的现场操作，基于上述热力学原理的风机性能测量方法，开发了循环流化床锅炉新型风机性能实时在线测量仪表，仪表结构示意如图1所示。图1中，通过测量风机进出口的温度、压力，采集电动机的功率信号，即可实时计算出风机的流量与效率。考虑到我国大部分地区夏季高温多雨、空气湿度较大，所以开发的新型风机性能测量仪表也考虑了水蒸气对空气物性参数的影响。
湿空气中所含水蒸气的质量采用下式计算：
式中：d为空气含湿量，kg/kg；φ为空气相对湿度，%，为测量值；ps为水在环境温度下的饱和压力，kPa，通过查表取得；p0为环境大气压力，kPa，测量值。
湿空气的有关物性参数，比如比热、密度等采用质量加权平均计算：
式中，X为比热或密度等物性参数，Xa为干空气的物性参数，Xw为水蒸气的物性参数。
由于本文中所提的风机新能测量仪表需要采集风机进出口的相关参数来计算风机的流量与效率，因此仪表的测量精度会直接受各传感器测量精度的影响，各传感器的精度越高，仪表的精度也越高。但考虑到整个仪表的经济性，根据文献中对各参数测量仪表精度对系统误差影响的分析，各测量传感器的精度选择见表1。由于仪表的测量过程主要是基于热力学原理，对温度传感器的精度要求较高，所以对温度传感器的测量精度要求为±0.1℃，如图2所示。
该新型风机性能测量仪表既可以就地显示风机的流量和效率，见图3，也可以将测量出来的流量和效率结果以标准4~20mA标准信号输入电厂的DCS，用于指导运行人员调整锅炉燃烧。仪表本身也可以记录风机的实时运行参数，便于对运行数据进行分析。
2.试验验证
为了验证基于热力学原理的新型风机性能实时在线测量仪表的准确性，在内蒙古某电厂330MW循环流化床锅炉2号机组的2台一次风机及2台二次风机上共安装了4套风机性能实时测量仪表，同时委托专业机构对其中1台一次风机及1台二次风机的风量做了试验标定。
2.1机组情况
该电厂2号机组锅炉为东方锅炉(集团)股份有限公司设计制造的亚临界自然循环、一次中间再热、汽冷式旋风分离器、单炉膛、平衡通风、固态排渣循环流化床锅炉。锅炉型号为DG1089/17.4-Ⅱ1，主要热力参数见表2。
该锅炉机组一次风机系统设2台50%容量的双吸双支撑离心式风机，一次风量采用变频器调节。冷一次风经管式空预器加热后分成两路送入炉膛：一路从热一次风母管引出，经播煤风机升压后，用于炉前播煤装置的气力播煤，每台炉设一台离心式播煤风机；一路从热一次风母管引出，直接去风道点火器，经水冷风室进入炉膛。一次风机出口的冷一次风道上还接有一路至电子称重式给煤机的密封风。二次风机系统设2台50%容量的双吸双支撑离心式风机，二次风量也采用变频器调节。冷二次风经管式空预器加热后通过二次风环形风箱分多级送入炉膛，为燃料燃烧提供氧气。一次风机、二次风机主要技术参数见表3。
2.2试验依据及试验方法
在验证试验中，风量测量方法主要依据为《电站锅炉性能试验规程》（GB/T10184—2015）及《电站锅炉风机现场性能试验》（DL/T469—2018）2个标准，试验过程中保持机组及风机负荷稳定，机组负荷为300MW。在机组稳定负荷（或风机稳定出力）条件下，在风机出口风道采用符合标准规定的气体流量测量装置和等面积网格法，按照式(3)计算各测点的质量流速。
式中：mi为测量截面上各测点的质量流量，kg/(m2·s)；k为靠背管的修正系数，根据靠背管出厂资料，取0.8422；Δpi为测量截面上各测点的动压，Pa；pi为测量截面上各测点的静压，kPa；ti为测量截面上各测点的温度，℃。计算出风道截面各点质量流速mi的平均值后，按照式(4)计算风机出口就地实测风量。
式中：Q为风机出口总风量，km3/h（标准状态，下同）；A为风机出口风道截面积，m2。
试验期间同时记录试验风机的，新型风机性能实时监测仪表读数。将在线测量仪表读数与就地实测结果对比，分析二者的相对偏差情况。
2.3试验结果及分析
厂内编号为22的一次风机、二次风机出口风量的测量结果见表4，二者出口相关参数测量结果如图4所示。
从表4中可以看出，一次风机就地实测风量为220.5km3/h，新型风机性能实时监测仪表测量值为221.9km3/h，二者相对偏差为+0.6%；电厂DCS显示风量155.5km3/h，与就地实测值相差−29.48%。二次风机出口风量实测为277.4km3/h，新型风机性能实时监测仪表为271.3km3/h，二者相对偏差为−2.2%；电厂DCS显示风量为244.4km3/h，与就地实测值相差−11.90%。
从表4中还可以看出，采用基于热力学原理的风机性能测量方法所开发出的仪表精度很高，完全可以满足电厂现场运行的需求，能够用于电厂的循环流化床锅炉优化运行调整及风机能耗监测等方面，电厂也将根据风量表的测量结果对锅炉运行进行优化调整。
现有风量表安装在空预器后面，而基于热力学原理的新型风机性能测试仪表安装在风机出口，这样，由于空预器本身存在漏风，所以在表4中DCS所显示出来的结果要小于试验及仪表测量结果。当然，DCS所显示的一次风量与测量值差异更大，或者是漏风更大的缘故，也可能是现有风量表准确性不高的缘故。如果能够将机组现有风量表校验准确，或者利用其变化趋势，可以与新型风量表配合使用，用来监控空预器的漏风率，以便于用来指导空预器的检修。
采用热力学原理的风机性能测量方法的理论基础就是利用测量风机进出口的温度及静压来替代所需要测量的速度场，从图4中的测量结果来看，即使是离心风机，在出口速度场（动压）分布很不均匀的情况下，风机出口的温度场及静压场非常均匀，特别是温度场，一次风机出口各测点温度均为46.4℃，二次风机出口各测点温度均为33.5℃，说明采用该方法从机理上就具有更高的准确性，而且温度场的均匀性高的特点可以只使用1根温度计，且安装位置灵活，所以系统具有结构简单，易于安装及没有运行阻力的优点。基于热力学原理的风机性能测量仪表与现有的风量测量仪表综合比较见表5。
目前电厂上少有安装，电厂对风机效率测试一般委托给电力科学研究院来完成，而本文中所开发的仪表可以实时测量出风机的运行效率，对于大型动叶可调或者静叶可调风机，可以在运行中通过调整风机叶片迎角及转速保持其处于较高效率区运行，具有较高的使用价值。循环流化床锅炉是低热值燃料、难燃煤种清洁高效利用的主要技术手段，也是我国火力发电的重要组成部分。目前我国在役的大型循环流化床锅炉装机容量超过8000万kW，本文所开发的测量仪表具有较大的市场推广潜力。
3.结语
基于热力学原理的风机性能测试新方法所开发的新型风机性能实时在线测量仪表，在测量330MW循环流化床锅炉机组一次风机流量时，相对误差不足1%；在测量该锅炉机组二次风机流量时，相对误差略高于2%。该仪表同时还具有结构简单、易于安装等点。该仪表由于可以实时测量出风机的效率，具有较大的市场推广潜力。
图文如有侵权请联系：nanhu9181（微信）处理
