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提高火电风量测量准确度促进节能减排
来源: ceasia-china.com作者: Kenny Fu时间:2020-01-06 14:28:21点击:3751

毛新业

一、前言

1.形势严峻

温室效应、节能减排已成为全人类所关注的课题。在2009年的哥本哈根会议上,我国宣布到2020年,将在2005年基础上,将单位GDP产值降耗40~45%。要达到这个减排指标,将面临很大的困难与压力。虽然我国近年已将节能减排放在国策中的重中之重,竭尽全力,加大了力度,但与发达国家相比,仍存在较大的差距。我国中小火电厂供电耗煤为380~500g/kw;大型电厂为320~354 g/kw,如全部达到国外先进水平299g/kw(日本),可节约1亿吨煤,减排SO2 180万吨,CO2 2.2亿吨,火电的技改应是我国节能减排的重点之一。

“十一、五”火电节能减排主要依靠行政手段进行产业结构调整,关停产值小、能耗大的中小企业,仅火电就关停了5000多万kw机组,这终究只是权宜之计,今后的重点还是应用科学发展观,采取节能新技术促进节能减排。

2.准确测量风量,提高锅炉热效率

近些年,我国火电的节能减排重点是除尘,脱硫,尚未对提高风量测量准确度以增加锅炉热效率引起足够的重视。锅炉的燃烧,是碳与氧的化学反应,应有一个恰当的燃料/空气比,才能有效地完成这个化学反应.。空气(氧)不足,燃烧不完全;空气过多则造成锅炉热效率降低。长期以来,为避免供氧不足引起熄火,往往采取过氧运行,过氧量常达2~3%,导致10~15%的空气被无谓的加热、输运、排放,造成锅炉热效率不高。前三年我国电厂平均净效率仅34.43%,而国际先进水平已达40%以上。

据相关资料估算2,如风量准确度为8~10%,锅炉热效率仅为70~74%,如采取多项措施,将风量测量准确度提高至2~3%,则可将锅炉热效率提高至80~84%,我国火电装机达5.5亿kw,如普通采用新技术提高风量测量准确度,将有力促进我国节能减排,具有重大的意义。

二、火电风量检测的特点与其检测仪表

1.火电风量的特点

①管径可达5~6米以上,多为矩形管,且组合复杂(图1a,华北某火电厂二次风管道),直管段长度放短,往往不足1D,流速分布复杂(图1b),且随负荷不断变化,不可能存在固定不变的平均流速点。

②管内存在漩涡,其大小及位置随流量不断变化。

③为减小压力损失(管道压损与流速大小按几何级数增长),管内流速多低至5~10m/s,在常温下,空气的总静压差仅15~60Pa(约1.5~6mm水柱)。

④气体中常含有粉尘,采取常用的差压仪表易于堵塞。

⑤由于流量分布复杂,如提高准确度多采用速度面积法,测取几十点流速推算流量,每一点流速的大小、流体物性、加权个数……均不相同,计算复杂。

2.已使用过的检测仪表

①测单点

基于取样原理,通过测管道中某一特定点(圆中心或0.242R)流速来推算流量.如:插入式涡轮、涡街、双文丘里、热式等……,其前提是前直管段长度应达到30~50D(D管内径)。

由于火电厂直管段长度极短,且存在变化无常的漩涡,不可有位置固定不变的平均流速点,甚至不存在输出值随流量变化的规律,且不说流量准确度,即或用于工控系统也是不合适的。

不少厂家曾宣称其流量计曾在风洞中进行了标定,准确度可达到±1%,这仅是流速准确度,流量准确度由于管道的影响,即使直管段较长也只可能达到±3%。3、4

当前仍有不少电厂采用热式流量计测风量,它的优点是可测很低的流速且不会阻塞,但它只能测干燥的气体,温度不能太高,且当存在漩涡时,还可能给出虚假信号,只是这个信号究竟反映什么,那就说不清了,而可肯定不是真实的流速。

从上所述,由于火电厂流速分布过于复杂,这类测单点的插入式流量计已完全不适用于火电厂的风量测量。

②测线上多点5

通过测管道中某一直线(圆管为直径,矩形管为高或宽)上多点流速来推算流量,安装仍为插入式的流量仪表,于上述测单点流量相比,准确度将有所提高,且具有安装简便,工作稳定,压损小等优点,以均速管(即Bar类)为典型。但其前提也需要有不少于20D的前直管道长度,管内流速分布的等速线近似于同心圆才有可能获得必要的准确度。

均速管用于各项工程已有四、五十年的历史,根据技术的发展、应用中的问题不断改进更新,检测杆的截面形状、取压方式历经了圆形、菱型I型、菱型型Ⅱ(组合式)、菱型Ⅱ(一体式)、弹头型(威力巴)、T型(Annubar485)等多种型式。当前在冶金、钢铁、市政、化工、建材……等行业应用较多的是菱形Ⅱ一体式(Itabar、Deltabar)及弹头型的Verabar。

而对于火电厂测风量来说,如仅采用均速管(不配合采取其他措施)已不能取得较好的效果。在华北某电厂笔者曾见用三支均速管测矩形管道中的二次风(图1a),管道横截面仅0.9*1.1m,由于管道中存在漩涡,其大小及位置还随风量不断变化,因而在30~50%风量范围内,出现了当风量增大时均速管的输出差压反而减小的现象。说明在火电厂测风量,即使管道不大,由于流速分布复杂,插入多支均速管也不可能正确反映流量值,而且输出差压在某一流量范围还呈现反常现象,用于工控系统也是不合适的。

③满管流量计 曾用过机翼式、文丘里管等流量计测火电厂的风量,由于火电厂管径已大至5~6米,这些流量计体积都过于庞大,其本身的长度也需要一定长度,且不说制造、运输、安装的困难,火电厂已没有足够的空间来安装这些“庞然大物”了。

三、大管道气体流量测量系统

从上所述,由于火电厂进风管径极大,直管段长度又很短,流速分布十分复杂,且存在漩涡。几十年以来所采用的单台流量计已无法准确测量,制约了锅炉燃烧效率的提高及节能减排的实施。

当无法改变工程现场条件时,就应采取相应的措施来改善现场条件,以达到准确测量风量的目的。

基于这一理念,采取了以下措施组成了大管道气体流量测量系统。

1.整流器

①必要性 火电厂风管流速分布十分复杂,可增加流速测量点准确进行描述,但如果存在漩涡,且其大小及位置将随风门的开度,流量大小不断变化,不清除漩涡就无法正确测量流量。当前最有效的办法就是采用整流器(图2)。

②结构 这种整流器不同于ISOTC30几十年以来所推荐的整流器,而采用近百年来成功应用于风洞设备中的蜂窝状整流器。其特点是:流通面积/管道截面比值较大,以减小压力损失。

2.多点流速计(图3)

①原理 根据皮托管测速原理,通过测流体总静压之差推算流速,测点位置及数量按相关规范组成矩阵,充分反映管道中流速分布。

②流速计截面 采用圆管,当管径大于1米,空气流速大于2m/s时,雷诺数已超过106,采用圆截面管道已不存在“阻力危机”问题,而且还易于制造、降低成本。

③总压孔 总压孔加工了一个凹形槽,当气流偏斜±20%时,仍可准确测量差压。

④静压孔 根据菲克亥尔摩方法,圆管在迎向流向±30%处压力分布(图4),为理想静压孔的位置,因而流速系数等于1,可以避免压力分布带来的误差,但在相同流速下,输出差压将比均速管小50%。

3.微差压变送器

①低量程 长期以来制约插入式流量计应用于火电厂风量测量的因素之一是输出差压太小,据了解国外已推出一种超低差压变送器,最低量程可为0~13Pa。

②自动归零

一般的变送器都有零点漂移问题,如果量程很低又存在零点漂移,将造成很大的误差,这种差压变送器具有自动归零功能,以确保测量准确度。

4.自动及吹扫装置

火电厂的进风、二次风都难免含有粉尘,通过测差压来推算流量的仪表难免堵塞,长期制约了这类仪表(如均速管)在火电厂的应用。为解决粉尘的堵塞,不少厂家采用了吹扫装置取得了较好的效果,确保了流量计长期可靠的工作。该装置可根据现场的需要设定吹扫的间隔时间(每小时、数小时或一天吹扫一次),而每次吹扫持续的时间也可在30~120秒范围内设定,吹扫时将自动关闭测量阀门,保证不影响测量数据,整个过程设定后均由计算机自动完成。

5.流量计算机

火电厂的进风管道已达5~6米,满管流量计已难以采用,由于直管段十分短,流速分布及其复杂,必需采用插入式多点流速计。根据速度面积法在一个截面上测几十点流速,才可能充分反映管道中的流速分布,以确保流量测量的准确度,应当考虑以下因素:每一个测点因流速不同差压值会有差异;温度、压力不等必需进行补偿;因测点位置不同加权系数不相同(见IS03966);----等,计算十分复杂。所以必需采用的流量计算机。

6.效果与 应用

1效果

● 精确测量流量可达到风量与燃煤的最佳比值,减少风机功耗,提高锅炉热效率。

插入式多点流速计的永久压损仅为满管流量计的十几分之一,且安装、维修简便。

● 风量大小处于最佳状态,使煤粉得以充分燃烧,减少CO的排放。

● 维持燃烧火焰的最佳位置,避免火焰贴近炉壁,提高锅炉的寿命。

● 实现低碳燃烧,避免采用过于昂贵的SCR脱硝工艺,降低成本。

● 实现空气量随锅炉负荷进行调整,确保有效燃烧。

2应用

大管道气体流量测量系统在国外已应用了十余年,据称在美国火电已占有90%以上的市场。我国采用该技术仅数年,如:广东汕尾电厂2X600MW机组; 福建湄洲湾电厂2*396MW机组; 辽源电厂2*300MW机组; 绥中电厂2*1000MW机组;国产技术也有成功的案例,如广东阳西电厂2X600MW 机组6。

四、大管道气体流量仪表的检验7

为了确保仪表的测量准确度,出厂前都应在试验室进行校验,流量试验室在流体工况,流动的稳定性,测试仪表的精确度,流场┉--等都应具有理想的条件,其中流场的相似是重要条件之一。否则,所标定的流量系数传递就失去了意义,目前在国内曾用以下方法(或装置)用于校验流量仪表:

1、在风洞中校验

风洞是研究、测定物体与大气产生相对运动时物体受力状况的设备。 在其试验段截面上应是流速大小一致、方向相同的直均流。它虽是研究航空、航天的高科技试验设备,但并不可能成为理想的流量校验装置。因为工业现场无法产生直均流,流场不一致校验就没有意义。

厂家可以用它校验流速计,但流速计并非流量计。

2、在流量试验室中检验

这些流量试验室都在较长的直管段长度,具有充分发展紊流流场。各种流仪表规范也要求在现场安装时,必需具有较长的直管径长度(大于30D)。这样,试验室校验的流量系数才有意义。有人曾将均速管在风洞中标定后,又在充分发展紊流中进行标定,由于流场的不同,流量系数相差10%。说明流量系数与流场密切相关。

3、现场校验

由于工程中管径日益增大,而又无法保证必要的直管径长度,上述二种方法已不太适用于大管道气体流量仪表的校验。电厂的风量校验尤为突出,较为现实的方法是进行现场校验。

五、小结

1.要正视,适应现实

由于火电风量测量的特殊性(管径极大,长度很短,流速分布复杂,含有粉尘等)是无法改变的现实,单台仪表目前已不可能准确测量。因此,只能采取各项措施组成系统,有的放矢、逐一解决难题,才有可能准确地测量火电的风量,促进节能减排。

2.在我国已取得初步成效

近年来大管道风量测量系统,已部分或完整地应用于我国火电厂,取得了较好的效果,如福建湄州湾电厂,华能汕头电厂、大唐辽源电厂、国能绥中电厂等。

3.现场校验是发展趋势

由于特大管道流场的复杂性,且千变万化,没有确定的模式,也难以在试验室复制。而校验又必需具有相似的流场,用统一模式的试验室进行校验已失去意义。

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