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横截面流量计在送风总管中的应用

发布时间:2019-11-27 10:50:13 浏览:

1 前言

我国钢铁工业在过去十年来,吨钢能耗实绩逐年下降,节能工作获得了较大的成果,但仍然不可避免的存在一些制约因素,节能降本工作依旧面临着巨大的挑战,其中最引人关注的领域就是余热余能利用问题。目前,多数大型钢铁厂的回收煤气主要用于焦炉、热风炉及加热炉等自耗用工序,这部分自耗煤气的用量约占煤气总产出量的50%~80%,剩余部分则用于自备电厂发电。宁波钢铁有限公司所投运的135MW余能发电机组,正是宁钢余能利用的标杆项目,也是公司实现煤气零排放的重要保障。

然而,受上游产线工况条件变化等情况的影响,回收所得煤气的用量、组成亦可能发生较大的变化,导致余能锅炉的生产负荷也需要经常性地进行调整,从而使锅炉燃烧控制过程附带了较强的非线性和耦合性。采用常规控制方法往往力有未逮,不能保证余能锅炉的稳定运行,因此许多电厂将节能降耗的重心开始转向控制系统的优化,一些基于现代控制理论的优化方案在电厂过程控制领域中逐步开始应用,如模型预测控制法、模糊控制法及神经网络技术等等。但是,不管采用何种控制模式,“能否对重要过程变量实现精确、稳定地检测”是一个必不可少的关键前提。燃气锅炉送风量的优控效果是影响锅炉热效率关键要素,而宁钢余能锅炉在设计阶段就受到场地等制约,其总风量和支管风量管道均未能给流量计的安装配置留有足够的直管段,从而给流量计选型配置造成了极大困难。因此,选配一种直管段要求较低、永久压损小、防堵能力强且测量精度、稳定性均能满足机组调控要求的送风流量计,对余能锅炉燃烧过程实现最优控制有重大意义。

2 余能锅炉送风工况及流量计选配难点

2.1 工况参数的突变性

大型钢铁联合生产企业中,产出的各类煤气通常由公司动力调度根据各产线生产情况统筹调配煤气用量,而余能电厂作为最末级的煤气用户,其最终使命是吞耗掉上级用户的煤气剩余量,进而实现煤气零排放的目标。此种煤气调配方式决定了余能锅炉的煤气供应量会经常性地发生变化,根据理想空燃比规则,必然要求对应的送风量也实时进行调整,因此余能锅炉送风量存在突变、波动大的特性。

宁钢送风总管设计最大流量为160000m3/h、最小流量为30000m3/h、常用流量为120000m3/h,从以上数据可知,送风总管需配流量计的量程比应高于1:4,而常规标准节流装置的量程比一般为1:3~1:4,故仅从量程比角度进行选配,则标准节流装置的适用性不高,因此大大降低了总风量流量计的选型空间。

2.2 流量计直管段的先天不足

宁钢余能锅炉在设计阶段,就针对煤气流量计、送风空气流量计等重要过程变量检测仪表提出了具体安装条件需求,但机组拟建场地空间有限,最终无法为流量计的安装提供足够直管段。根据最终设计,宁钢余能发电厂1#锅炉的送风总管为2000mm×2000mm的矩形管道,其流量检测点的直管段总长度不足3米(约2D);送风支管为800mm×800mm的矩形管道,其流量检测点的直管段总长度不足3米(约4D)。

根据《流量测量节流装置设计手册》的规定,标准孔板、经典文丘里管、喷嘴和文丘里喷嘴均应有足够的直管段,具体以常见的单个90°弯头下游安装节流装置的直管段要求为例进行说明(如表1所列)。从表1数据可知,标准节流装置的直管段至少要达到8D以上,才能确保测量准确性。同理,以标准节流装置延伸出来的平衡流量计[1]、环形孔板等非标节流装置,其直管段要求虽可略有降低,但亦不可能放宽到宁钢现有的“前后总共只有4D直管段”这一苛刻实况。即使当今各行业所提倡的基于皮托管原理开发的各类插入式流量计,若无大量的流体试验数据进行流量系数优化或增配优良的整流装置,亦难以避开“现场安装难以满足充足直管段要求”这一难题。因为无论是皮托管、热式等单点式流量计,还是阿牛巴、威力巴等均速管流量计,其以单点流速或单线流速推算管道平均流速的过程中,均以充分发展流体为前提。若流量计前后直管段严重不足,则管道内的流体得不到充分发展,其流场通常处于不规则分布状态,此时就难以精确地以单点流速或单线流速推算出管内介质的平均流速。

表1 标准节流装置直管段要求     下载原表

表1 标准节流装置直管段要求

2.3 测点管道几何形状的限制

宁钢余能锅炉的送风管道,设计为矩形结构。不论是现今发展较为成熟的节流装置,还是陆续研发应用的V锥、旋进、平衡流量计等,基本上均以圆形管道作为应用对象。针对矩形管道的流量检测,理论上可采用超声波、矩形文丘里管、涡街、热式及各类插入式流量计,但从使用效果和运行成本考虑,余能锅炉送风流量检测通常倾向于选用基于皮托管原理而拓展开发的速度式流量计。因此,相对于其它圆形管道流量计,宁钢送风流量计的选型空间则相对来说要小的多。

3 横截面流量计的应用

3.1 横截面流量计的测量原理

在有足够直管段且管道中介质流场分布具有特定规律的前提下,即管道内介质为充分发展流时,管道中的介质流速分布规律为“流速自管壁为零连续变化至管道中心的最大值”,而在该变化过程中则可找出一个代表管道平均流速的速度点,这就是单点流量计和均速管流量计的测量依据。但是在实际应用过程中,工业管道往往满足不了规范所指定的直管段需求,从而造成管道中的气流呈现不均匀分布,难以通过检测管道中某一个点或某一个中心线的流速来推算管道平均流速。

横截面流量计就是在充分考虑到上述实际困难的前提下开发研制的,它的理论依据是皮托管原理和速度面积法测量原理。虽然非充分发展流的实际流速分布无规律可循,但可以将测量流速的截面分割成N个小单元(面积为Ai),假设每个小单元面积内的流速为Vi,则总流量就等于流经各小单元的流量之和。此方法即为速度面积法(如图1所示),该法已被国际标准化组织认可,并指定了相应测量规范。采用此法时,当单元面积分割越多则所测得的流量将越精准。

图1 小单元分割原则示意图

图1 小单元分割原则示意图   下载原图

由于通过横截面流量计上的各点流速是不相等的,为实现传感器所测数值尽可能接近介质流速均值,故而从流量计结构构造上入手促使获取代表各点流速之和的平均值,检测探头参照多点自动均衡皮托管工作原理来检测气流总压和静压。

3.2 横截面流量计的性能

横截面流量计借助于其面积分割法的特殊构造(如图2),通常开设有几十个乃至近百个测点。当流量计采用“速度面积法”原理工作时,其测量准确性与测点数量存在着正比关系,因此,横截面流量计相比于“单点流量计、多点均速管流量计”更具准确性保障。同时,横截面流量计结合流动调整器的组合模式,能对扰动流量起到一定的调整作用,能将不规则流场在极短的流程中调至稳流。因此,横截面流量计理论上可不需要前后支管段,只需提供250mm~300mm长的安装位置,即可测量各类气体介质在30度以下流动倾角的流量,且不受不规则、多向旋转气流的影响,可应用于各类特殊形状、规格的管道。

图2 流量计构造及直流器前后流场示意图

图2 流量计构造及直流器前后流场示意图   下载原图

横截面流量计的永久性压损,相对来说也较小。以1000mm×1000mm矩形管道为例:直流器是由水平方向24片网格和垂直方向24片网格组成,每个网格使用的是0.8mm厚的钢板。把垂直的24片网格全部摞在左边,其摞在一起的厚度只有0.8×24=19.2mm,同理把水平的24片网格摞到上面,其摞在一起的厚度也是19.2mm。此时,可计算直流器的有效流通面积S=(1000-19.2)×(1000-19.2)=961969mm2,流通比=961969÷(1000×1000)×100%≈96%,因此横截面流量计的有效流通面积理论上能达到96%以上,其所造成的压力损失很小,甚至可以忽略不计。

大多数流量计出厂时实施了单体标定,但鉴于出厂标定时的实验工况与现场实际存在一定的差异性,流量系数的标定结果往往难以匹配实际,因此对于测量偏差较大的流量计,投用前需邀请专业单位进行现场标定。现场标定是一件非常麻烦的事,首先在管道上要开出许多许多的标定孔,标定工作量很大,而且是个很花钱、花时间、花人力的事。现场标定不仅成本很高,而且标定的精度由于受现场工况的限制,标定的效果不一定令人满意。横截面流量计的测量原理与现场标定方法非常相近,它们都是把管道截面分成若干个小单元面积,测量出每个小单元的流速,进而求出管道的平均流速。区别仅在于:人工标定时是每个单元分时逐一测量、人工求平均;横截面流量计是一下子测出所有小单元的风速并自动求平均值,而且横截面流量计划分的小单元比人工标定更加细化、测点更多。

总所周知,流量计上凡是迎流方向的测量孔(全压孔)基本上不会发生堵塞,而背流方向的测量孔(静压孔)容易被堵塞。那时因为,气流在测量杆的背面会形成涡流,如果气流中带有灰尘等颗粒,则在背压孔处将会集结形成堵塞如图4所示。为了根本上改善堵塞问题,经过科学计算、标定测试及实践检验,横截面流量计将静压孔移到迎流方向,这样,横截面流量计的全压孔和静压孔全部在迎流的方向,成为一种本质上即可防堵的流量计,如图3所示。若现场实际工况更为恶劣,则可加配一款FYCT自动定时无扰动吹扫装置,以更好地提升防堵能力。

图3 横截面流量计取压孔示意图

图3 横截面流量计取压孔示意图   下载原图

3.3 横截面流量计应用案例

2001年横截面流量计第一次在山东济南HT电厂6#机的410T锅炉上应用,该锅炉共设计四层四角二次风,在调风挡板和弯管之间只有330mm的安装位置,弯管的角度为70°。以前在这个位置曾安装过16支阿牛巴均速管,其测量效果较不理想,后改造成16台横截面流量计后,测量准确性和稳定性均得到了较大的改善。

宁钢余能发电厂设计两路送风总管,原总风量流量计采用两侧支管均速管流量计测值相加的模式,其流量测量存在较大的不确定性。2016年,加装两台总风量横截面流量计后,其流量准确性和稳定性较为接近工艺实际如图4趋势所示。

图4 送风流量测量趋势图

图4 送风流量测量趋势图   下载原图

4 结束语

横截面流量计具有直管段要求低、压损小、不易堵塞、测量稳定性好及能适用于各类不规则管道等优点,能很好地应用于余能锅炉送风量检测等特殊工况。但我们也应充分地认识到,其还存在着一些技术提升空间,如“极短直管段下整流效果并非能达到理想化状态、小单元切割法分散取压后集中管均压方式不能完全替代速度面积法”等。因此,在实际应用横截面流量计时,技术人员应积极分析检测数据和实际工况参数的匹配性,必要时可采取流量系数优化等提升措施。