运用动态参数测量计算风机风量技术研究与应用

王 野，冷 杰，王 强，童 刚

(国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

运用动态参数测量计算风机风量技术研究与应用

王 野，冷 杰，王 强，童 刚

(国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

在国内外火电厂大型锅炉风机设备中，存在风量测量装置系统复杂、测量精度低、可靠性不高、系统阻力损失增大及对风机运行工况不能做到直观监视等方面的缺点。为解决以上问题，研发了风机风量测量计算技术，该项技术主要是运用理论计算方法，将风机现有的运行参数输入PLC数控装置，计算得到风机流量，能够实现通过流量特性曲线画面实时在线监视风机运行工况功能。

锅炉风机；风量计算；在线监测；风机效率

在火电厂中，大型锅炉风机的主要作用是为锅炉配风、送粉及燃烧调整，而风机风量的调节通常用调整风机动叶角度的方式完成，风量能否稳定控制，对锅炉的安全、经济性影响很大[1]。

风机风量是风机运行中监测的重要数据，目前在国内外火电厂大型锅炉风机设备中，风量测量装置均安装在入口或出口风道里，其主要形式有机翼型风量测量装置、文丘里风量测量装置、多点式风速风量测量装置等，这些测量装置大部分采用测量差压方法获取风量[2]。该方式系统复杂、测量精度低、可靠性低、成本高、系统阻力损失大，并且对风机运行工况不能做到直观监视。

对于大型锅炉风机，由于出入口风道截面积很大，直管道布置较短，不适合安装风量测量装置，因此很多风机均没有安装此装置，现有一次风机的总风量是根据各台磨煤机入口风量叠加而成的。由于锅炉一次风经过回转式空气预热器时，向烟气侧和二次风侧漏风量较大，因此这种测量方式误差较大，给运行分析和调整带来困难。

另外，在风机运行中，如调节不当容易发生失速或喘振问题，喘振会造成风机风量大幅度波动，可能引起锅炉甩负荷(RB)动作，而且还会使风机振动增大、轴承温度升高，严重时还可能引起烧瓦和断叶片事故发生，国内很多电厂都存在此问题[3]。

本文提出风机风量测量计算技术主要是运用理论计算方法，将风机现有的运行参数输入PLC风量计算装置，计算得到风机流量，能够实现通过流量特性曲线画面,实时在线监视风机运行工况功能。应用该项技术可以有效防止风机喘振发生，省去风机风量测量装置，对减少风机安装维护成本，提高安全运行可靠性，提高风机效率和节能减排起到重要作用。

1 风机风量测量计算技术

该项风机风量测量计算技术是集风量测量、在线监测和安全预警为一体的综合测量计算技术。该项测量计算技术主要基于泵与风机相似理论，根据风机厂家流量特性曲线图编制数学模型，找出比功与风量的对应关系，引用风机正常运行参数计算得出风机出口风量。

测量计算技术主要是将现场DCS控制系统风机运行参数输入到风机风量测量计算装置中(该装置主要是由PLC可编程控制器和相关硬件组成)，输入数据经整理计算后，再送回DCS控制系统，通过现场控制盘CRT显示屏显示风机风量；该测量计算装置安装简单，风机风量测量计算误差小，信号稳定，没有现场维护量；在风机风量特性曲线图上设置1个光标，实时监视风机运行工况点，使风机在设计安全工作区内运行。该测量计算装置还具有喘振预警功能，当风机运行偏离正常工作点将要发生喘振时，发出喘振预警信号。

2 风机风量测量计算装置与传统测量装置对比分析

目前，电站锅炉已经步入现代化、高参数、大容量时代，为确保锅炉稳定燃烧，不仅对自动化程度要求越来越高，对锅炉合理配风、燃烧调整要求也越加严格。因此，对风机风量测量的准确性和可靠性、在线监测以及预防风机喘振等方面提出了更高要求。评价风量测量装置性能优劣的关键在于它是否具备测量准确、信号稳定、维护量少、阻力小、造价低、安装方便等特点[4]。目前测风装置种类很多，应用较多的类型有机翼型风量测量装置、文丘里风量测量装置、多点式风速风量测量装置等。传统风量测量装置结构、原理及技术特点与新型风机风量测量计算装置比较如下。

a.测量原理比较

传统的风量测量装置均靠安装在风道里的测试元件来测量风量，测量稳定性和可靠性受测量元件是否堵塞或完好状态影响。

新型计算装置无需在风道里安装测量元件，不受上述因素影响，其测量稳定性和可靠性要高于传统测量方法。

b.测量装置结构比较

从风量测量装置结构上看，传统风量测量装置系统安装复杂，安装技术条件要求较高，由于在风道里安装了测量元件，致使管道阻力增加，风机电耗增加[5]。

新型计算装置没有现场测试元件，故系统安装结构比前者简单、方便。同时也不存在管道阻力损失问题，提高了风机运行经济性。

c.测量技术特点比较

由于风道截面积较大，流场不均匀，多数风量测量装置无法准确测量出管道内的平均风量，故多数传统风量测量装置普遍存在风量测量不准确，使用效果不佳，维护量较大等问题。

新型计算装置由于以厂家风机风量特性曲线为基础，又经过实测风量的校验和修正，因此，该风量测量计算装置的计算精度要高于其它传统风量测量装置。

另外，新型计算装置还增加了传统风量测量装置所不具备的功能，能在风机风量特性曲线图上在线监测风机运行工况，能在风机喘振事故发生前发出喘振预警信号。

3 风量理论计算

3.1 计算理论依据

风机风量测量计算技术的理论基础是来自泵与风机的相似理论。相似理论广泛应用在许多科学领域，在泵与风机的设计、运行和整理数据等工作中也以相似理论作为基础。

经验表明，根据相似理论，当泵与风机的模型和实物的尺寸及转速都相差不大时，可以认为在相似工况下运行时的各种效率相等[6]，此时，当风机的转速改变时、压力及流量存在如下关系式：

(1)

(2)

对于同一台泵或风机，如果输送的流体不变，风机的风量比正比于转速比，风机的扬程比正比于转速比的平方，即：

(3)

(4)

式中：Q1为转速变化前流量，m3/s；Q2为转速变化后流量，m3/s；H1为转速变化前压力，Pa；H2为转速变化后压力，Pa；n1为转速变化前转速，r/min；n2为转速变化后转速，r/min。

该原理也称为比例定律，可以对2台同型风机之间的风量、转速、扬程等性能参数进行换算，也可以对1台风机在不同转速或相同转速下的风量、转速、扬程等性能参数进行换算。同理也可以将这一理论推广到靠变换动叶转角调整风量的定速风机。

3.2 计算原理

根据以上理论分析，找出比功和流量的关系，编写计算数学模型，将已知的风机转速、出口压力、入口压力、入口风温及动叶转角等参数输入到数学模型中，经过参数转换、判断、分析、比较，最后计算得到风机在不同转速或动叶转角下，流过风机的风量。数学模型主要是依据厂家设计的风机风量特性曲线建立的，特性曲线的纵坐标表示比功，横坐标表示风量，曲线族表示风机动叶转角。编制计算关系，即风机在动叶转角不变情况下，比功的变化与风机风量的变化为单值函数关系。

风机工作介质密度计算如下：

(5)

式中：PD为环境大气压力，Pa；Pj为风量测量面气体静压，Pa；t为风量测量面气体温度，℃；ρ为风量测量面气体密度，kg/m3；ρ0为标准工况下气体密度，kg/m3。

风机风量计算如下：

(6)

式中：Qj为计算风机体积流量，m3/s；Qb为设计风机体积流量，m3/s；λx为风机计算风量修正系数；θs为实测风机动叶转角(°)；θb为设计风机动叶转角(°)。

由于各电厂风机风道布置走向不同，导致管道阻力不同，出入口压力测点实际安装位置不同，动叶转角调试中具有一定偏差及风机生产厂家在制造加工方面存在一定偏差，因此，风机的实际运行特性与设计特性就必然存在偏差。为了使测量计算风量更接近实际风量，对测量计算风量进行修正和校对，即在相同工况下，用皮托管测取风机实际风量，将计算结果与实测结果进行比较，并且对计算偏差部分进行修正。

实践证明，修正后的测量计算风量与实测风量偏差较小，其风量变化关系基本符合风机风量设计变化特性。

4 现场试验分析

4.1 试验系统

现场试验是在某电厂锅炉一次风机上进行的，将PLC计算装置安装在锅炉一次风机控制系统中，接入输入信号包括风机入口风压、风机出口风压、风机入口风温、风机出口风温、风机动叶转角、风机电流及其他辅助参数；输出信号包括风机计算风量、风机喘振余量、风机效率计算机及各个报警信号。

4.2 试验数据比较

在某电厂一次风机测试系统中，用理论计算方法得出风量结果与用皮托管方式测量风量数据进行比较如表1所示。

表1 风量计算值与实测值比较

由表1可见，试验期间，机组负荷最高为600 MW，最低为330 MW，变化范围为270 MW；一次风机动叶调节开度最大为79%，最小为56%，变化范围为23%，因为风机动叶转角设计变化范围为10°～55°，动叶有效变化范围为45°，故试验中动叶转角变化范围为35.2°～45.9°，实际动叶变化范围为10.7°，实际转角动作范围占设计值的23.8%；一次风机计算风量最高为540 t/h，最低为426 t/h，变化范围为114 t/h。PLC数控装置计算风量与现场皮托管测量风量比较，最大偏差小于5 t/h。如果按测量误差比较分析，风量测量上限为1 000 t/h，计算风量相对误差<0.5%，国标要求<3%，计算误差小于国标的6倍。可见，风机风量特性符合相似理论，如果在保证输入参数准确的前提下，计算风量值完全可靠。

4.3 计算风量与现场显示风量偏差

在现场实测数据中发现，1号炉一次风总风量与计算风量显示偏差较大。

一次风总风量平均分配给2台一次风机，计算风量值与1台风机风量值进行比较如表2所示。

表2 风机风量计算值与测量系统值比较

由表2可知，3种工况的一次风总风量分别为593.90 t/h，606.30 t/h和605.30 t/h；如果将总风量平均分配，则每台风机风量分别为296.95 t/h，303.15 t/h和302.65 t/h；而在同一时刻一次风机计算流量分别为492.67 t/h，520.24 t/h和540.41 t/h；风量偏差分别为195.72 t/h，217.09 t/h和237.76 t/h。

风量偏差大原因分析：现场画面一次风总风量是由分别安装在6台磨煤机进口热风管道风量测量装置测出的风量叠加得出的。根据一次风机送出的一次风主要输出路径可知，一次风机送出的一次风，首先经过空气预热器，而后再进入各台磨煤机。一次风经过空气预热器时, 烟气侧和二次风侧漏风量较大，这样在空气预热器后测得一次风量是不包含这部分漏风量的，因此现场画面与计算风量会出现偏差。

由表2可知，机组负荷在541 MW时，一次风机出口风量为540.41 t/h，最大漏风达237.76 t/h，漏风量已超过风机出口风量的40%，会给电厂经济性带来影响，同时也说明该种方法测量的一次风量不能作为一次风机的风量。运行中一次风总风量不准确，容易造成运行人员误判，对机组的安全性造成不利影响。由此可见，用理论计算风量方法取代现有画面叠加风量方法非常必要。

5 应用分析

a.实用性

风机在火力发电厂中具有极其重要地位，引风机、送风机、一次风机一旦出现问题，将会影响机组负荷。因此，应该制定一个切实可行的测量方法。由于多数电厂考虑经费及安装复杂性等方面问题，机组风机没有安装风量测量装置，有的即使安装，指示也不够准确，给运行分析带来诸多不便，对风机喘振也无法做到提前预警。该测量计算装置不需要对风道系统作任何改动，只需要在DCS系统中加装1套PLC装置，就可以解决上述问题，还可将风机风量数据和风机运行工况传送到风机风量特性在线监测画面上。这对及时发现风机运行问题，指导运行操作极为重要[7]。该测量计算装置可以反复利用，即只需一套硬件就可以测量计算多台风机风量。如果采用系统通信方式，还可以省略该装置输入、输出的硬接线，简化了安装程序，使该装置与DCS系统通信更为方便。

b.准确性

一般传统风量测量装置需要在风道中安装一次测试元件，由于测量元件受到风道安装条件限制，测量的准确性将会受到一定影响。该计算装置经过实测风量的修正和校正，其测量计算精度不受外部条件影响，因此该测量计算装置的计算精度不亚于其它测量装置。实践证明，该测量计算装置数据与现场皮托管测量的风量比较，偏差很小，完全可以满足现场运行分析要求。

c.经济性

由于该装置设有风机运行工况实时在线监视功能，对风机运行发生失速和喘振故障能做到提前预警，这样可以避免风机由于发生喘振故障给机组造成的经济损失。参照风量特性曲线图，还可指导运行人员调整风机运行工况，使之靠近高效区运行，以提高风机效率。应用该项测量计算技术，还可以减少风机风道阻力损失，及时发现空气预热器的漏风量变化，以减小风机电流，降低厂用电率，提高电厂经济性。

d.应用前景

火电厂每台机组的锅炉均配有6台大型风机可以安装该装置，全国大型火力发电机组就有上千台，可见该装置的应用前景广泛。

6 结束语

该项测量计算技术根据相似定律理论设计而成，程序中还设计了多项技术措施来保证计算数据可靠。程序中设计的实时在线监测功能，可以对风机喘振预警功能及风机是否在高效区运行等方面进行检查，提供了可靠的技术分析数据，为风机安全经济运行奠定基础。该风机风量测量计算装置已经投入应用，风量测量计算数据准确，运行工况实时在线监测直观方便。实践证明，该装置完全可以取代现有的风机风量测量装置。

[1] 常 强.离心通风机锅炉风机振动现场处理[J]．东北电力技术，2010,31(3):5-8.

[2] 田 杰，欧阳华，李 游.基于交错叶轮技术的横流风机气动声学特性研究[J].机械工程学报,2010,46(3):97-102.

[3] 徐 辰，杨爱玲，毛义军，等.离心风机噪声预测方法的进展与分析[J].流体机械,2011,39(7):35-40.

[4] 程俊骥.泵与风机运行检修[M]．北京：机械工业出版社，2012.

[5] 袁 泉，吴志鹏，井春茹.影响火力发电厂风机可靠性的因素及措施[J].东北电力技术，2005,26(10):48-50.

[6] 吴达人.泵与风机[M]．西安：西安交通大学出版社，1989.

[7] 昌泽舟，张余洁，李智勇,等.大风量高效低噪喷雾轴流通风机的优化设计[J].风机技术,2008,50(4):27-30.

Technology Research and Application on Calculating Fan Flow with Dynamic Parameter

WANG Ye, LENG Jie, WANG Qiang, TONG Gang

(Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China)

The air quantity of boiler fan is an important monitoring data in the operation.The air quantity measurement device system is complex, low accuracy, low reliability, increasing the system resistance loss and not direct monitoring in the operation, etc.In order to solve the above problem, fan air volume measurement computing technology is developed, the technology mainly uses theoretical calculation method, inputting the fan operating parameters into PLC numerical control device.Fan flow is calculated, fan operation can be monitored online through flow characteristic curve.

boiler fan; fan flow calculation;on-line monitoring;fan efficiency

TU831.3

A

1004-7913(2017)01-0017-04

王 野(1985)，男，硕士，工程师，主要从事汽轮机调试与运行工作。

2016-09-15)