矩阵式风量测量技术在含尘风道中的实践应用

摘要：某厂有两台1 000 MW超超临界机组，分别于2010年和2011年投产，两台机组共设置12套传统均速管型二次风量测量元件。自投用该风量装置以来，运行状况一直不好，特别容易出现取样孔堵灰、积灰并导致风量波动跳变大的情况，因此需频繁吹扫。为解决该风量测量异常问题，重新设计了风量测量元件的结构型式，提高了风量测量的稳定性和准确性，减少了风量测量故障缺陷，保证了锅炉运行安全，有利于机组的经济安全运行。

关键词：超超临界机组;二次风量测量;稳定性;实践应用

中图分类号：TM621.2" " 文献标志码：A" " 文章编号：1671-0797（2024）24-0086-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.24.021

0" " 引言

风道系统风量值对于整个燃煤电厂的运行效率有着至关重要的影响。在传统的风道系统中，均速管型单点风量测量技术应用广泛。然而，由于锅炉燃烧风道中掺混有大量煤灰粉尘的特殊性，加上风道内气体流场存在不均匀、紊流与旋流的情况，传统的风量测量方法往往不能准确、高效地测量含煤灰粉尘风道的风量，并且存在很多问题，如测量精度低、测量范围窄、维护难度大等。这不仅影响了电厂的运行效率，还可能导致不必要的能源浪费和环境污染。例如，某厂两台机组共设置12套传统均速管型二次风量测量元件，其属于插入式差压测量元件。该元件自基建投用以来，运行状况一直不好，很容易出现取样孔堵灰、积灰，导致风量波动跳变、风量坏点的异常情况，严重时会联锁机组AGC协调控制退出的故障事件。该风量测量方式设计的固有缺陷造成了送风自动运行控制效果差、检修维护工作量大等故障情况频繁出现，特别是晚班低负荷时该异常情况尤其严重，因此如何提高气体流量测量的准确度显得尤为重要。

1" " 设备现状

在传统的风道系统中，风量测量技术通常采用的是单点测量方式，这种方式主要存在以下几个问题：首先，由于风道中含有大量的煤灰粉尘，传统的测量方式往往会受到粉尘干扰，导致测量结果不准确;其次，由于测量点的数量有限，这种测量方式很难全面准确地反映风道的风量情况;此外，这种测量方式反应速度较慢，不能实时监控风道的运行状态，不利于电厂的高效率稳定运行。

某厂原先使用的二次风量测量元件为传统均速管型，正压侧和负压侧上面留有压力取样孔，因该取样孔孔径细小（2.5 mm），锅炉热二次风携带的粉尘很容易堵塞正、负压侧取样孔，并在元件内部积灰（内部没有排污设计，容易积灰，清理困难），经常出现风量偏高或偏低的跳变情况，所以该测量元件的测量方式已不满足现场需求。

同时，取样孔内积灰影响锅炉二次风正常监视及运行，需要频繁人工吹扫。吹扫周期在每周1～2次，情况严重时需隔天吹扫。如果堵塞很严重，风量跳变大，DCS上显示坏点，还会影响二次风量送风自动，导致机组AGC协调控制退出，降低自动投入率，并影响技术监督统计。为减少机组运行中二次风量测量出现异常的情况，在机组停机时和日常预防性维护工作中，都需对所有二次风量元件进行吹扫和检查，但效果很不理想，导致在机组启动后和正常运行时仍需频繁人工吹扫，特别是夜班低负荷时该异常情况非常严重。该类型的二次风量元件工作稳定性较低，日常维护工作量大，对炉膛的安全燃烧、锅炉燃烧效率及机组运行负荷都产生了较大负面影响，是机组正常运行的重大隐患。

2" " 相关问题分析及项目实施试验

为了解决上述问题，本文提出了基于矩阵式多点风量测量技术的方案。矩阵式多点风量测量技术可以在风道的多个位置同时进行风量测量，从而全面准确地反映风道的风量情况。同时，这种技术可适应大风量、粉尘含量高的场合，以实时监控风道的运行状态，提高测风反应速度，为优化燃烧控制提供准确的数据支持。此外，矩阵式多点风量测量技术还可有效抵御煤灰粉尘的干扰，保证测量结果的准确性。所以，根据实际生产需要，对某厂二次风量测量进行创新性实践改造，通过改变风量测量和取样的方式，解决现有问题[1]。通过走访周边和其他省内百万机组燃煤电厂，充分调研二次风量测量元件使用情况，并进行比对分析，最终决定选用一种多点取样的矩阵式分布型式，并增大取样孔径，最大程度防止出现传统式测量常有的堵塞和风量骤降故障。

多点矩阵式风量测量元件是基于背靠背测量原理：测量装置安装在管道上，其探头插入管内，当管内有气流流动时，迎风面受气流冲击，在此处气流的动能转换成势能，因而迎风面管内压力较高，称为“全压”，背风侧由于不受气流冲压，其管内压力为风管内的静压力，称为“静压”，全压和静压之差称为差压，其大小与管内风速（量）有关，风速（量）越大，差压越大;风速（量）小，差压也小，因此，只要测量出差压的大小，再找出差压与风速（量）的对应关系，就能正确测出管内风量。由于大风道流场相对比较复杂，为了能更准确地测得风道流量，将风道界面模拟等分成N个等份，在每个模拟的截面上布置一个测点，然后将若干个测点测得的差压进行平均得到整个风道内平均差压，再利用系数修正计算出风量Q（m3/h）：

Q=K×A×f（ΔP，T）

式中：K为风量计算的数学运算模型的总系数;A为风量测量装置安装处的面积;ΔP为风量测量装置输出差压;T为风速（量）所对应的风温[2]。

将矩阵式风量测量技术投入实践应用，风道尺寸W×H（宽×高）：5 000 mm×6 700 mm。首先拆除旧型二次风量测量元件;然后在风道顶部开设1 000 mm×

110 mm方孔三个，左右两侧距离烟道壁600 mm;再在方孔中心处开一个定位槽，定位槽宽50 mm、长110 mm，定位槽宽度不能过大，否则焊接肋板不好固定，影响测量;施工过程中要求清理开孔边沿残留毛刺;最后将矩阵式风量测量元件插入管道中，调整元件位置，使焊接肋板卡进定位槽内，下表面与管道外表面充分接触。二次风量测量布置设计如图1所示。

通过调整元件接头方向，最终使流体介质流向和元件接头箭头指向一致，斜剖口侧在迎风面上，使其元件平面垂直于管道横截面，从而保证各个取压点都是正对迎风面，可以取得准确且有效的压力信号，同时可以依靠粉尘自重自动清灰。在实施过程中，先点焊定位，确认符合上述安装要求后，再进行加固满焊，保证测量元件安装稳固结实，无晃动。

3" " 设备改造前后效果对比及创新分析

该矩阵式风量测量元件测点压力均衡，避免了单一取样时涡流测量误差引起的数值变化，测量波动小，精度高，最大允许误差可控制在±2%至±1%;测量稳定性好，测量值真实，适合短直段管道风量测量;同时该元件属于插入式安装，安全方便。由于取样孔径加大加厚，孔径内部可以依靠粉尘自重自动清灰，而不需要另加吹扫装置。综上可知，该测量元件测量线性度好、精度高，能满足二次风量投自动的要求。

本实践应用改造项目完成后，已连续工作四年以上，自改造后风量测量稳定，夜间低负荷时取样点堵塞情况大大减少，从往常的平均一周吹扫1～2次变为每月定期吹扫，也无须再就地清理取样点，运行效果良好。同时，由于二次风的测量精度和稳定性提高，AGC协调控制质量提高，煤耗降低，环保性能也得到了提升。试验数据表明，基于矩阵式分布测量的设计应用方法，具有稳定性与安全性高、维护量小等优点，在燃煤电厂的含尘风道风量测量上有一定的应用价值。

3.1" " 技术优势突出

新风量测量元件主要创新点在于将矩阵式多点风量测量技术应用在含煤灰粉尘较多的风道系统中。这种技术采用先进的矩阵式多点同时测量的方式，可以全面准确地反映风道的风量情况，具有精度高和稳定性好等特点，能够满足燃煤电厂含煤灰粉尘多的风道复杂测量需求。新元件反应速度快，可以实时监控风道的运行状态，为优化燃烧控制提供准确的数据支持。该实践应用不仅解决了传统测量方式存在的问题，同时也为燃煤电厂的环保改造提供了新的思路。对比传统风量测量元件，新元件具有下列明显优势：

1）精度高：使用插入式布置安装，矩阵式分布测量结构，测点压力均衡，矩阵式测量元件的挡风面积几乎可以忽略不计，因此几乎没有造成整个风道流体的压力损失，测量效果十分显著，测量波动小，精度高，最大允许误差可控制在±2%至±1%，特别适用于煤粉尘含量高的风量测量场合，能够实现高精度的风量测量。

2）多点测量：采用等截面多点全截面测量探头，避免了单一取样时气体紊流与旋流误差引起的数值变化。

3）稳定性好：测量稳定性好，测量值真实，适合短直段管道风量测量，不受安装环境的影响。

4）维护简单：设备元件属于插入式安装，十分方便;由于取样孔径加大，取样管加厚，取样管内部可以依靠自带的清灰杆实现自动清灰。

针对该实践项目，第三方检测机构开展了风量标定试验，实测标定结果与改造后的矩阵式风量测量元件测量结果基本一致，效果很好。

3.2" " 经济和社会效益优势突出

从经济效益方面来看，矩阵式风量测量技术的创新应用显著提高了电厂运行效率，几乎消除了以前均速管测量带来的各种问题，避免了取样管径过小堵塞灰尘而引起的风量骤减、AGC协调自动退出甚至影响机组负荷的情况，使得锅炉可以安全运行，延长了各联动设备的使用寿命，保障了公司效益，节省了运营成本和设备检修维护成本。

从社会效益方面来看，这次风量测量元件创新应用为后续的燃煤电厂风道系统和烟气CEMS流量精准测量提供了改造思路和实施案例，对火电行业环保改造起到了积极的推动作用。具体表现在以下几个方面：1）提高了测量精度和稳定性，减少了误差和漏测的情况，保障了安全生产;2）降低了设备维护的工作量和成本，提高了工作效率和效益;3）为优化燃烧控制提供了准确的数据支持，提高了燃煤电厂AGC协调控制质量，保障了机组效率;4）推动了新技术的应用和发展，促进了技术进步和产业升级，与绿色能源的节能环保发电理念相适应。

4" " 结束语

本改造项目完成验收后已工作四年以上，风量测量的稳定性、准确性有极为明显的提高，风量测量故障缺陷显著减少，维护了锅炉运行安全，保证了机组长周期安全稳定经济运行。矩阵式多点风量测量技术在燃煤电厂含煤灰粉尘风道中的实践应用，具有重要的现实意义和发展前景，对燃煤电厂的风道系统精准测量有着深远的影响，不仅为电厂带来了显著的经济效益，也为社会带来了重要的环保效益。二次风量采用矩阵式分布测量的设计应用方法，在燃煤电厂的含尘风道风量测量方面值得大力推广。

[参考文献]

[1] 田文娟.二次风风量多点测量装置检定方法研究[D].保定：华北电力大学，2017.

[2] 任登敏，张大川，胡杰.火力发电厂空预器出口二次风量测量技术优化[C]//2016燃煤电厂超低排放形势下SCR脱硝系统运行管理及氨逃逸监测、空预器堵塞与低温省煤器改造技术交流研讨会论文集，2016：200-209.