锅炉一、二次风速测量技术

沃姆韦尔2017

锅炉一、二次风速测量技术

一、二次风速作为电站锅炉燃烧调整的重要参数，在锅炉的安全、经济运行中起着重要作用。准确的风速测量有助于选择最佳燃烧工况和风量调节，提高系统的安全性和经济效益。

多年来，运行人员一般通过肉眼看火、风道静压显示、风门挡板开度调节等传统监测手段来调整锅炉燃烧。这种方法虽然简单、直观，但不能直接、准确地监测到锅炉一、二次风的风速，燃烧调整仍处于靠感觉、凭经验的状态，无法有效地监测和调整炉膛内燃烧工况。因此，可能会使锅炉配风不均，甚至引起火焰中心偏斜，燃烧不稳，从而导致熄火放炮、局部结焦及炉管爆漏等后果，降低锅炉热效率。所以，可靠、实时的监测锅炉风速是十分重要的。

火电厂风速测量存在直管段短且风道空间布置复杂、返料风流速较低且管径较小等缺点，并受气流性质、管路系统以及流动状态多样等多种影响因素，因此电站锅炉风速测量难度较大。目前测风技术种类很多，特点各异，本文将分析比较当前国内电站锅炉风速在线监测技术，介绍各种技术的特点、应用情况以及锅炉风速测量技术的发展趋势。

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一、常用差压式风速测量技术

目前，流量计有100多种，其中差压式流量计在工业应用较为广泛，锅炉风速测量也普遍采用在风道中安装差压式流量计来测量风速。这种仪器是利用风速与压差间的关系间接计算出风速。

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1、喷嘴

标准喷嘴由二段圆弧形收缩段和圆筒形段组成 ，它是一个孔径逐渐减小的流道，孔径最小的流道部分称为喷嘴的喉部。文丘里喷嘴的喉部后有孔径逐渐扩大的流道，临界流文丘里喷嘴的喉部气流速度达到临界速度(即音速)，其流速只与上游压力有关而与下游压力无关，流出系数只与雷诺数有关。喷嘴测量仪经典成熟且已标准化，无需实流校准;结构简单、体积小;没有可动部件，准确度较高、性能稳定、重复性好;喷嘴入口为光滑曲面，不易磨损，流出系数非常稳定;压损比孔板小一半多;对测试气体的洁净度要求不高。但它制造成本高;安装较难、工艺复杂;压损较大;负压侧的取样孔因局部涡流的影响易堵塞;需要直管段较长。因此，此测量仪很少直接应用于电厂现场，常用作气体流量的传递标准或标定其他气体流量的仪表。

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2、孔板

标准孔板是一块加工成圆形同心的 、具有锐利直角边缘的薄板。充满管道的气体在流经管道内的节流孔板时，流束将在节流件处形成局部收缩，使气速增加，静压力降低，孔板前后产生静压力差。通过测量此差压，就能确定流过孔板的流速。孔板测量仪经典成熟且已标准化，无须实流标定;结构简单、便于制造、方便维护;通用性强、性能稳定可靠;价格低廉、使用寿命长。但它易积污、磨损、压损很大，且由流体冲刷引起的边缘磨损会导致测量精度下降，需要定期维护;加工精度和安装要求较高，安装费时费力;量程较小;测量重复性和精确度一般;要求直管段较长;易产生泄漏、堵塞、冻结及信号失真等故障。因此，此测量仪难以在电厂现场长期使用，常用作气体流量的传递标准。

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3、毕托管

毕托管利用垂直装在支杆上的圆筒形测量头，正对流向的端部孔测出流体全压，再由环绕其圆周的多个侧面孔测出流体静压，根据此差动压便可推算测点流速。毕托管测量仪结构简单，使用、制造方便;抽样标定容易，可用于标定仪表;价格便宜，坚固耐用;测量较高气速时精确且分辨力好。但由于其属于接触式测量，全压孔需正对风向，且其静压孔尺寸较小，所以仪器本身对风场影响较大;结构脆弱，不宜在工业现场长期使用;压差较小，不宜远传，当气速较低时，压差更小，灵敏度低，难以精确测量;不适合测量含烟尘气体的风速;要求测量截面上下游直管段较长，上游≥5～7D、下游≥2～3D(D为测量管内径属于单点测量，至少要测20点才可求出较高精度的均速工作量大。此仪器适用于气体流量实验室或工业流量计定期检定标准，尤其适合利用网格法大管道气体的大速度测量。

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4、靠背管

靠背管由两根端面与水平面成75度的管子背靠背焊接而成，两开口面成180度对称布置，一面迎向气流作为全压感压孔，另一面背向气流作为静压感压孔。将靠背管安装在管道或风箱上，其探头插人管内，当管内有气流流动时，通过计算迎风面管内的全压和背风侧管内的静压之间的差压，可算出管内气速。靠背管测量仪结构可靠、安装方便、维护容易、调节整定简单;靠背管开口较大，不易堵粉，且对气流的偏斜敏感度很小，不会引起明显的误差。但它属于单点测量，无法解决流场不均匀性造成的测量误差，至少需要测量20点才可求出较好精度的平均流速;要求测量截面上下游直管段较长，上游≥8～10D、下游≥1～3D;属于非标准测压管，它的结构型式和加工精确度各不相同，使用前必须逐个标定。此仪器适用于含尘气体及大管道气体的速度测量，可用于电厂一、二次风速测量。

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5、均速管

均速管由全压管和静压管组成。全压管上的测压孔是迎着来流方向布置，而静压管上的测压孔是背着来流方向或与之平行，测出平均动压(差压)，就可计算出平均流速。按取压方式的不同，均速管可分为笛型管、双笛型管和阿牛巴管等几种。其中笛型管是一根或数根横穿管道截面的中空细金属管，在管子的迎风面开一排全压感压孔。双笛型管是将全压侧管和静压侧管点焊在一起，全压管的迎流面开有一排全压测孔，静压管背面开有一排静压测孔。阿牛巴管是一种沿直径方向插人圆形、菱形、椭圆形、扇形和机翼形等断截面管道的均速管。威力巴管采用了根据空气动学原理设计的子弹头外形，具有良好防堵能力。均速管测量仪用于多点测量，即一次测量沿一直线或曲线上多点流速的综合值来确定平均流速，准确度较点测量方式好;压损小，仅为孔板的1/10左右;结构简单、制造容易、价格低廉;安装简单、维护方便;由于多个检测孔的均压作用，降低了对直管段的管径要求，一般≥25mm ;在充分发展紊流的流场中，准确度及稳定性较好;早期产品易堵塞，后期的威力巴管解决了易堵塞的弊端，威力巴管具有防堵塞、低压损、高精度、易安装、免维护及长寿命等特点。但它测量截面前后要有一定长度的直管段，直管段≥7～25D;感压孔易堵塞，被测流体应是不含污秽、沉淀物的洁净流体;属于非标准型节流装置，产品需单独标定;差压较小，精度较差，特别是流速较低时，误差更大，对变送器的要求很高;受安装精度、流场的脉动和不均匀性影响较大。此仪器适合测量于安装在较小管道或矩形管道中，常被用于电厂返料风量的，也用于锅炉一、二次风量及蒸汽流量的测量。

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6、文丘里管

经典文丘里管由入口圆筒段、收缩段，喉部、扩压段和出口段五部分组成。文丘里管的流道截面形状是一个先收缩后扩张的圆形管子，空气由左向右在管内流动，由于管道的截面不同，气束将在节流件处形成局部收缩，因而气速增加，静压力降低，在节流件前后间产生压差，由压差的大小就可计算出流速。文丘里管分为风道式、单管、变管、内管及双管等多种文丘里管。其中，风道式文丘里管把整个风道做成文丘里形式，从入口及喉部分别引出静压测点，取其压差进行流速测量。该装置作为风道的一部分，成本低、安装方便、压差稳定可靠，对气流条件适应性强，但尺寸较长、占用空间大，且信号放大较小、压损大，增加了风机电耗。单文丘里管就是普通的标准文丘里管，它分为收缩段、喉部和扩压段部分，负压测点就是从喉部引出，与风道内的静压或全压形成压差进行风量测量。单文丘里管属于点测量，体积小、阻力小、安装方便，但对风道气流条件要求较高，直管段需较长，放大倍数低。文丘里管出现过矩型、Dall 型等多种改进外型，矩型有良好的特胜，但压损过大，管很长，而 Dall 型虽比标准文丘利管短、压差大、压损小等，但要求更长的直管段。内文丘里管是由特型芯体与测量管内壁间的环形间隙形成节流通道叫，其节流件设置在标准管段内，其圆锥收缩段可以均衡流速并减少压损。此仪器测量稳定性好，不确定度优;对被测介质适应能力强，可测量各种流体;不积污、不易堵塞;测量范围度宽，不用二次修正;适用雷诺数范围宽;对上下游直管段要求低，一般上游≥1.5D、下游≥1D;压损为孔板的1/3。但加工要求高，价格较高，流量系数受加工精度和实际磨损程度影响大;属于点测量，要求流场稳定或流动相似;如要求高测量精度，则必须配置高性能的差压变送器;分流严重。

双文丘里管是由两只大小不同、型线相似的圆形文丘里管同心套装在同一轴线上，小文丘里管插在大文丘里管中，能够使差压信号增大，其负压测点取在内文丘里喉部，通过该信号与风道内气流的静压或全压比较产生压差进行测量。它的输出差压大、灵敏度高;差压与流速的线性关系较好，准确度较高;压损小，只占差压1% ; 结构简单、体积小、重量轻、安装方便;对测量直管段要求不严格。但它属于点测量，要求流场稳定或流动相似;一般所处位置并非管内平均流速点，准确度难以达到3% ; 压差波动大，要求流场更加稳定;设计和加工较难，成本较高;粉尘及黏稠物在其取压管内沉积结垢，难以清除，维护量大。文丘里管已越来越多地在电厂的一、二次风量测量和大口径管道的风速测量中采用。

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7、机翼型测速装置

机翼型测风装置是由多个全机翼、取样传压管及一段矩形风道构成。当气流流经机翼测量装置时，在翼型表面形成绕流而产生压差。该压差与风道内的流速之间有一定的关系。常用的机翼型装置有平板型、三曲线型、流线型三种不同截面型式。其中，平板型由翼头半个圆柱体与两块平板相切组成;三曲线型由三条具有一定比例关系的弧线相切组成;流线型由翼头圆柱体与两块符合流线曲线的凸形拱板相切组成。此机翼型测速装置压差大、灵敏度高和稳定性好;压损较小;上下游所需直管段较短，一般上游≥0.6D、下游≥0.2D;制造容易，安装维护方便。但它测压孔多、结构复杂，造成一定的压损，运行成本较高;易堵塞，导致测量不准;属于非标准装置，产品需要做标定;属于风道型设备，体积大、造价高、搬运困难。此法适用于低流速、大管径、矩形截面、纯净流速测量，可用于大容量锅炉大截面一、二次风风速测量。

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8、弯管测速装置

弯管测速原理是流体通过弯管时，由于受弯管的约束被迫在弯管内作近似圆周运动，流体在作圆周运动时产生的离心力作用于弯管的内外两侧，这时外管壁的压强大于内管壁的压强，在弯头的内外圈产生静压差，由压差与流速间的关系可得到流速。弯管测速装置对上下游直管段的要求较低，上游≥2～3D、下游≥1D;弯头法直接焊接在管道上，安装简单可靠;弯头角度对测量结果无影响，可充分利用现场已有弯头，节省安装费用;可靠性和精度较高;由于测量的是静压，解决了测量元件的磨损问题，且静压测管简单可靠、成本低、寿命长;适应性强，可在高温/高压/高浓度及其它恶劣环境下使用。但它输出差压小，测量精度不高;属于非标准测量，流量系数很难统一，难于标准化;属于点测量，要求流场稳定或流动相似;压损大，易泄漏，维修困难。此装置完全适应一次风速测量环境的需求，适用于各种送粉系统的风速在线监测。

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二、新型的风速测量技术

随着传感测试技术发展，一些新型的气体流量计在风速测量中有着越来越广泛的应用。新型风速测量技术主要采用横截面式、热式质量、涡轮气体、涡街气体和超声波气体等流量计来测量风速。这些测量技术也都各有特点，它们已开始用于火电厂一、二次风速测量，但由于技术不成熟且成本较高等原因，目前还没有被广泛应用于风速测量中。随着技术的成熟和成本的降低，这些新的风速测量技术也会在风速测量上逐步推广应用。此外，还有插入式多喉径文丘利、V型锥、科里奥利及示踪法等新型流量计都有其特点，也可用于包括风速在内的气体流速测量。

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三、风速测量技术发展与选用

风速测量技术的发展趋势可归纳为结构从繁到简、轻，向一体化发展;功能从单一到多种，向智能化、数字化、网络化发展;准确度从低到高，向高精度发展;量程从小到大，向量程自动调节发展;安装从繁到简，向免安装发展;校验从实校到干标，向自动校准发展;压损从大到小，向节能方向发展;现场测试条件从高向低;直管段从长到短;流体从单相到多相;测点从单点到多点;装置从接触式到无接触式;显示从模拟到数字;易堵性从易堵塞向自动清堵发展;可靠性和寿命从低到高;产品从共性向个性，向专用化发展。

用户选择测速装置时需要考虑的因素有测量装置的性能、流体的物理化学特性、现场安装条件及维护、寿命与成本费用等。尽管风速测量装置种类很多，但每种技术都各自的优缺点。因此，用户在选择时，不可能面面俱到，而应该针对电厂的风速测量特点，权衡利弊，最后的抉择一般是在成本与性能之间做平衡。

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四、结束语

准确的锅炉风速测量有助于进行最佳燃烧工况和风量调节，提高安全性和经济效益。由于锅炉风速测量受到诸多因素影响，目前的测量技术还无法满足所有理想测量要求，每种技术各有特点和适用范围，因此这就要求技术人员首先必须熟悉各种技术的特点，并综合考虑相关影响条件，选择最合适的测量手段，以满足电站锅炉工程测量的要求。

来源：火电技术