北京西域电建机电工程有限公司 xiyudianjian
 
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点阵式风量测量装置

常规风量测量装置最低满足条件就是直管段在10D以上,由于风在管道内得到了充分发展,风流是基本稳定的,在稳定的风流场内可以确定一个均速点的位置,测出均速点的流速乘以截面积即可得到风量值。
对于300MW以上燃煤机组,直管段基本不满足测量要求,甚至没有直管段,由于风的雷诺数大于4000,直管段不满足情况下风流场全部处于紊流状态,加之在管道中布置了大量的加强筋和支撑架,流场又进一步被破坏,导致流场伴有奇变、湍流、漩涡等等现象根本不存在平均流速点。没有任何规律可遵循。利用测点速的装置(S 型皮托管)、测线速度(均速管、阿纽巴、威力巴)装置来推算出该截面的平均速度,已无法获得有价值的风量值。
虽然风流场处于稳流状态,但可以将测量流速的截面分割为许多小的单元面积Ai。可通过测量每个单元面积内的动态流速Vi,所有小单元面积的流量之和就等于总的流量。
当单元面积分割得愈多,所测的流量应愈准确。

测量原理

吉林市恒顺电力技术开发有限责任公司开发的电站锅炉点阵式风量测量装置基于差压测量原理采用截面点阵式布置方式,测量装置安装在管道内,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压力能,其压力称为“总压”,背风侧的压力为风管内的静压力,其压力称为“静压”,总压和静压之差称为动压,其大小与管内风速有关,风速越大,动压越大;风速小,动压也小,因此,只要测量出动压的大小,再找出动压与风速的对应关系,就能正确地测出管内流速,在此基础上,通过与标定系数和管道截面积的计算可以实时测量管道流速流量。
12??

 

 

 

 

图一:点阵式风测量装置图

理论依据

风量测量装置点阵式流量计按照美国艾尔默特公司的横截面理论来设计,根据雷诺分布原理,遵循其特定的数学模型采取测量一定量特殊点流速的方法求出平均流速。
3 

 

 

 

 


按流速分布测量流量时,一般采用等截面加权平均方法,即把圆形截面分成若干个等面积同心圆环,在一条直径上与将每个圆环分成两个面积相等圆环的分界线各个交点上测量出局部流速,然后求其算术平均值。对于矩形管道,则将整个截面分成若干个等面积的小矩形,在各个小矩形的对角线交点上测量其局部流速,如图二所示,按算术平均方法算出平均速度。

 

4 

 

 

 

 


图二:流速测点分布图
分成等截面圆环或小矩形的数目与管道的截面大小有关,个数越多,测量越准确。一般不少于表1-1,1-2所列的数值。
表1-1?????????????????? ????最少等截面圆环数与测量直径数


管道直径D(mm)

300

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

等截面圆环数n

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

测量直径数

1

1

2

2

2

2

2

2

2

2

表1-2?????????????????? ???矩形截面沿边长最少等截面矩形数目


矩形边长
(H或L)(mm)

≤500

500~1000

1000~1500

1500~2000

2000~2500

>2500

等截面面积
矩形数目

3

4

5

6

7

8

等截面加权平均方法是建立在管道截面上的速度分布是呈线性关系的近似测量方法,实际气流,不论是层流还是紊流,壁面附近的速度梯度总是远大于中心处的速度梯度,并且为使测量值接近真实平均流速,管道截面积越大,布置的测点就越多,这给工程测量带来较大困难。
国际标准ISO3966推荐用“对数-线性”方法和“对数-切比雪夫”方法确定截面平均流速。这两种方法是按特定的截面速度分布数学模型将截面划分为若干测量截面,并且不要求各测量截面的曲线构成一连续可导的曲线,将各截面测得的局部流速进行加权平均求得截面平均流速。这样可使测点数目较少,适合于大型管道的测量。本公司生产的所有风量探头都经中航工业集团公司沈阳空气动力研究院下属沈阳黎明风洞中心严格标定后出厂。

风量测量装置的功能特点

对于大风道风量的测量,为解决单测点易造成测量不准的问题,在大风道截面上采用点阵式多点测量技术,通过工程计算得出科学的连接几何尺寸,将多个测量点利用管路有机组装在一起,正压侧与正压侧相连,负压侧与负压侧相连,采用对风道进行等面积划分出具有代表性的区域,分别测量出每个区域的压差。然后将所有的总压汇集到一起,同时将所有的静压汇集到一起,得到整个风道的平均压差,利用差压变送器测量,输出标准信号至集散控制系统,再经过参数补偿和数学运算即可得到风量,也可以由智能变送器直接输出表示风量的标准信号,通过这种方法测量可以准确地反映出风道的实际流量。
测量装置具有安装方便、测量精度高等特点,主要列出如下:
(1)取压口采用特殊设计,具有高取压效能;
(2)特别设计的防堵组件借助测量介质的动能进行取压管道的实时清灰;
(3)采用截面点阵式风量测量装置,保证在短直管段、流场紊流情况下的高精度流量测量;
(4)特别设计的结构使压损可以忽略不计;
(5)冷态标定和热态温度压力补偿技术有效提高了测量精度;
(6)适应各种管道流向形式;
5
6
7

与单点测量方式比较

由于风的运动粘度很低,基本呈紊流状态运动。尤其在湍流区(或涡流区)问题尤为突出:风向多变,在同一截面上各个点的流量极度不均,瞬间突变,甚至反流量时有发生。在这时单纯单点取样或线性取样都无法测量,即使经过局部密度压缩获得了差压,也对风量没有参考价值。
针对流速在截面上分布不均匀的情况,我公司采用将多个风量取样装置进行截面点阵式布置,根据切比雪夫特征法,将关键的特征点全部取出,然后将各测量装置的正压与正压、负压与负压相互连接,引出一组综合信号到变送器的方法,对直管段无要求,可以确保测量精度。我公司承诺对已安装好的测风装置用具有严密科学性的比对仪器、方法进行逐台的最终现场比对、调整试验。

五、结构设计

在材质选择上主要考虑两方面因素:
1、耐腐蚀性----避免因为生锈影响探头的结构,影响测量精度。
2、硬度----由于风道内含有一定的粉尘,长期运行会对探头有一定的磨损。

  1. 工艺:所有测量管路表面均抛光并使用航天工艺硬化,避免灰尘磨损或附着。
  2. 结构:利用数学模型,通过风道的几何尺寸、风量、风道的结构等参数计算出特征点的位置、数量。在每个特征点处设置一个测点,利用一定口径的管径将每个特征点联通,从而取出平均差压。
  3. 耐磨设计:我公司生产的风量测量装置均采用超硬不锈钢特性突出的合金材质生产,并采用焊接方式连接,在设计、生产、加工等环节严格遵循相应标准,出厂前严格把关查漏,检测。产品合格后方可出厂,以保证产品在现场的正常使用和运行。

我公司的装置内侧通过硬化处理,且通过抛光打磨,保证内表面光滑。测量探头位置固化航天领域广泛应用的太空防磨隔热材料,此种材料硬度可达0.2HRA,仅略低于金刚石,具有超良好的防磨特性,尤其在高温状态下的防磨特性尤为突出.该材料在火箭的头锥,卫星的整流罩上应用多年,验证效果特别理想。
我公司于02年应用于含粉一次风速测量,可连续运行10年以上。成功的解决了测量探头的磨损问题。

  1. 防堵设计

风量测量堵塞主要体现两部分——取样探头堵塞与取样管10mm头端堵塞,我公司在这两方面均有成熟的技术与成型产品,经过近五年的考验,防堵措施成熟可靠。
探头防堵:我公司所有测量管路均使用本溪钢铁集团为电厂烟气风量测量装置特殊研制的超硬不锈钢特性突出的合金,并且内、外壁均抛光并使用航天工艺硬化,内、外壁特别光滑,利于粘性流体或灰尘脱落。结构上所有管路均为垂直安装,在重力的作用下,利于粘性流体或粉尘脱落,尤其针对净烟气的石膏雨对管路内壁及自摆针进行特殊抛光硬化处理,使石膏无法附着,解决防堵的问题。
在管路内加装了专为清灰设计的经过严格计算好的自摆针---可变混频振打装置,由于风的作用,将接受到的风能转变为动能,对测量管壁内侧进行划刮、撞击、震动,使粉尘、石膏等物体无法在管路内附着、沉积。
我公司设计的可变混频振打装置处于微动态平衡状态,即使在1m/s的低风速状态下也能大幅度摆动、刮削起到清除杂质使管路通畅作用。
取样管防堵:一般情况下,管路无漏点,粉尘无法进入取样管路,但密封都是相对的,管路在压力传递过程中管路内的空气经历有限压缩,将粉尘带入管路头端3~10mm的区域,使粉尘在此停留,进而堵塞。
我公司在此位置进行了环路设计,使粉尘可以回流到取样管路。

89? 10
探头防堵结构图??????????????? ????????????取样管防堵结构图

  1. 风阻:采用流通式设计,风速低于20m/s时基本不产生阻力。管路表面均抛光处理,减少风阻。

六、系统构成

11
方形管道系统结构图
12
圆形管道系统结构图

 

七、风量计算数学模型

密度计算公式:13
流量系数K=0.58
风速计算公式:14
流量计算公式:15
16?
注:在上述公式中
P———工作压力????? KPa
T———工作温度????? ℃
ρ———密度???????? ㎏/m3
v———风速????????? m/s
Qv———体积流量???? m3/h
Qm———质量流量???? Kg/h
△P———差压值?????? Pa
S———管道截面积???? ㎡

八、技术参数及性能指标

  1. 适用介质:???? 非结露性气体。
  2. 直管段要求:?? 1.5D
  3. 测量精度:???? 1%
  4. 工作压力:???? 0~32MPa
  5. 工作温度:??? -55℃~880℃
  6. 重 复 性:??? 100%
  7. 节流压力损失:≤1.5%
  8. 输出信号:??? 差压
  9. 使用寿命:??? 15年
  10. 过程连接:??? Ф14×2
  11. 电源要求:??? 不需电源
  12. 管道形状:??? 矩形和圆形。

九、精度与稳定性

17
直管段与精度关系曲线
18
温度变化与精度关系曲线
19
压力变化与精度关系曲线


、针对烟气改造、磨煤机入口混合风的应用

锅炉风道的作用是一次风、二次风、烟气输送的通道。而风量测量装置的测量数据是监测锅炉运行的重要依据,测量数据的准确度对保证安全生产,调节锅炉运行状况,节约能源,提高燃烧效率,降低烟气总量排放,提高生产率和自动化水平的重要保证。锅炉在运行过程中,由于流体性质的多样性,管路系统的多样性,流动状态的多样性,直管段短,空间布置状态复杂等原因,使风道中的介质流动状态很复杂,很难实现风量的准确测量。要解决这些因素,就要选择合适的流量计。
1、烟气流量概述:
随着经济的发展,社会的不断进步,环境问题得到越来越多的重视,对于煤量消耗巨大的电厂,烟气处理及排放得到越来越多的关注,目前全国大部分电厂存在烟气排放量超标并未达到国家所规定的环保标准。为了积极响应国家号召,多数电厂均需要对本厂烟气处理方式及测量装置进行改造和更换。
存在的问题:
(1)在火力发电厂中,对于脱硫烟气大部分使用的湿法脱硫处理方式,烟气中含有大量的石灰浆液,极容易造成测量装置的堵塞,因而以往使用的威力巴匀速管、阿牛巴等,这样没有自扫装置的测量装置就很难保证长时间的稳定运行及良好的测量精度。采用湿法脱硫对烟气进行处理,就是将烟气通过石灰浆液,使其产生化学反应,形成稳定无害的硫酸钙,如处理得当,也将产生经济效益。烟气通过石灰浆液必将携带一部分石灰浆液随气流一起经过测量装置,石灰浆液在运动过程中仍将继续发生化学反应,形成大量的沉淀附着在测量仪器上,影响装置的测量精度,需要大量的人力维护,这必将影响效益。
我公司生产的点阵式风量测量装置对于烟气脱硫防堵问题有很好的解决方法。防堵:结构上主管路均为垂直安装,连通管路采用斜管设计,为粉尘脱落提供保证。同时在管路内加装了专为清灰设计的经过严格计算好的自摆针---可变混频振打装置,由于风的作用,将接受到的风能转变为动能形成共振,对测量管壁内侧进行全壁自动清理,由于划刮、撞击、震动,使管路内无法积灰,多年应用后的管路内壁都光滑如新。取样管采用新型的环路设计,可使粉尘有效在管内流动、沉降脱落从而使粉尘无法堆积。风阻:采用流通式设计,风速低于20m/s时基本不产生阻力。管路表面均抛光处理,减少风阻。
(2)在火力发电厂中。脱硫烟气的风量管道尺寸较大。常规的风量计即使满足安装时也存在许多问题,且烟气脱硫管道较大。存在着风量计的支撑及其内部安装存在着震动问题。
我公司生产的点阵式风量测量装置对于大风道风量计的安装采用多点组合法。将风量计平分成多个的小型风量计。最后进行拼装组合。采用与风道进行插入式焊接固定安装,既有极强的稳定性,在管道分布多组差压测点,取各个典型特征点的点的平均流速,不改变风道的结构形式。而且方便运输及安装。
(3)脱硫烟气中含有的一些物质会对风量计的防磨防腐蚀存在着影响。我公司提供的风量测量装置本体采用不锈钢材质(1Cr18Ni9Ti)。探头采用耐磨材质。测量装置探头固化航天领域广泛应用的太空防磨材料,此种材料硬度可达0.2HRA,仅略低于金刚石,具有超良好的防磨特性,尤其在高温状态下的防磨特性尤为突出。该材料在火箭的头锥,卫星的整流罩上应用多年,验证效果特别理想。成功的解决了测量探头的磨损以及防腐蚀问题。
2、磨煤机入口混合风概述:
随着经济的发展,社会的不断进步,磨煤机入口混合风一次风量投自动的问题受到各个电厂的重视。目前全国大部分电厂所使用的风量测量装置现阶段的测量的投运情况及效果不是很理想。很多存在安全隐患,需要及时处理。
存在的问题:
在火力发电厂中,对于磨煤机入口混合风测量的方法较多。如传统文丘里风量测量装置、机翼式风量测量装置、威力巴匀速管、阿牛巴测量装置等。上述装置部分需要的直管段极高(机翼式风量测量装置)。部分测量装置的防堵性能不是很理想(传统文丘里风量测量装置)。部分测量装置的造价极其昂贵(威力巴匀速管、阿牛巴测量装置)致使磨煤机一次风量投入自动问题。让许多电厂为之困扰。
造成300MW以上机组电厂造成磨煤机入口混合风量的不精确的主要原因:1、磨煤机入口直管段极短、风量测量元件布置断面流畅的不均匀。由于冷风与热风混合后的直管段长度较短无法形成一定的稳流区,风量测量装置大部分位于混合后的风量的紊流与湍流区造成一次风量测量不准确。2、磨煤机入口混合风含有大量煤粉。这些粉尘不但磨损风量测量装置元件的使用寿命而且容易堵塞风量测量元件造成一次风量测量不准确。风量测量元件堵塞后需要经常反吹扫,造成热工维护任务繁重,亦影响了测量准确度,增加了机组运行的不稳定性,使风量无法投自动,故进行改造。
针对于烟气流量改造、磨煤机入口混合风存在的这些问题,建议使用我公司多年自主研发的新型产品HS-DZFL-336型防堵点阵式风量测量装置,该装置本身具备自清灰和防堵塞,它可以保证长期测量的准确性,及时反映风道内的风量大小。保证锅炉长时间的持续运行和生产。通过以下表格的参数对比能够更好地显示出防堵点阵式风量测量装置的优势。


项目类型

横截面式

标准文丘里

双文丘里

机翼式

威力巴

热扩散式

点阵式

工作原理

皮托管差压

文丘里差压

文丘里差压

机翼差压

皮托管差压

热扩散

皮托管差压

流量范围

由管径决定

由管径决定

由管径决定

由管径决定

由管径决定

0-120NM/S

由管径决定

量程比

10:1

10:1

10:1

10:1

15:1

1000:1

100:1

过程温度

-40—500摄氏度

-40—500摄氏度

-40—500摄氏度

-40—500摄氏度

-40—500摄氏度

=<45摄氏度

-40—500摄氏度

过程压力

PN=<42MP

PN=<42MP

PN=<6.4MP

PN=<6.4MP

由管径决定

PN=<6.9MP

PN=<6.4MP

压力损失

较大

较大

较小

较小

温度,压力补偿

需要

需要

需要

需要

需要

温度补偿

需要

变送器

差压变送器

差压变送器

差压变送器

差压变送器

差压变送器

信号转换变送器

差压变送器

测量形式

截面式

 

 

 

线式

线式

截面式

测量精度

+/-1%

+/-1%

小于+/-3%

小于+/-5%

+/-1%

+/-1%

+/-1%

适用管径范围

25-2400mm

50-3000mm

300-6000mm或更大

300-6000mm

300-6000mm或更大

300-6000mm或更大

300-6000mm或更大

适用介质

气体

气体,液体,蒸汽

气体,液体,蒸汽

气体

气体,液体,蒸汽

气体

气体

耐磨性

抗杂质能力

易堵塞

不易堵塞

不易堵塞

易堵塞

易堵塞

不易堵塞

从不堵塞

直管段要求

无要求

前10后5

前10后5

前11后0.2

前7后3

前10后5

无要求

安装方式

法兰或焊接

法兰

插入式

法兰

插入式

插入式或管道式

插入式

安装费

较高

维护费

低,定期维护

低,定期维护

高,定期维护

较高,定期维护

低,定期维护

低,易磨损

免维护

性价比

一般

一般

一般

一般

一、安装

安装方法:
注意事项 1、管道洁净?? 2、密封?? 3、均衡器与装置取压口安装距离不应大于100mm.
20
安装示意图一
21
安装示意图二
22
安装示意图三?????????????????????????????????? 23?
上面的图片为风量测量装置简易安装图,对于不同尺寸和规格的风道,选择和风道匹配的风量测量装置。在风道管路上取出中间点,将风量装置安装在风道的中间。如上图所示。
风道管路上部开槽,底部开孔。然后让风量测量装置插入其中,最后焊接密封。一定要将测量装置底部留出10mm的距离,底部螺丝具有清灰功能,也有支撑风量装置的固定作用。安装时必须穿出风道,在外部。24
此处为风量测量装置的总取压口,是风道内部每个取样器取出风量值的总和。取压口一前一后,在风道呢迎风方向的取压口称之为正压,经过φ14*2白钢管引出接在差压变送器的正(+)端,背对风侧称之为静压,经过φ14*2白钢管引出接在差压变送器的负(-)端。如需要安装母管,注母管与取压管之间的距离不应大于100mm 。


二、检修与维护

序号

故障现象

故障原因

解决方法

1

数值变大

1、静压侧管路堵塞;
2、静压侧管路泄露;
3、变送器故障;

1、利用压缩空气吹管;
2、修补漏点;
3、更换变送器

2

数值变小

1、全压侧管路堵塞;
2、全压侧管路泄露;
3、变送器故障;

1、利用压缩空气吹管;
2、修补漏点;
3、更换变送器

3

变化不线性

1、阵列式探头部分测点故障;
2、变送器故障;

1、更换探头;
2、更换变送器

4

显示数值为零,调节风速时,显示数值不变化

1、正压取压管堵塞
2、正负取压管接反

1、疏通取压管
2、调整正负取管的连接

当流量测量不准确时,应按照下列顺序查找:
1、测量管道是否密封不好,是否有泄漏点或堵塞点;
2、差压变送器的零点是否有漂移,差压变送器的较小漂移,会造成风速测量较大的误差;
3、检查两根测量管线是否接反,全压口应接至差压变送器的高压侧,静压口应接至差压变送器
的低压侧。
4、判断是否是点阵式流量计内部故障的方法,是用差压计直接从流量计的全压和静压孔的出口
处测量,如差压正常,则流量计无故障;若无差压或差压过大,则流量计可能有故障。


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