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论流量仪表在火力发电工艺中的选型

来源: 作者: 发布日期:2021-04-07

 摘要: 流量测量一直是自动化流程工业中的难点,流量仪表也是众多自动化仪器仪表中相对复杂的一种类型。而火力发电工艺过程控制中的各种介质的流量测量也面临诸多问题,如何选择一种非常优的流量仪表以及非常优的测量方案是火力发电行业自动化领域中急需解决和面对的问题。在世界自动化快速发展的今天,各类新型测量仪表层出不穷,如何选择一种非常优的流量仪表是一个新课题。本文论流量仪表在火力发电工艺中的选型,就是论述如何选择流量仪表,以及如何根据火力发电中的工艺难点来优化流量测量。

 
0 引言
仪表自动化技术是火力发电厂智能化的一个重要组成部分,也是实现火力发电厂建设方针的核心。火力发电工艺过程控制中,流量的测量是非常关键的一个指标。流量同温度、压力、重量、物位等参数一样是工业生产过程的重要参数,直接或间接参与生产控制,依据这些参数对生产流程进行监督和控制,对提高产品的质量与产量,保障生产安全,改进生产工艺,改善生产条件等方面有着重要意义。工艺过程控制中的介质类型随着不同工艺段介质的压力,温 度,湿度,含水量和含颗粒物的含量、大小等因素的影响,介质特性在不断的变化。必须根据不同介质特性来选择合适的测量仪表。 
 
1 火力发电流量测量面临的问题
在各工艺段各种介质到底选择哪种流量仪表来实现非常优化的测量就是今天所面临的问题。其主要问题有以下四类,即“两个复杂两个问题”。
 
1. 1 流量仪表种类复杂。
现代自动化仪表飞速发展,新型仪表层出不穷,有很多流量仪表可能听说,但未曾了解或者使用过,所以对有些流量仪表的特性是否适应自身的工况特点,无法准确把握。流量仪表通常可分成压差式,速度式,容积式等种类。像孔板流量计、喷嘴流量计、均速管等属于差压式。电磁流量计涡街流量计超声波流量计等属于速度式。腰轮流量计、双转子流量计等属于容积式,种类之多在此不一一列出。
 
1. 2 火力发电厂介质特性复杂。
介质的温度、压力、密度等都随着工况的变化而变化。每个火电厂自身工况的特点不同,介质特点也不一样,所以不能一概而就,完全复制其他电厂的选型配置。火力发电厂里的主要测量点分布于锅炉的汽水系统和燃烧系统中,在这两个主要系统中,主要介质以空气、液体和蒸汽为主。选择流量测量仪表应考虑 5 个主要因素,即被测流体特性、安装条件、环境条件、仪表性能及维护需求。 
 
1. 3 安装问题
电厂内部的空间和安装空间有限,而流量仪表都需要一定的前后安装直管段,所以经常无法满足安装要求,导致使用效果不理想,出现测量误差大和不稳定的情况。 
 
1. 4 测量要求问题
测量的稳定性和精度对安全高效的生产息息相关。电厂对于流量仪表的基本要求是长寿命、有效、稳定测量,开车后无需随意拆卸停车维护。
 
所以结合上述四点得知电厂工况的特殊性,仪表的多样性导致了选择非常合适的流量仪表的难度。 
 
2 如何解决火力发电中的流量测量
通常针对每个工段的测量点的流量仪表都会按照设计院或者以往经验进行选择,但还是存在使用效果不好的情况,导致生产勉强运行。因此,需要结合各种现场工艺因素,并结合流量仪表的一些特点来选择,以下将从火力发电中的一些测量难点进行阐述。 
 
2. 1 风量测量难点选择
燃煤锅炉磨煤机入口风量测量一直是困扰机组运行人员的大难题,口径大、方管多,流体不对称,同时安装直管段严重不足( 见图 1) 。电厂通过测量火电机组风道的风量,可以实现精确的风量管理,达到节能减排的目的,所以风量测量的流量仪表显得尤为重要。
风量测量难点选择
电厂的风量测量有很多选择。通常有以下几种: ( 1) 机翼式风量测风装置; ( 2) 均速管流量计( 也通常称为巴类流量计) ; ( 3) 热值式质量流量计; ( 4) 气体超声波流量计; ( 5)矩阵式风量测风装置。下面将对这 5 种流量仪表做各种分析来选择。 
 
2. 1. 1 机翼式风量测风装置
机翼式测风装置具有差压信号大、压力损失小、性能稳定、结构简单、维护方便等优点。缺点其一为小孔密闭取压,容易造成堵塞,其二体积大、重量重,安装成本高。尤其是随着风道口径的加大,采购成本较高,安装非常不方便,且安装维护成本较高,所以不建议用在风量测量。 
 
2. 1. 2 均速管流量计
通常称为巴类流量计,是基于皮托管测速原理,以测管道中直径( 圆管) 或长与宽( 矩形管) 上几点的流速来推算流量的一种插入式流量仪表。均速管流量计因其结构简单、压损小等优点被广泛应用于大管径的流量测量。早期产品结构不合理,流量系数不稳定; 检测脏污介质时测孔可能堵塞。这些都是均速管未能更大规模使用的主要原因。因此,均速管流量计研究的侧重点应该是如何使均速管流量计的流量系数更加稳定和均速管流量计的标准化。巴类流量计经过了多次改进和优化,结构形式也多种( 见图 2) 。非常早的结构形式为圆形结构,经过发展,演变成今天的菱形、翼形、子弹头形、T 形和思科公司的德尔塔巴形。虽然改变了结构形式仍是一种插入式流量仪表,无法摆脱只测管道中直径上几点流速来推算流量的基本模式,测点再多也只能反映某一直径上的流速分布,而不是整个截面。
巴类流量计形式
所以巴类流量计针对干净气体,且对精度要求不高的大口径气体测量可以选择,例如电厂进风口。但送风管道和烟道内含有大量的粉尘,使用传统的风量测量装置在测量含尘气流时容易堵塞取压孔,测量一次元件堵塞问题始终未能得到很好地解决。一般增加一些实时吹扫装置来减少杂质对取压孔的堵塞。所以均速管不建议用在风管和烟道的风量测量。
 
2. 1. 3 热值式质量流量计
热值式流量仪表系统基于恒温差的测量方法,当空气流经加热电阻时,利用加热电路维持加热电阻与环境温度的恒定温差,通过加热电阻上电流变化引起的电压变化来计算得到空气流量信号。
 
 
热值式质量流量计能测极低流速,流体工况 ( 压力、温 度) 适应范围宽,低压气体甚至可测真空状分子流。传感器无活动部件,可靠性高; 压力损失很小,测量范围度较宽,通常在 20~50 之间,远大于差压类流量计。但由于测量原理跟温度有关,对被测流体洁净度要求较高且不能含有水分。当热分布仪表测量管内壁沉积尘垢会影响测量值,必须定期清除。该类仪表采用插入式结构,所以维护相对比较方便。电厂的风量不含水分,烟气加热的一次二次风相对含尘量较高,若可定期在线维护选择热值式质量流量计还是比较适合。 
 
2. 1. 4 气体超声波流量计
超声波流量计是一种非接触式仪表,流体中未设置任何阻碍件,属于无阻碍流量计,对流速无影响,也没有压力损失。但气体超声波流量计单声道也只能测量一条线上的流量,不能完全反映整个面的平均流速,可选择多声道,可大大提高测量精度。电厂里的风量相对较干净,所以比较适合选择气体超声波流量计,但气体超声波其技术含量较高,主要被国外厂家垄断,所以采购成本较高,所以一般不会选择气体超声波流量计作为电厂风量的测量。 
 
2. 1. 5 矩阵式风量测风装置
矩阵式风量测风装置其工作原理与节流装置的工作原理一样,都是采用伯努利原理,跟前面的机翼式、均速管、孔板类都类同,是目前针对大型烟道测量的一种新型仪表,是结合了机翼式、均速管等的优势。它的测量单元通常采用背靠式传感器和文丘里管传感器两种。电厂烟气和风管的管径较大,由于平面上每个区域流速不相等,有高有低( 见 图 3) ,单独测量一个点或者一条线上的流量无法反映整个面上的平均流速,导致测量误差加大。而矩阵式风量测量装置将整个横截面积计算后采用多点矩阵式分布传感器( 见图 3) ,这样每个传感器可以测量每个区域的流速,再引出求平均,这样测得的流速跟流体的实际流速更接近。
这样测得的流速跟流体的实际流速更接近
矩阵设计跟机翼式风量测风装置类似,其结构采用插入结构,又结合了均速管的安装方式,安装和维护方面也大大加强。取压传感器有两种形式,一种是背靠式,一种是文丘里管式( 见图 4) 。背靠式其结构跟皮托管类似,采用开放式取压,取压口加大,粉尘不易堆积堵塞取压口。有的公司还在高低压取压口处增加了清灰装置,该装置可以受到流体带动而发生震动,从而靠自身震动抖落粉尘,减缓粉尘对取压口的堵塞周期。另外一种结构为文丘里管式,文丘里管流量计将测量管段制成渐缩渐扩管,避免了管道的突然缩小和突然扩大,从而使阻力损失大大降低。本身内部结构就有平滑特性,所以流体中的粉尘不易堆积。所以从这种矩阵式风量测量装置的设计理论上看完全是可以适应电厂里面的烟道烟气,一次二次风的测量。
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所以综合各种因素,结合各种流量计的特性分析,针对电厂风量的测量采用矩阵式风量测量装置是相对比较适合的选择。 
 
2. 2 主蒸汽管网、减温水、饱和水和主给水等难点测量
流量计在电站锅炉及其相连管道上广泛使用,主要用于测量锅炉主蒸汽、主给水以及减温水流量,属于承压部件。电站锅炉常用流量计包括两大类型: 法兰型流量测量装置和焊接型流量测量装置,这些都属于差压式流量计。通常在高温压、大口径蒸汽管线上采用 ISA 1932 标准喷嘴可获得较高的测量准确度。一般不建议选择孔板流量计,如( 图 5) 所示,孔板若长期处于高温高压高流速的流体冲击后,孔板片会发生变形,开孔比会发生变化,稳定性和精度会发生变化。而喷嘴流量计的节流件( 见图 5) ,本身就是一个喇叭口的结构形式,有自导流的作用,长期处于高温高压高流速的流体冲击后,节流件不易发生变形,可长期保持流量的精度和稳定测量。
,针对 电厂风量的测量采用矩阵式风量测量装置是相对比较适合 的选择喷嘴流量计的节流件
所以高温高压流体的流量测量可选择喷嘴流量计,同时也根据介质的特性来要求喷嘴的材质和加工热处理等级。
 
2. 3 常规蒸汽、压缩空气、燃气及凝结水等难点测量
常规蒸汽、压缩空气、燃气、凝结水等可选择差压类流量计或者涡街流量计等,差压类的平衡流量计( 也称为多孔孔板流量计) 。它是把整流器和标准孔板结合而成,平衡测量计对传统的节流装置进行了极大的改进,平衡流量计具有对称多孔结构特点,能对流场进行平衡,降低了涡流、振动和信号噪声,大幅提高流场稳定性。因流场平衡,调整稳定,压力恢复快,大大缩短了对直管段的要求。采用多孔对称的平衡设计,减少了涡流的形成和紊流摩擦,降低了动能损失,并降低了滞流死区的形成,保证脏污介质顺利通过多个孔,从而减小了流体孔被堵塞的机会。干净流体也可选择涡街流量计,涡街流量计采用卡门涡街原理。量程宽,非常高可达 1 ∶ 30,优于节流装置的 1 ∶ 10,精度高可达 1 级精度等优点。但对管道机械振动均较敏感,不宜用于强震动场所。 
 
2. 4 化水车间的难点测量
此工艺段的大多介质属于普通水和化学溶液,基本都可导电,所以可选择电磁流量计来测量。电磁流量计在我国工业、制造业及其他行业的应用十分广泛,在液体流量测量方面起到了不可替代的重要作用。电磁流量计已经发展了几十年,目前市场上主流的电磁流量计以国产和合资产品居多,且电磁流量计是一个非常成熟的产品。电磁流量计满度流量时液体流速可在 1 m/s ~ 10 m/s 范围内选用,范围比较宽。针对导电液体的测量,电磁流量计是性价比较高的一种,精度和稳定性在流量仪表系列中都属于偏中高等级。 
 
3 结束语
总之,火力发电厂的流体介质有一定的特殊性,要根据介质的各项工艺参数和指标来选择非常合适的流量仪表。现场流量仪表是工艺生产的眼睛,流量仪表的稳定运行与生产的稳定运行息息相关。在各类新型流量仪表快速发展的今天,只有将流量仪表选择非常优的测量方案,才可保证火力发电厂的可靠稳定运行生产。

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