一次風(fēng)、二次風(fēng)流量的準(zhǔn)確測量對于循環(huán)流化床鍋爐燃燒優(yōu)化及機(jī)組節(jié)能有著重要作用。目前鍋爐風(fēng)量的測量主要依據(jù)是《電站鍋爐風(fēng)機(jī)現(xiàn)場性能試驗(yàn)》（DL/T469—2018），依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，通過在風(fēng)道內(nèi)選擇合適的截面布置數(shù)量合理的氣流速度測點(diǎn)，即可測出風(fēng)道內(nèi)的空氣或煙氣流量，并輸入到機(jī)組的分布式控制系統(tǒng)（DCS）中，供機(jī)組運(yùn)行人員調(diào)整鍋爐燃燒時(shí)使用。不過該方法受測點(diǎn)位置和風(fēng)道幾何形狀的影響較大，循環(huán)流化床鍋爐風(fēng)道流場分布情況十分復(fù)雜，熱一次風(fēng)、二次風(fēng)風(fēng)道直管段長度有限，且多有擋板、變徑、彎頭及分岔，加之在風(fēng)道中布置的加強(qiáng)梁和支撐架使流場進(jìn)一步受到影響，因此風(fēng)量的準(zhǔn)確測量變得非常困難，有時(shí)候測量誤差會(huì)高達(dá)20%以上。因此在鍋爐機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行中，很多運(yùn)行人員并不依靠該方法所測量出的風(fēng)量來操作鍋爐，更多的通過觀察煙氣氧量來調(diào)整風(fēng)量。

但是通過觀察氧量來調(diào)整鍋爐燃燒，主要存在的問題有：1）煙氣中氧量測量的準(zhǔn)確性問題，一方面是表計(jì)本身的準(zhǔn)確性問題；另一方面是測點(diǎn)位置煙道截面的氧量均勻性問題：由于鍋爐爐膛及尾部煙道內(nèi)一般是負(fù)壓，所以在密封不嚴(yán)時(shí)，存在較大的漏風(fēng)，影響煙道內(nèi)氧量的分布；2）由于煙氣是燃燒后的產(chǎn)物，所以利用氧量來調(diào)整燃燒存在一定的滯后性，特別是在鍋爐負(fù)荷波動(dòng)較大的時(shí)候；3）依據(jù)煙氣中的氧量可以用來調(diào)整鍋爐的配風(fēng)，但不能用來指導(dǎo)優(yōu)化鍋爐一次、二次風(fēng)的配比。由于鍋爐一次風(fēng)比二次風(fēng)壓力要高很多，因此，優(yōu)化一次、二次風(fēng)風(fēng)量不僅對提高燃燒效率、降低污染物的產(chǎn)生有很大的幫助，同時(shí)對于降低風(fēng)機(jī)電耗也有重要作用。

隨著火電技術(shù)的進(jìn)步及我國政府對節(jié)能減排問題的重視，各燃煤電廠在挖掘節(jié)能潛力方面投入了較大的人力物力，因此機(jī)組的節(jié)能空間已經(jīng)越來越小，所以精細(xì)化管理在電廠節(jié)能工作中也更加重要，這給循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行控制也提出了更高的要求。若要實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，電廠首先需要提高各種監(jiān)測儀表的測量精度，而如果風(fēng)量測量不準(zhǔn)，對于實(shí)現(xiàn)電廠的精細(xì)化管理具有較大的影響。另一方面，建設(shè)智慧電廠可能是今后電廠技術(shù)的重要發(fā)展方向，這對電廠提高各種監(jiān)測儀表的測量精度也提出了更高的要求。

1.新型儀表開發(fā)

由于空氣在壓縮過程中溫度會(huì)隨著壓力的升高而上升，對于循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組，由于其一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)出口壓力較高，所以一二次風(fēng)機(jī)可以認(rèn)為是增壓比較小的壓氣機(jī)，因此可以利用通過測量風(fēng)機(jī)進(jìn)出口的溫升、壓差以及電動(dòng)機(jī)的功率來計(jì)算風(fēng)機(jī)的流量與效率。具體來說，在忽略掉風(fēng)機(jī)進(jìn)出口的高差和表面散熱后，根據(jù)能量守恒定律，風(fēng)機(jī)出口空氣動(dòng)能與焓值之和應(yīng)該等于風(fēng)機(jī)進(jìn)口空氣焓值與輸入風(fēng)機(jī)的電機(jī)功率之和，而風(fēng)機(jī)出口的氣體動(dòng)能與流量之間存在函數(shù)關(guān)系，基于此，可以求解出風(fēng)機(jī)的流量，進(jìn)而計(jì)算出風(fēng)機(jī)的效率。

為了更加方便運(yùn)行人員的現(xiàn)場操作，基于上述熱力學(xué)原理的風(fēng)機(jī)性能測量方法，開發(fā)了循環(huán)流化床鍋爐新型風(fēng)機(jī)性能實(shí)時(shí)在線測量儀表，儀表結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。圖1中，通過測量風(fēng)機(jī)進(jìn)出口的溫度、壓力，采集電動(dòng)機(jī)的功率信號，即可實(shí)時(shí)計(jì)算出風(fēng)機(jī)的流量與效率。考慮到我國大部分地區(qū)夏季高溫多雨、空氣濕度較大，所以開發(fā)的新型風(fēng)機(jī)性能測量儀表也考慮了水蒸氣對空氣物性參數(shù)的影響。

濕空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量采用下式計(jì)算：

式中：d為空氣含濕量，kg/kg；φ為空氣相對濕度，%，為測量值；ps為水在環(huán)境溫度下的飽和壓力，kPa，通過查表取得；p0為環(huán)境大氣壓力，kPa，測量值。

濕空氣的有關(guān)物性參數(shù)，比如比熱、密度等采用質(zhì)量加權(quán)平均計(jì)算：

式中，X為比熱或密度等物性參數(shù)，Xa為干空氣的物性參數(shù)，Xw為水蒸氣的物性參數(shù)。

由于本文中所提的風(fēng)機(jī)新能測量儀表需要采集風(fēng)機(jī)進(jìn)出口的相關(guān)參數(shù)來計(jì)算風(fēng)機(jī)的流量與效率，因此儀表的測量精度會(huì)直接受各傳感器測量精度的影響，各傳感器的精度越高，儀表的精度也越高。但考慮到整個(gè)儀表的經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)文獻(xiàn)中對各參數(shù)測量儀表精度對系統(tǒng)誤差影響的分析，各測量傳感器的精度選擇見表1。由于儀表的測量過程主要是基于熱力學(xué)原理，對溫度傳感器的精度要求較高，所以對溫度傳感器的測量精度要求為±0.1℃，如圖2所示。

該新型風(fēng)機(jī)性能測量儀表既可以就地顯示風(fēng)機(jī)的流量和效率，見圖3，也可以將測量出來的流量和效率結(jié)果以標(biāo)準(zhǔn)4~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸入電廠的DCS，用于指導(dǎo)運(yùn)行人員調(diào)整鍋爐燃燒。儀表本身也可以記錄風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，便于對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于熱力學(xué)原理的新型風(fēng)機(jī)性能實(shí)時(shí)在線測量儀表的準(zhǔn)確性，在內(nèi)蒙古某電廠330MW循環(huán)流化床鍋爐2號機(jī)組的2臺(tái)一次風(fēng)機(jī)及2臺(tái)二次風(fēng)機(jī)上共安裝了4套風(fēng)機(jī)性能實(shí)時(shí)測量儀表，同時(shí)委托專業(yè)機(jī)構(gòu)對其中1臺(tái)一次風(fēng)機(jī)及1臺(tái)二次風(fēng)機(jī)的風(fēng)量做了試驗(yàn)標(biāo)定。

2.1機(jī)組情況

該電廠2號機(jī)組鍋爐為東方鍋爐(集團(tuán))股份有限公司設(shè)計(jì)制造的亞臨界自然循環(huán)、一次中間再熱、汽冷式旋風(fēng)分離器、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣循環(huán)流化床鍋爐。鍋爐型號為DG1089/17.4-Ⅱ1，主要熱力參數(shù)見表2。

該鍋爐機(jī)組一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)2臺(tái)50%容量的雙吸雙支撐離心式風(fēng)機(jī)，一次風(fēng)量采用變頻器調(diào)節(jié)。冷一次風(fēng)經(jīng)管式空預(yù)器加熱后分成兩路送入爐膛：一路從熱一次風(fēng)母管引出，經(jīng)播煤風(fēng)機(jī)升壓后，用于爐前播煤裝置的氣力播煤，每臺(tái)爐設(shè)一臺(tái)離心式播煤風(fēng)機(jī)；一路從熱一次風(fēng)母管引出，直接去風(fēng)道點(diǎn)火器，經(jīng)水冷風(fēng)室進(jìn)入爐膛。一次風(fēng)機(jī)出口的冷一次風(fēng)道上還接有一路至電子稱重式給煤機(jī)的密封風(fēng)。二次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)2臺(tái)50%容量的雙吸雙支撐離心式風(fēng)機(jī)，二次風(fēng)量也采用變頻器調(diào)節(jié)。冷二次風(fēng)經(jīng)管式空預(yù)器加熱后通過二次風(fēng)環(huán)形風(fēng)箱分多級送入爐膛，為燃料燃燒提供氧氣。一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表3。

2.2試驗(yàn)依據(jù)及試驗(yàn)方法

在驗(yàn)證試驗(yàn)中，風(fēng)量測量方法主要依據(jù)為《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》（GB/T10184—2015）及《電站鍋爐風(fēng)機(jī)現(xiàn)場性能試驗(yàn)》（DL/T469—2018）2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)過程中保持機(jī)組及風(fēng)機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定，機(jī)組負(fù)荷為300MW。在機(jī)組穩(wěn)定負(fù)荷（或風(fēng)機(jī)穩(wěn)定出力）條件下，在風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道采用符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的氣體流量測量裝置和等面積網(wǎng)格法，按照式(3)計(jì)算各測點(diǎn)的質(zhì)量流速。

式中：mi為測量截面上各測點(diǎn)的質(zhì)量流量，kg/(m2·s)；k為靠背管的修正系數(shù)，根據(jù)靠背管出廠資料，取0.8422；Δpi為測量截面上各測點(diǎn)的動(dòng)壓，Pa；pi為測量截面上各測點(diǎn)的靜壓，kPa；ti為測量截面上各測點(diǎn)的溫度，℃。計(jì)算出風(fēng)道截面各點(diǎn)質(zhì)量流速mi的平均值后，按照式(4)計(jì)算風(fēng)機(jī)出口就地實(shí)測風(fēng)量。

式中：Q為風(fēng)機(jī)出口總風(fēng)量，km3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同）；A為風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道截面積，m2。

試驗(yàn)期間同時(shí)記錄試驗(yàn)風(fēng)機(jī)的，新型風(fēng)機(jī)性能實(shí)時(shí)監(jiān)測儀表讀數(shù)。將在線測量儀表讀數(shù)與就地實(shí)測結(jié)果對比，分析二者的相對偏差情況。

2.3試驗(yàn)結(jié)果及分析

廠內(nèi)編號為22的一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量的測量結(jié)果見表4，二者出口相關(guān)參數(shù)測量結(jié)果如圖4所示。

從表4中可以看出，一次風(fēng)機(jī)就地實(shí)測風(fēng)量為220.5km3/h，新型風(fēng)機(jī)性能實(shí)時(shí)監(jiān)測儀表測量值為221.9km3/h，二者相對偏差為+0.6%；電廠DCS顯示風(fēng)量155.5km3/h，與就地實(shí)測值相差?29.48%。二次風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量實(shí)測為277.4km3/h，新型風(fēng)機(jī)性能實(shí)時(shí)監(jiān)測儀表為271.3km3/h，二者相對偏差為?2.2%；電廠DCS顯示風(fēng)量為244.4km3/h，與就地實(shí)測值相差?11.90%。

從表4中還可以看出，采用基于熱力學(xué)原理的風(fēng)機(jī)性能測量方法所開發(fā)出的儀表精度很高，完全可以滿足電廠現(xiàn)場運(yùn)行的需求，能夠用于電廠的循環(huán)流化床鍋爐優(yōu)化運(yùn)行調(diào)整及風(fēng)機(jī)能耗監(jiān)測等方面，電廠也將根據(jù)風(fēng)量表的測量結(jié)果對鍋爐運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

現(xiàn)有風(fēng)量表安裝在空預(yù)器后面，而基于熱力學(xué)原理的新型風(fēng)機(jī)性能測試儀表安裝在風(fēng)機(jī)出口，這樣，由于空預(yù)器本身存在漏風(fēng)，所以在表4中DCS所顯示出來的結(jié)果要小于試驗(yàn)及儀表測量結(jié)果。當(dāng)然，DCS所顯示的一次風(fēng)量與測量值差異更大，或者是漏風(fēng)更大的緣故，也可能是現(xiàn)有風(fēng)量表準(zhǔn)確性不高的緣故。如果能夠?qū)C(jī)組現(xiàn)有風(fēng)量表校驗(yàn)準(zhǔn)確，或者利用其變化趨勢，可以與新型風(fēng)量表配合使用，用來監(jiān)控空預(yù)器的漏風(fēng)率，以便于用來指導(dǎo)空預(yù)器的檢修。

采用熱力學(xué)原理的風(fēng)機(jī)性能測量方法的理論基礎(chǔ)就是利用測量風(fēng)機(jī)進(jìn)出口的溫度及靜壓來替代所需要測量的速度場，從圖4中的測量結(jié)果來看，即使是離心風(fēng)機(jī)，在出口速度場（動(dòng)壓）分布很不均勻的情況下，風(fēng)機(jī)出口的溫度場及靜壓場非常均勻，特別是溫度場，一次風(fēng)機(jī)出口各測點(diǎn)溫度均為46.4℃，二次風(fēng)機(jī)出口各測點(diǎn)溫度均為33.5℃，說明采用該方法從機(jī)理上就具有更高的準(zhǔn)確性，而且溫度場的均勻性高的特點(diǎn)可以只使用1根溫度計(jì)，且安裝位置靈活，所以系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝及沒有運(yùn)行阻力的優(yōu)點(diǎn)?；跓崃W(xué)原理的風(fēng)機(jī)性能測量儀表與現(xiàn)有的風(fēng)量測量儀表綜合比較見表5。

目前電廠上少有安裝，電廠對風(fēng)機(jī)效率測試一般委托給電力科學(xué)研究院來完成，而本文中所開發(fā)的儀表可以實(shí)時(shí)測量出風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，對于大型動(dòng)葉可調(diào)或者靜葉可調(diào)風(fēng)機(jī)，可以在運(yùn)行中通過調(diào)整風(fēng)機(jī)葉片迎角及轉(zhuǎn)速保持其處于較高效率區(qū)運(yùn)行，具有較高的使用價(jià)值。循環(huán)流化床鍋爐是低熱值燃料、難燃煤種清潔高效利用的主要技術(shù)手段，也是我國火力發(fā)電的重要組成部分。目前我國在役的大型循環(huán)流化床鍋爐裝機(jī)容量超過8000萬kW，本文所開發(fā)的測量儀表具有較大的市場推廣潛力。

3.結(jié)語

基于熱力學(xué)原理的風(fēng)機(jī)性能測試新方法所開發(fā)的新型風(fēng)機(jī)性能實(shí)時(shí)在線測量儀表，在測量330MW循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組一次風(fēng)機(jī)流量時(shí)，相對誤差不足1%；在測量該鍋爐機(jī)組二次風(fēng)機(jī)流量時(shí)，相對誤差略高于2%。該儀表同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝等點(diǎn)。該儀表由于可以實(shí)時(shí)測量出風(fēng)機(jī)的效率，具有較大的市場推廣潛力。