一次風風量測控回路的改進方案

胡 皓

(東方電氣股份有限公司國際工程分公司，成都 610036)

火力發電廠中磨煤機入口一次風的配風調節是機組經濟性運行的重要保證之一，入口風量過低會導致堵粉或堵煤，甚至引起制粉系統爆炸；風量過高則會導致煤粉濃度降低，致使機組低負荷時燃燒不穩定，引起NOx和SOx排放超標。但是一次風流量測量卻又一直是該測控回路采集側的重點和難點。在系統設計上，由于要盡可能地節約布置空間和成本，熱/冷風管道通常沒有測量所要求的足夠長度的直管段，對測量精度造成不利影響；其次，熱一次風中常攜帶有一定的粉塵，增加了測量取壓元件堵塞的可能性，一旦堵塞發生，勢必嚴重影響測量結果；再次，一次風流量測量利用的是差壓原理，而測量對象又為微差壓環境，其測量管路上稍有泄漏，都會對測量結果造成巨大影響。測量的準確性和調節的協調性關系到整個機組的風量平衡和燃燒效率。

1 測量原理①

一次風的測量精度受煙氣溫度、壓力變化的影響。設流體管道各點的當地大氣壓相同，管內氣流的密度為ρ，遠大于外部空氣的密度ρe，p1、p2分別為上下游S1、S2斷面處未擾動來流的壓力(類靜壓)，ρu12/2、ρu22/2是動壓，pe為風機穩定運行后在S1、S2斷面的壓強，h2-h1是S1、S2斷面的高度差，pw是壓強損失，根據理想氣體的伯努利方程推導[1]，低速能量方程為：

(1)

忽略ρe不計，則由式(1)推導出實際流體的能量守恒方程[2]：

(2)

其中，H1、H2為位壓；等式兩邊第二項分別為S1、S2斷面的靜壓；等式兩邊第三項分別為S1、S2斷面的動壓。

如圖1所示，將式(2)的兩端以微小流量dq，沿各自的流線對通流截面S進行積分，得：

(3)

在設定單位時間內dq=u1dS1=u2dS2，式(3)兩端前面項積分分別表示單位時間內流過S1和S2的流量所具有的位能、靜壓和動能，而右端最后一項Ew則表示流束內的流體從S1流到S2損耗的能量。

圖1 流體沿管束的緩變流動

在機組不做滑壓及甩負荷等變工況運行的情況下，風機出口風壓在經歷一段直管段后，pe可視為定壓條件，即為常數。則式(3)中截面S1和S2處的流動可以假設為緩變流動，表明壓力沿流線不變，當流速增大時，動壓增大，靜壓減小，反之亦然。即通流截面上各點處的壓力符合流體靜力學的壓力分布規律，則H+p/(ρg)=constant。

式(3)化簡后可繼續推導為：

(4)

(5)

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由于一次風源于大氣，動力粘度值較小，過流斷面速度梯度小，實際的流速分布均勻，接近于斷面平均流速，在未插入測量元件時，α值取1。但根據流體繞物體流動的位流理論，管道中在插入測量元件后，低速條件下(氣體的流速不大于102m/s)，流體的動能發生變化，相對于處于高壓分布區的高壓取壓點，低壓取壓點的選位則更為關鍵。若流體流過探頭后，流體牽引力和渦街脫落力隨機變化，尾跡的邊界層流波動，流量系數無法穩定，產生無法確定的牽引漂移，流體分離點也不固定，則取壓信號跳變幅值將會很大。而若流體流過探頭后，能形成一個穩定的紊流邊界層，即α=1，則牽引系數可以直接從流體系數推導，流線穩定、信號噪聲小，這樣就提高了低流速時流體的測量精度。

差壓測量的體積流量計算公式為[1]:

簡化后為：

(6)

式中Α——測量元件開孔截面積；

C——在一定條件下是常數；

L——流體系數；

VQ——管道內的體積流量；

ε——可膨脹系數；

Δp——差壓發生器產生的差壓；

ρ——被測流體在斷面S處的密度。

由式(6)可知，要確定VQ，必須確定L和Δp。設Sa為管道截面積，Sb為探頭截面積，再根據漸進速度系數AS和常規差壓測量器件節流裝置的流體系數L：

(7)

(8)

可知：因式(8)中常規差壓節流裝置的流出系數Kd與雷諾數相關，所以若能保證流體系數L在一定范圍內不再隨流體特性的影響而變化，則通過提高L的計算精度即可達到提高流量測量系統精度的要求。

若探頭截面設計不僅考慮到漸進速度和能量損失因素的影響，還同時考慮到差壓產生過程中造成的管道阻礙損耗，以及由于這種限制帶來的探頭邊界層流的壓力損失，則式(8)可改寫為：

(9)

其中，KCO為流體邊界層流系數；N=e1×d2/e2，d為取壓孔開孔半徑，e1為截面舷長，e2為截面徑長；Sb′為管道減去探頭投影面積后的截面積，該值實際可按照理想氣體的特性修正，通過面積調整來補償流體邊界層厚度，即：

(10)

其中，Kb為考慮了受邊界層厚度影響的阻尼常數；Bv為管道阻礙系數，即探頭截面積與管道截面積的比值。流體系數的計算式可最終表達為：

(11)

由式(11)可知：根據此類參數的計算和選擇，探頭的截面形狀為類甲板型，盡管較之常規流線型的機翼型及橢圓型等截面設計，阻礙系數有所增加，但流體分離點基本固定。調整后的探頭設計在量程范圍內，流體系數L主要取決于測量元件的截面尺寸、流體邊界層厚度、該尺寸與管道截面的半徑比和取壓孔的位置，均為基本與流體雷諾數無關的系數。

常規更流線型的探頭，其高壓區包絡范圍較大，高壓取壓點對流體的來流迎角要求不敏感。低壓取壓點為保證感壓軸線對流動方向的適應性，常常位于尾部渦旋區(尾跡區)，該區域不僅雜質很易聚集，易堵塞取壓孔，且取壓信號受層流影響波動很大。而采用根據上述計算得出的單體雙室類甲板型探頭，較之于截面為類彈頭型的探頭，不僅由于截面舷徑比更大，流體在探頭后室兩旁形成遠低于管道靜壓的低壓分布區(該壓力接近于普通探頭尾部渦旋區的壓力)，從而差壓值的取值更大，非常有利于提升測量效果；而且在該區域設置的低壓取壓孔位于尾跡區之前，這樣就避免了由于渦流層流影響和堵塞而產生信號波動，得到了穩定無脈動的低壓信號，提高了對探頭的精度和性能起決定作用的差壓信號的穩定性、準確性和可靠性。

2 調試中的修正

以某國2×660MW超臨界機組為例，兩套機組各設計有8臺磨煤機。因空間所限，測量要求的直管段長度嚴重不足，各磨機的一次風流量在調試的最初測量值跳變性均很強、波動幅值過大，從而造成控制系統的讀數波動很大，調節回路頻繁動作，對機組的系統聯調造成了極大的影響，而系統間的協調控制更是很難建立。

調試過程中，為降低數值的波動，在對變送器的阻尼系數統一調整后，系統還是會稍有風量的變化就動作。因此按照第1節所述測量原理，把原常規的機翼型探頭更換為單體雙室類甲板型探頭。同時，根據現場管道尺寸、管道結構、導流板安裝、風門安裝、流體走向、測點及風門前、后壓力等現場技術參數，建立了流場模擬仿真實驗。以風門開度關閉狀態順時針旋轉30°時的速度場為例，考察類甲板型探頭和尾部的低壓取壓點設計對流場的影響。流體仿真分析結果如圖2～5所示。

圖2 中截面速度場分布

圖3 流動軌跡線(速度)

圖4 類甲板型探頭插入處橫截面速度場分布

圖5 機翼型探頭插入處橫截面速度場分布

流體仿真實驗結果證明，采用單體雙室類甲板型結構的探頭，低壓取壓點取在探頭尾部，其流場均勻，與尾跡區分離明顯，測量條件明顯優于機翼型探頭，對測量結果達到了穩定檢測的要求，測量精度大幅提高，重復性良好。

3 一次風量的控制策略

在完成一次風量測量的基礎上一次風量調節的限制要求如下：

a. 輸送和干燥煤粉的一次風量控制包含著出口風粉混合物的溫度控制。為了保證鍋爐安全運行，一次風必須滿足一定的溫度范圍要求。

b. 增減負荷時燃料和風量控制回路需交叉限制，否則由于風量對象的特性時間常數大于燃料量的特性時間常數，增負荷時，助燃空氣不足，燃燒不完全，機組熱效率下降；反之，當降負荷時，空氣過剩，引起NOx和SOx排放超標[4]。

但常規控制邏輯中，交叉限制會造成增負荷，由于必須先增風后加燃料，煤量動態過調可能被一次風量的變化所抑制；而減負荷時，由于必須先減燃料后減風，一次風量的動態前饋又可能被煤量的變化所抑制。

針對上述問題，一次風量控制回路的動態前饋回路可優化為如下控制策略：為保持整個管道系統的總阻力不增加，并盡可能降低廠用電耗，當磨煤機運行時，磨機入口的一次風量控制和出口溫度控制存在著強烈的耦合關系，冷風門和熱風門用于配合調整這兩大參數。一次風風量的測點在冷熱風的混合點下游，由除法模塊和開方模塊組成一次風溫度補償回路，當風溫信號錯誤時，切換器T1置1，校正取消。其主控回路在一次風量測量值經過開方模塊運算后，轉換成流量信號，由超前/滯后模塊LEAD/LAG構成的延時環節進行阻尼運算，濾去其中的高頻脈動干擾信號，并經過標度變換后進入調節器偏差比較入口，經過主控調節計算后，通過平衡模塊送出。一次風量的設定值由磨機的給煤指令經函數功能模塊f(x)計算后給出，可以通過DCS工程師站對風量偏置和功能函數f(x)進行調整。一次風量冷熱風門開度控制回路SAMA圖如圖6所示。

圖6 一次風量冷熱風門開度控制回路SAMA圖

交叉限制雖然保證了燃燒控制的安全，但卻損失了燃燒控制系統的響應速度。因此磨機負荷指令經另一傳遞函數模塊f(x)做功能計算后作為磨機熱風風門控制的前饋信號，當燃料率變化時，該前饋信號將首先粗調風門，加強一次風量對給煤率指令的響應速度，整定微分作用時間和強度，增強負荷調節的初始過程[5]，然后再通過主控回路來校正磨機的一次風量偏差。

圖6所示，從磨機出口溫度調節器引入的另一路前饋信號，使冷熱風門協調動作。這一回路為時間常數較小的慣性環節，而主控回路為時間常數較大的多容環節。為了改善調節品質，以入口熱風風門消除入口一次風量的穩態偏差，由入口冷風風門消除出口溫度的穩態偏差，兩大參數間設計單向靜態解耦信號，即主控熱風側的設置為正的比例環節，而輔控冷風側設置為負的比例環節。冷熱風風門的開度調節指令互為交叉前饋信號，同時各自保持冷熱風門的最小開度。

4 結束語

根據伯努利方程的推導和流體系數調整算法確定的單體雙室類甲板型探頭，在空載和帶負荷實驗中，保證了信號采集的穩定性和準確性。修正后的測量誤差在工程設計允許范圍內，完全適用于回路的監控和調節，讀數穩定，重復性和流量趨勢良好。而控制側也采用了更為優化的策略，保證了響應的及時性和協調性。這樣既滿足了一次風量根據負荷指令調整的需要，又維持了出口溫度的恒定，保證了整個系統的穩定運行。