運用動態(tài)參數(shù)測量計算風機風量技術研究與應用

王 野，冷 杰，王 強，童 剛

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

運用動態(tài)參數(shù)測量計算風機風量技術研究與應用

王 野，冷 杰，王 強，童 剛

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

在國內(nèi)外火電廠大型鍋爐風機設備中，存在風量測量裝置系統(tǒng)復雜、測量精度低、可靠性不高、系統(tǒng)阻力損失增大及對風機運行工況不能做到直觀監(jiān)視等方面的缺點。為解決以上問題，研發(fā)了風機風量測量計算技術，該項技術主要是運用理論計算方法，將風機現(xiàn)有的運行參數(shù)輸入PLC數(shù)控裝置，計算得到風機流量，能夠?qū)崿F(xiàn)通過流量特性曲線畫面實時在線監(jiān)視風機運行工況功能。

鍋爐風機；風量計算；在線監(jiān)測；風機效率

在火電廠中，大型鍋爐風機的主要作用是為鍋爐配風、送粉及燃燒調(diào)整，而風機風量的調(diào)節(jié)通常用調(diào)整風機動葉角度的方式完成，風量能否穩(wěn)定控制，對鍋爐的安全、經(jīng)濟性影響很大[1]。

風機風量是風機運行中監(jiān)測的重要數(shù)據(jù)，目前在國內(nèi)外火電廠大型鍋爐風機設備中，風量測量裝置均安裝在入口或出口風道里，其主要形式有機翼型風量測量裝置、文丘里風量測量裝置、多點式風速風量測量裝置等，這些測量裝置大部分采用測量差壓方法獲取風量[2]。該方式系統(tǒng)復雜、測量精度低、可靠性低、成本高、系統(tǒng)阻力損失大，并且對風機運行工況不能做到直觀監(jiān)視。

對于大型鍋爐風機，由于出入口風道截面積很大，直管道布置較短，不適合安裝風量測量裝置，因此很多風機均沒有安裝此裝置，現(xiàn)有一次風機的總風量是根據(jù)各臺磨煤機入口風量疊加而成的。由于鍋爐一次風經(jīng)過回轉(zhuǎn)式空氣預熱器時，向煙氣側和二次風側漏風量較大，因此這種測量方式誤差較大，給運行分析和調(diào)整帶來困難。

另外，在風機運行中，如調(diào)節(jié)不當容易發(fā)生失速或喘振問題，喘振會造成風機風量大幅度波動，可能引起鍋爐甩負荷(RB)動作，而且還會使風機振動增大、軸承溫度升高，嚴重時還可能引起燒瓦和斷葉片事故發(fā)生，國內(nèi)很多電廠都存在此問題[3]。

本文提出風機風量測量計算技術主要是運用理論計算方法，將風機現(xiàn)有的運行參數(shù)輸入PLC風量計算裝置，計算得到風機流量，能夠?qū)崿F(xiàn)通過流量特性曲線畫面,實時在線監(jiān)視風機運行工況功能。應用該項技術可以有效防止風機喘振發(fā)生，省去風機風量測量裝置，對減少風機安裝維護成本，提高安全運行可靠性，提高風機效率和節(jié)能減排起到重要作用。

1 風機風量測量計算技術

該項風機風量測量計算技術是集風量測量、在線監(jiān)測和安全預警為一體的綜合測量計算技術。該項測量計算技術主要基于泵與風機相似理論，根據(jù)風機廠家流量特性曲線圖編制數(shù)學模型，找出比功與風量的對應關系，引用風機正常運行參數(shù)計算得出風機出口風量。

測量計算技術主要是將現(xiàn)場DCS控制系統(tǒng)風機運行參數(shù)輸入到風機風量測量計算裝置中(該裝置主要是由PLC可編程控制器和相關硬件組成)，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)整理計算后，再送回DCS控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場控制盤CRT顯示屏顯示風機風量；該測量計算裝置安裝簡單，風機風量測量計算誤差小，信號穩(wěn)定，沒有現(xiàn)場維護量；在風機風量特性曲線圖上設置1個光標，實時監(jiān)視風機運行工況點，使風機在設計安全工作區(qū)內(nèi)運行。該測量計算裝置還具有喘振預警功能，當風機運行偏離正常工作點將要發(fā)生喘振時，發(fā)出喘振預警信號。

2 風機風量測量計算裝置與傳統(tǒng)測量裝置對比分析

目前，電站鍋爐已經(jīng)步入現(xiàn)代化、高參數(shù)、大容量時代，為確保鍋爐穩(wěn)定燃燒，不僅對自動化程度要求越來越高，對鍋爐合理配風、燃燒調(diào)整要求也越加嚴格。因此，對風機風量測量的準確性和可靠性、在線監(jiān)測以及預防風機喘振等方面提出了更高要求。評價風量測量裝置性能優(yōu)劣的關鍵在于它是否具備測量準確、信號穩(wěn)定、維護量少、阻力小、造價低、安裝方便等特點[4]。目前測風裝置種類很多，應用較多的類型有機翼型風量測量裝置、文丘里風量測量裝置、多點式風速風量測量裝置等。傳統(tǒng)風量測量裝置結構、原理及技術特點與新型風機風量測量計算裝置比較如下。

a.測量原理比較

傳統(tǒng)的風量測量裝置均靠安裝在風道里的測試元件來測量風量，測量穩(wěn)定性和可靠性受測量元件是否堵塞或完好狀態(tài)影響。

新型計算裝置無需在風道里安裝測量元件，不受上述因素影響，其測量穩(wěn)定性和可靠性要高于傳統(tǒng)測量方法。

b.測量裝置結構比較

從風量測量裝置結構上看，傳統(tǒng)風量測量裝置系統(tǒng)安裝復雜，安裝技術條件要求較高，由于在風道里安裝了測量元件，致使管道阻力增加，風機電耗增加[5]。

新型計算裝置沒有現(xiàn)場測試元件，故系統(tǒng)安裝結構比前者簡單、方便。同時也不存在管道阻力損失問題，提高了風機運行經(jīng)濟性。

c.測量技術特點比較

由于風道截面積較大，流場不均勻，多數(shù)風量測量裝置無法準確測量出管道內(nèi)的平均風量，故多數(shù)傳統(tǒng)風量測量裝置普遍存在風量測量不準確，使用效果不佳，維護量較大等問題。

新型計算裝置由于以廠家風機風量特性曲線為基礎，又經(jīng)過實測風量的校驗和修正，因此，該風量測量計算裝置的計算精度要高于其它傳統(tǒng)風量測量裝置。

另外，新型計算裝置還增加了傳統(tǒng)風量測量裝置所不具備的功能，能在風機風量特性曲線圖上在線監(jiān)測風機運行工況，能在風機喘振事故發(fā)生前發(fā)出喘振預警信號。

3 風量理論計算

3.1 計算理論依據(jù)

風機風量測量計算技術的理論基礎是來自泵與風機的相似理論。相似理論廣泛應用在許多科學領域，在泵與風機的設計、運行和整理數(shù)據(jù)等工作中也以相似理論作為基礎。

經(jīng)驗表明，根據(jù)相似理論，當泵與風機的模型和實物的尺寸及轉(zhuǎn)速都相差不大時，可以認為在相似工況下運行時的各種效率相等[6]，此時，當風機的轉(zhuǎn)速改變時、壓力及流量存在如下關系式：

(1)

(2)

對于同一臺泵或風機，如果輸送的流體不變，風機的風量比正比于轉(zhuǎn)速比，風機的揚程比正比于轉(zhuǎn)速比的平方，即：

(3)

(4)

式中：Q1為轉(zhuǎn)速變化前流量，m3/s；Q2為轉(zhuǎn)速變化后流量，m3/s；H1為轉(zhuǎn)速變化前壓力，Pa；H2為轉(zhuǎn)速變化后壓力，Pa；n1為轉(zhuǎn)速變化前轉(zhuǎn)速，r/min；n2為轉(zhuǎn)速變化后轉(zhuǎn)速，r/min。

該原理也稱為比例定律，可以對2臺同型風機之間的風量、轉(zhuǎn)速、揚程等性能參數(shù)進行換算，也可以對1臺風機在不同轉(zhuǎn)速或相同轉(zhuǎn)速下的風量、轉(zhuǎn)速、揚程等性能參數(shù)進行換算。同理也可以將這一理論推廣到靠變換動葉轉(zhuǎn)角調(diào)整風量的定速風機。

3.2 計算原理

根據(jù)以上理論分析，找出比功和流量的關系，編寫計算數(shù)學模型，將已知的風機轉(zhuǎn)速、出口壓力、入口壓力、入口風溫及動葉轉(zhuǎn)角等參數(shù)輸入到數(shù)學模型中，經(jīng)過參數(shù)轉(zhuǎn)換、判斷、分析、比較，最后計算得到風機在不同轉(zhuǎn)速或動葉轉(zhuǎn)角下，流過風機的風量。數(shù)學模型主要是依據(jù)廠家設計的風機風量特性曲線建立的，特性曲線的縱坐標表示比功，橫坐標表示風量，曲線族表示風機動葉轉(zhuǎn)角。編制計算關系，即風機在動葉轉(zhuǎn)角不變情況下，比功的變化與風機風量的變化為單值函數(shù)關系。

風機工作介質(zhì)密度計算如下：

(5)

式中：PD為環(huán)境大氣壓力，Pa；Pj為風量測量面氣體靜壓，Pa；t為風量測量面氣體溫度，℃；ρ為風量測量面氣體密度，kg/m3；ρ0為標準工況下氣體密度，kg/m3。

風機風量計算如下：

(6)

式中：Qj為計算風機體積流量，m3/s；Qb為設計風機體積流量，m3/s；λx為風機計算風量修正系數(shù)；θs為實測風機動葉轉(zhuǎn)角(°)；θb為設計風機動葉轉(zhuǎn)角(°)。

由于各電廠風機風道布置走向不同，導致管道阻力不同，出入口壓力測點實際安裝位置不同，動葉轉(zhuǎn)角調(diào)試中具有一定偏差及風機生產(chǎn)廠家在制造加工方面存在一定偏差，因此，風機的實際運行特性與設計特性就必然存在偏差。為了使測量計算風量更接近實際風量，對測量計算風量進行修正和校對，即在相同工況下，用皮托管測取風機實際風量，將計算結果與實測結果進行比較，并且對計算偏差部分進行修正。

實踐證明，修正后的測量計算風量與實測風量偏差較小，其風量變化關系基本符合風機風量設計變化特性。

4 現(xiàn)場試驗分析

4.1 試驗系統(tǒng)

現(xiàn)場試驗是在某電廠鍋爐一次風機上進行的，將PLC計算裝置安裝在鍋爐一次風機控制系統(tǒng)中，接入輸入信號包括風機入口風壓、風機出口風壓、風機入口風溫、風機出口風溫、風機動葉轉(zhuǎn)角、風機電流及其他輔助參數(shù)；輸出信號包括風機計算風量、風機喘振余量、風機效率計算機及各個報警信號。

4.2 試驗數(shù)據(jù)比較

在某電廠一次風機測試系統(tǒng)中，用理論計算方法得出風量結果與用皮托管方式測量風量數(shù)據(jù)進行比較如表1所示。

表1 風量計算值與實測值比較

由表1可見，試驗期間，機組負荷最高為600 MW，最低為330 MW，變化范圍為270 MW；一次風機動葉調(diào)節(jié)開度最大為79%，最小為56%，變化范圍為23%，因為風機動葉轉(zhuǎn)角設計變化范圍為10°～55°，動葉有效變化范圍為45°，故試驗中動葉轉(zhuǎn)角變化范圍為35.2°～45.9°，實際動葉變化范圍為10.7°，實際轉(zhuǎn)角動作范圍占設計值的23.8%；一次風機計算風量最高為540 t/h，最低為426 t/h，變化范圍為114 t/h。PLC數(shù)控裝置計算風量與現(xiàn)場皮托管測量風量比較，最大偏差小于5 t/h。如果按測量誤差比較分析，風量測量上限為1 000 t/h，計算風量相對誤差<0.5%，國標要求<3%，計算誤差小于國標的6倍。可見，風機風量特性符合相似理論，如果在保證輸入?yún)?shù)準確的前提下，計算風量值完全可靠。

4.3 計算風量與現(xiàn)場顯示風量偏差

在現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，1號爐一次風總風量與計算風量顯示偏差較大。

一次風總風量平均分配給2臺一次風機，計算風量值與1臺風機風量值進行比較如表2所示。

表2 風機風量計算值與測量系統(tǒng)值比較

由表2可知，3種工況的一次風總風量分別為593.90 t/h，606.30 t/h和605.30 t/h；如果將總風量平均分配，則每臺風機風量分別為296.95 t/h，303.15 t/h和302.65 t/h；而在同一時刻一次風機計算流量分別為492.67 t/h，520.24 t/h和540.41 t/h；風量偏差分別為195.72 t/h，217.09 t/h和237.76 t/h。

風量偏差大原因分析：現(xiàn)場畫面一次風總風量是由分別安裝在6臺磨煤機進口熱風管道風量測量裝置測出的風量疊加得出的。根據(jù)一次風機送出的一次風主要輸出路徑可知，一次風機送出的一次風，首先經(jīng)過空氣預熱器，而后再進入各臺磨煤機。一次風經(jīng)過空氣預熱器時, 煙氣側和二次風側漏風量較大，這樣在空氣預熱器后測得一次風量是不包含這部分漏風量的，因此現(xiàn)場畫面與計算風量會出現(xiàn)偏差。

由表2可知，機組負荷在541 MW時，一次風機出口風量為540.41 t/h，最大漏風達237.76 t/h，漏風量已超過風機出口風量的40%，會給電廠經(jīng)濟性帶來影響，同時也說明該種方法測量的一次風量不能作為一次風機的風量。運行中一次風總風量不準確，容易造成運行人員誤判，對機組的安全性造成不利影響。由此可見，用理論計算風量方法取代現(xiàn)有畫面疊加風量方法非常必要。

5 應用分析

a.實用性

風機在火力發(fā)電廠中具有極其重要地位，引風機、送風機、一次風機一旦出現(xiàn)問題，將會影響機組負荷。因此，應該制定一個切實可行的測量方法。由于多數(shù)電廠考慮經(jīng)費及安裝復雜性等方面問題，機組風機沒有安裝風量測量裝置，有的即使安裝，指示也不夠準確，給運行分析帶來諸多不便，對風機喘振也無法做到提前預警。該測量計算裝置不需要對風道系統(tǒng)作任何改動，只需要在DCS系統(tǒng)中加裝1套PLC裝置，就可以解決上述問題，還可將風機風量數(shù)據(jù)和風機運行工況傳送到風機風量特性在線監(jiān)測畫面上。這對及時發(fā)現(xiàn)風機運行問題，指導運行操作極為重要[7]。該測量計算裝置可以反復利用，即只需一套硬件就可以測量計算多臺風機風量。如果采用系統(tǒng)通信方式，還可以省略該裝置輸入、輸出的硬接線，簡化了安裝程序，使該裝置與DCS系統(tǒng)通信更為方便。

b.準確性

一般傳統(tǒng)風量測量裝置需要在風道中安裝一次測試元件，由于測量元件受到風道安裝條件限制，測量的準確性將會受到一定影響。該計算裝置經(jīng)過實測風量的修正和校正，其測量計算精度不受外部條件影響，因此該測量計算裝置的計算精度不亞于其它測量裝置。實踐證明，該測量計算裝置數(shù)據(jù)與現(xiàn)場皮托管測量的風量比較，偏差很小，完全可以滿足現(xiàn)場運行分析要求。

c.經(jīng)濟性

由于該裝置設有風機運行工況實時在線監(jiān)視功能，對風機運行發(fā)生失速和喘振故障能做到提前預警，這樣可以避免風機由于發(fā)生喘振故障給機組造成的經(jīng)濟損失。參照風量特性曲線圖，還可指導運行人員調(diào)整風機運行工況，使之靠近高效區(qū)運行，以提高風機效率。應用該項測量計算技術，還可以減少風機風道阻力損失，及時發(fā)現(xiàn)空氣預熱器的漏風量變化，以減小風機電流，降低廠用電率，提高電廠經(jīng)濟性。

d.應用前景

火電廠每臺機組的鍋爐均配有6臺大型風機可以安裝該裝置，全國大型火力發(fā)電機組就有上千臺，可見該裝置的應用前景廣泛。

6 結束語

該項測量計算技術根據(jù)相似定律理論設計而成，程序中還設計了多項技術措施來保證計算數(shù)據(jù)可靠。程序中設計的實時在線監(jiān)測功能，可以對風機喘振預警功能及風機是否在高效區(qū)運行等方面進行檢查，提供了可靠的技術分析數(shù)據(jù)，為風機安全經(jīng)濟運行奠定基礎。該風機風量測量計算裝置已經(jīng)投入應用，風量測量計算數(shù)據(jù)準確，運行工況實時在線監(jiān)測直觀方便。實踐證明，該裝置完全可以取代現(xiàn)有的風機風量測量裝置。

[1] 常 強.離心通風機鍋爐風機振動現(xiàn)場處理[J]．東北電力技術，2010,31(3):5-8.

[2] 田 杰，歐陽華，李 游.基于交錯葉輪技術的橫流風機氣動聲學特性研究[J].機械工程學報,2010,46(3):97-102.

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[5] 袁 泉，吳志鵬，井春茹.影響火力發(fā)電廠風機可靠性的因素及措施[J].東北電力技術，2005,26(10):48-50.

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Technology Research and Application on Calculating Fan Flow with Dynamic Parameter

WANG Ye, LENG Jie, WANG Qiang, TONG Gang

(Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China)

The air quantity of boiler fan is an important monitoring data in the operation.The air quantity measurement device system is complex, low accuracy, low reliability, increasing the system resistance loss and not direct monitoring in the operation, etc.In order to solve the above problem, fan air volume measurement computing technology is developed, the technology mainly uses theoretical calculation method, inputting the fan operating parameters into PLC numerical control device.Fan flow is calculated, fan operation can be monitored online through flow characteristic curve.

boiler fan; fan flow calculation;on-line monitoring;fan efficiency

TU831.3

A

1004-7913(2017)01-0017-04

王 野(1985)，男，碩士，工程師，主要從事汽輪機調(diào)試與運行工作。

2016-09-15)