0 引言

儀表自動化技術(shù)是火力發(fā)電廠智能化的一個重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)火力發(fā)電廠建設(shè)方針的核心。火力發(fā)電工藝過程控制中，流量的測量是非常關(guān)鍵的一個指標(biāo)。流量同溫度、壓力、重量、物位等參數(shù)一樣是工業(yè)生產(chǎn)過程的重要參數(shù)，直接或間接參與生產(chǎn)控制，依據(jù)這些參數(shù)對生產(chǎn)流程進(jìn)行監(jiān)督和控制，對提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，保障生產(chǎn)安全，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，改善生產(chǎn)條件等方面有著重要意義。工藝過程控制中的介質(zhì)類型隨著不同工藝段介質(zhì)的壓力，溫 度，濕度，含水量和含顆粒物的含量、大小等因素的影響，介質(zhì)特性在不斷的變化。必須根據(jù)不同介質(zhì)特性來選擇合適的測量儀表。 

 

1 火力發(fā)電流量測量面臨的問題

在各工藝段各種介質(zhì)到底選擇哪種流量儀表來實(shí)現(xiàn)非常優(yōu)化的測量就是今天所面臨的問題。其主要問題有以下四類，即“兩個復(fù)雜兩個問題”。

 

1. 1 流量儀表種類復(fù)雜。

現(xiàn)代自動化儀表飛速發(fā)展，新型儀表層出不窮，有很多流量儀表可能聽說，但未曾了解或者使用過，所以對有些流量儀表的特性是否適應(yīng)自身的工況特點(diǎn)，無法準(zhǔn)確把握。流量儀表通�？煞殖蓧翰钍剑�速度式，容積式等種類。像孔板流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、均速管等屬于差壓式。電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等屬于速度式。腰輪流量計(jì)、雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)等屬于容積式，種類之多在此不一一列出。

 

1. 2 火力發(fā)電廠介質(zhì)特性復(fù)雜。

介質(zhì)的溫度、壓力、密度等都隨著工況的變化而變化。每個火電廠自身工況的特點(diǎn)不同，介質(zhì)特點(diǎn)也不一樣，所以不能一概而就，完全復(fù)制其他電廠的選型配置。火力發(fā)電廠里的主要測量點(diǎn)分布于鍋爐的汽水系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)中，在這兩個主要系統(tǒng)中，主要介質(zhì)以空氣、液體和蒸汽為主。選擇流量測量儀表應(yīng)考慮 5 個主要因素，即被測流體特性、安裝條件、環(huán)境條件、儀表性能及維護(hù)需求。 

 

1. 3 安裝問題

電廠內(nèi)部的空間和安裝空間有限，而流量儀表都需要一定的前后安裝直管段，所以經(jīng)常無法滿足安裝要求，導(dǎo)致使用效果不理想，出現(xiàn)測量誤差大和不穩(wěn)定的情況。 

 

1. 4 測量要求問題

測量的穩(wěn)定性和精度對安全高效的生產(chǎn)息息相關(guān)。電廠對于流量儀表的基本要求是長壽命、有效、穩(wěn)定測量，開車后無需隨意拆卸停車維護(hù)。

 

所以結(jié)合上述四點(diǎn)得知電廠工況的特殊性，儀表的多樣性導(dǎo)致了選擇非常合適的流量儀表的難度。 

 

2 如何解決火力發(fā)電中的流量測量

通常針對每個工段的測量點(diǎn)的流量儀表都會按照設(shè)計(jì)院或者以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇，但還是存在使用效果不好的情況，導(dǎo)致生產(chǎn)勉強(qiáng)運(yùn)行。因此，需要結(jié)合各種現(xiàn)場工藝因素，并結(jié)合流量儀表的一些特點(diǎn)來選擇，以下將從火力發(fā)電中的一些測量難點(diǎn)進(jìn)行闡述。 

 

2. 1 風(fēng)量測量難點(diǎn)選擇

燃煤鍋爐磨煤機(jī)入口風(fēng)量測量一直是困擾機(jī)組運(yùn)行人員的大難題，口徑大、方管多，流體不對稱，同時安裝直管段嚴(yán)重不足( 見圖 1) 。電廠通過測量火電機(jī)組風(fēng)道的風(fēng)量，可以實(shí)現(xiàn)精確的風(fēng)量管理，達(dá)到節(jié)能減排的目的，所以風(fēng)量測量的流量儀表顯得尤為重要。

電廠的風(fēng)量測量有很多選擇。通常有以下幾種: ( 1) 機(jī)翼式風(fēng)量測風(fēng)裝置; ( 2) 均速管流量計(jì)( 也通常稱為巴類流量計(jì)) ; ( 3) 熱值式質(zhì)量流量計(jì); ( 4) 氣體超聲波流量計(jì); ( 5)矩陣式風(fēng)量測風(fēng)裝置。下面將對這 5 種流量儀表做各種分析來選擇。 

 

2. 1. 1 機(jī)翼式風(fēng)量測風(fēng)裝置

機(jī)翼式測風(fēng)裝置具有差壓信號大、壓力損失小、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)其一為小孔密閉取壓，容易造成堵塞，其二體積大、重量重，安裝成本高。尤其是隨著風(fēng)道口徑的加大，采購成本較高，安裝非常不方便，且安裝維護(hù)成本較高，所以不建議用在風(fēng)量測量。 

 

2. 1. 2 均速管流量計(jì)

通常稱為巴類流量計(jì)，是基于皮托管測速原理，以測管道中直徑( 圓管) 或長與寬( 矩形管) 上幾點(diǎn)的流速來推算流量的一種插入式流量儀表。均速管流量計(jì)因其結(jié)構(gòu)簡單、壓損小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于大管徑的流量測量。早期產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理，流量系數(shù)不穩(wěn)定; 檢測臟污介質(zhì)時測孔可能堵塞。這些都是均速管未能更大規(guī)模使用的主要原因。因此，均速管流量計(jì)研究的側(cè)重點(diǎn)應(yīng)該是如何使均速管流量計(jì)的流量系數(shù)更加穩(wěn)定和均速管流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化。巴類流量計(jì)經(jīng)過了多次改進(jìn)和優(yōu)化，結(jié)構(gòu)形式也多種( 見圖 2) 。非常早的結(jié)構(gòu)形式為圓形結(jié)構(gòu)，經(jīng)過發(fā)展，演變成今天的菱形、翼形、子彈頭形、T 形和思科公司的德爾塔巴形。雖然改變了結(jié)構(gòu)形式仍是一種插入式流量儀表，無法擺脫只測管道中直徑上幾點(diǎn)流速來推算流量的基本模式，測點(diǎn)再多也只能反映某一直徑上的流速分布，而不是整個截面。

所以巴類流量計(jì)針對干凈氣體，且對精度要求不高的大口徑氣體測量可以選擇，例如電廠進(jìn)風(fēng)口。但送風(fēng)管道和煙道內(nèi)含有大量的粉塵，使用傳統(tǒng)的風(fēng)量測量裝置在測量含塵氣流時容易堵塞取壓孔，測量一次元件堵塞問題始終未能得到很好地解決。一般增加一些實(shí)時吹掃裝置來減少雜質(zhì)對取壓孔的堵塞。所以均速管不建議用在風(fēng)管和煙道的風(fēng)量測量。

 

2. 1. 3 熱值式質(zhì)量流量計(jì)

熱值式流量儀表系統(tǒng)基于恒溫差的測量方法，當(dāng)空氣流經(jīng)加熱電阻時，利用加熱電路維持加熱電阻與環(huán)境溫度的恒定溫差，通過加熱電阻上電流變化引起的電壓變化來計(jì)算得到空氣流量信號。

 

 

熱值式質(zhì)量流量計(jì)能測極低流速，流體工況 ( 壓力、溫 度) 適應(yīng)范圍寬，低壓氣體甚至可測真空狀分子流。傳感器無活動部件，可靠性高; 壓力損失很小，測量范圍度較寬，通常在 20～50 之間，遠(yuǎn)大于差壓類流量計(jì)。但由于測量原理跟溫度有關(guān)，對被測流體潔凈度要求較高且不能含有水分。當(dāng)熱分布儀表測量管內(nèi)壁沉積塵垢會影響測量值，必須定期清除。該類儀表采用插入式結(jié)構(gòu)，所以維護(hù)相對比較方便。電廠的風(fēng)量不含水分，煙氣加熱的一次二次風(fēng)相對含塵量較高，若可定期在線維護(hù)選擇熱值式質(zhì)量流量計(jì)還是比較適合。 

 

2. 1. 4 氣體超聲波流量計(jì)

超聲波流量計(jì)是一種非接觸式儀表，流體中未設(shè)置任何阻礙件，屬于無阻礙流量計(jì)，對流速無影響，也沒有壓力損失。但氣體超聲波流量計(jì)單聲道也只能測量一條線上的流量，不能完全反映整個面的平均流速，可選擇多聲道，可大大提高測量精度。電廠里的風(fēng)量相對較干凈，所以比較適合選擇氣體超聲波流量計(jì)，但氣體超聲波其技術(shù)含量較高，主要被國外廠家壟斷，所以采購成本較高，所以一般不會選擇氣體超聲波流量計(jì)作為電廠風(fēng)量的測量。 

 

2. 1. 5 矩陣式風(fēng)量測風(fēng)裝置

矩陣式風(fēng)量測風(fēng)裝置其工作原理與節(jié)流裝置的工作原理一樣，都是采用伯努利原理，跟前面的機(jī)翼式、均速管、孔板類都類同，是目前針對大型煙道測量的一種新型儀表，是結(jié)合了機(jī)翼式、均速管等的優(yōu)勢。它的測量單元通常采用背靠式傳感器和文丘里管傳感器兩種。電廠煙氣和風(fēng)管的管徑較大，由于平面上每個區(qū)域流速不相等，有高有低( 見 圖 3) ，單獨(dú)測量一個點(diǎn)或者一條線上的流量無法反映整個面上的平均流速，導(dǎo)致測量誤差加大。而矩陣式風(fēng)量測量裝置將整個橫截面積計(jì)算后采用多點(diǎn)矩陣式分布傳感器( 見圖 3) ，這樣每個傳感器可以測量每個區(qū)域的流速，再引出求平均，這樣測得的流速跟流體的實(shí)際流速更接近。

矩陣設(shè)計(jì)跟機(jī)翼式風(fēng)量測風(fēng)裝置類似，其結(jié)構(gòu)采用插入結(jié)構(gòu)，又結(jié)合了均速管的安裝方式，安裝和維護(hù)方面也大大加強(qiáng)。取壓傳感器有兩種形式，一種是背靠式，一種是文丘里管式( 見圖 4) 。背靠式其結(jié)構(gòu)跟皮托管類似，采用開放式取壓，取壓口加大，粉塵不易堆積堵塞取壓口。有的公司還在高低壓取壓口處增加了清灰裝置，該裝置可以受到流體帶動而發(fā)生震動，從而靠自身震動抖落粉塵，減緩粉塵對取壓口的堵塞周期。另外一種結(jié)構(gòu)為文丘里管式，文丘里管流量計(jì)將測量管段制成漸縮漸擴(kuò)管，避免了管道的突然縮小和突然擴(kuò)大，從而使阻力損失大大降低。本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)就有平滑特性，所以流體中的粉塵不易堆積。所以從這種矩陣式風(fēng)量測量裝置的設(shè)計(jì)理論上看完全是可以適應(yīng)電廠里面的煙道煙氣，一次二次風(fēng)的測量。

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所以綜合各種因素，結(jié)合各種流量計(jì)的特性分析，針對電廠風(fēng)量的測量采用矩陣式風(fēng)量測量裝置是相對比較適合的選擇。 

 

2. 2 主蒸汽管網(wǎng)、減溫水、飽和水和主給水等難點(diǎn)測量

流量計(jì)在電站鍋爐及其相連管道上廣泛使用，主要用于測量鍋爐主蒸汽、主給水以及減溫水流量，屬于承壓部件。電站鍋爐常用流量計(jì)包括兩大類型: 法蘭型流量測量裝置和焊接型流量測量裝置，這些都屬于差壓式流量計(jì)。通常在高溫壓、大口徑蒸汽管線上采用 ISA 1932 標(biāo)準(zhǔn)噴嘴可獲得較高的測量準(zhǔn)確度。一般不建議選擇孔板流量計(jì)，如( 圖 5) 所示，孔板若長期處于高溫高壓高流速的流體沖擊后，孔板片會發(fā)生變形，開孔比會發(fā)生變化，穩(wěn)定性和精度會發(fā)生變化。而噴嘴流量計(jì)的節(jié)流件( 見圖 5) ，本身就是一個喇叭口的結(jié)構(gòu)形式，有自導(dǎo)流的作用，長期處于高溫高壓高流速的流體沖擊后，節(jié)流件不易發(fā)生變形，可長期保持流量的精度和穩(wěn)定測量。

所以高溫高壓流體的流量測量可選擇噴嘴流量計(jì)，同時也根據(jù)介質(zhì)的特性來要求噴嘴的材質(zhì)和加工熱處理等級。

 

2. 3 常規(guī)蒸汽、壓縮空氣、燃?xì)饧澳�結(jié)水等難點(diǎn)測量

常規(guī)蒸汽、壓縮空氣、燃?xì)狻⒛�結(jié)水等可選擇差壓類流量計(jì)或者渦街流量計(jì)等，差壓類的平衡流量計(jì)( 也稱為多孔孔板流量計(jì)) 。它是把整流器和標(biāo)準(zhǔn)孔板結(jié)合而成，平衡測量計(jì)對傳統(tǒng)的節(jié)流裝置進(jìn)行了極大的改進(jìn)，平衡流量計(jì)具有對稱多孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能對流場進(jìn)行平衡，降低了渦流、振動和信號噪聲，大幅提高流場穩(wěn)定性。因流場平衡，調(diào)整穩(wěn)定，壓力恢復(fù)快，大大縮短了對直管段的要求。采用多孔對稱的平衡設(shè)計(jì)，減少了渦流的形成和紊流摩擦，降低了動能損失，并降低了滯流死區(qū)的形成，保證臟污介質(zhì)順利通過多個孔，從而減小了流體孔被堵塞的機(jī)會。干凈流體也可選擇渦街流量計(jì)，渦街流量計(jì)采用卡門渦街原理。量程寬，非常高可達(dá) 1 ∶ 30，優(yōu)于節(jié)流裝置的 1 ∶ 10，精度高可達(dá) 1 級精度等優(yōu)點(diǎn)。但對管道機(jī)械振動均較敏感，不宜用于強(qiáng)震動場所。 

 

2. 4 化水車間的難點(diǎn)測量

此工藝段的大多介質(zhì)屬于普通水和化學(xué)溶液，基本都可導(dǎo)電，所以可選擇電磁流量計(jì)來測量。電磁流量計(jì)在我國工業(yè)、制造業(yè)及其他行業(yè)的應(yīng)用十分廣泛，在液體流量測量方面起到了不可替代的重要作用。電磁流量計(jì)已經(jīng)發(fā)展了幾十年，目前市場上主流的電磁流量計(jì)以國產(chǎn)和合資產(chǎn)品居多，且電磁流量計(jì)是一個非常成熟的產(chǎn)品。電磁流量計(jì)滿度流量時液體流速可在 1 m/s ～ 10 m/s 范圍內(nèi)選用，范圍比較寬。針對導(dǎo)電液體的測量，電磁流量計(jì)是性價(jià)比較高的一種，精度和穩(wěn)定性在流量儀表系列中都屬于偏中高等級。 

 

3 結(jié)束語

總之，火力發(fā)電廠的流體介質(zhì)有一定的特殊性，要根據(jù)介質(zhì)的各項(xiàng)工藝參數(shù)和指標(biāo)來選擇非常合適的流量儀表。現(xiàn)場流量儀表是工藝生產(chǎn)的眼睛，流量儀表的穩(wěn)定運(yùn)行與生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行息息相關(guān)。在各類新型流量儀表快速發(fā)展的今天，只有將流量儀表選擇非常優(yōu)的測量方案，才可保證火力發(fā)電廠的可靠穩(wěn)定運(yùn)行生產(chǎn)。