王 野，冷 杰，王 強，童 剛

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

運用動態(tài)參數(shù)測量計算風(fēng)機風(fēng)量技術(shù)研究與應(yīng)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(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

在國內(nèi)外火電廠大型鍋爐風(fēng)機設(shè)備中，存在風(fēng)量測量裝置系統(tǒng)復(fù)雜、測量精度低、可靠性不高、系統(tǒng)阻力損失增大及對風(fēng)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(fēng)機風(fēng)量測量計算技術(shù)，該項技術(shù)主要是運用理論計算方法，將風(fēng)機現(xiàn)有的運行參數(shù)輸入PLC數(shù)控裝置，計算得到風(fēng)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(fēng)機運行工況功能。

鍋爐風(fēng)機；風(fēng)量計算；在線監(jiān)測；風(fēng)機效率

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

風(fēng)機風(fēng)量是風(fēng)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(fēng)機設(shè)備中，風(fēng)量測量裝置均安裝在入口或出口風(fēng)道里，其主要形式有機翼型風(fēng)量測量裝置、文丘里風(fēng)量測量裝置、多點式風(fēng)速風(fēng)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(fēng)量[2]。該方式系統(tǒng)復(fù)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(fēng)機運行工況不能做到直觀監(jiān)視。

對于大型鍋爐風(fēng)機，由于出入口風(fēng)道截面積很大，直管道布置較短，不適合安裝風(fēng)量測量裝置，因此很多風(fēng)機均沒有安裝此裝置，現(xiàn)有一次風(fēng)機的總風(fēng)量是根據(jù)各臺磨煤機入口風(fēng)量疊加而成的。由于鍋爐一次風(fēng)經(jīng)過回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器時，向煙氣側(cè)和二次風(fēng)側(cè)漏風(fēng)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(fēng)機運行中，如調(diào)節(jié)不當(dāng)容易發(fā)生失速或喘振問題，喘振會造成風(fēng)機風(fēng)量大幅度波動，可能引起鍋爐甩負荷(RB)動作，而且還會使風(fēng)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(fēng)機風(fēng)量測量計算技術(shù)主要是運用理論計算方法，將風(fēng)機現(xiàn)有的運行參數(shù)輸入PLC風(fēng)量計算裝置，計算得到風(fēng)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(fēng)機運行工況功能。應(yīng)用該項技術(shù)可以有效防止風(fēng)機喘振發(fā)生，省去風(fēng)機風(fēng)量測量裝置，對減少風(fēng)機安裝維護成本，提高安全運行可靠性，提高風(fēng)機效率和節(jié)能減排起到重要作用。

1 風(fēng)機風(fēng)量測量計算技術(shù)

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

測量計算技術(shù)主要是將現(xiàn)場DCS控制系統(tǒng)風(fēng)機運行參數(shù)輸入到風(fēng)機風(fēng)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(guān)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(fēng)機風(fēng)量；該測量計算裝置安裝簡單，風(fēng)機風(fēng)量測量計算誤差小，信號穩(wěn)定，沒有現(xiàn)場維護量；在風(fēng)機風(fēng)量特性曲線圖上設(shè)置1個光標，實時監(jiān)視風(fēng)機運行工況點，使風(fēng)機在設(shè)計安全工作區(qū)內(nèi)運行。該測量計算裝置還具有喘振預(yù)警功能，當(dāng)風(fēng)機運行偏離正常工作點將要發(fā)生喘振時，發(fā)出喘振預(yù)警信號。

2 風(fēng)機風(fēng)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(fēng)、燃燒調(diào)整要求也越加嚴格。因此，對風(fēng)機風(fēng)量測量的準確性和可靠性、在線監(jiān)測以及預(yù)防風(fēng)機喘振等方面提出了更高要求。評價風(fēng)量測量裝置性能優(yōu)劣的關(guān)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(fēng)裝置種類很多，應(yīng)用較多的類型有機翼型風(fēng)量測量裝置、文丘里風(fēng)量測量裝置、多點式風(fēng)速風(fēng)量測量裝置等。傳統(tǒng)風(fēng)量測量裝置結(jié)構(gòu)、原理及技術(shù)特點與新型風(fēng)機風(fēng)量測量計算裝置比較如下。

a.測量原理比較

傳統(tǒng)的風(fēng)量測量裝置均靠安裝在風(fēng)道里的測試元件來測量風(fēng)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(fēng)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(jié)構(gòu)比較

從風(fēng)量測量裝置結(jié)構(gòu)上看，傳統(tǒng)風(fēng)量測量裝置系統(tǒng)安裝復(fù)雜，安裝技術(shù)條件要求較高，由于在風(fēng)道里安裝了測量元件，致使管道阻力增加，風(fēng)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(jié)構(gòu)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(fēng)機運行經(jīng)濟性。

c.測量技術(shù)特點比較

由于風(fēng)道截面積較大，流場不均勻，多數(shù)風(fēng)量測量裝置無法準確測量出管道內(nèi)的平均風(fēng)量，故多數(shù)傳統(tǒng)風(fēng)量測量裝置普遍存在風(fēng)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(fēng)機風(fēng)量特性曲線為基礎(chǔ)，又經(jīng)過實測風(fēng)量的校驗和修正，因此，該風(fēng)量測量計算裝置的計算精度要高于其它傳統(tǒng)風(fēng)量測量裝置。

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

3 風(fēng)量理論計算

3.1 計算理論依據(jù)

風(fēng)機風(fēng)量測量計算技術(shù)的理論基礎(chǔ)是來自泵與風(fēng)機的相似理論。相似理論廣泛應(yīng)用在許多科學(xué)領(lǐng)域，在泵與風(fēng)機的設(shè)計、運行和整理數(shù)據(jù)等工作中也以相似理論作為基礎(chǔ)。

經(jīng)驗表明，根據(jù)相似理論，當(dāng)泵與風(fēng)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(dāng)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速改變時、壓力及流量存在如下關(guān)系式：

(1)

(2)

對于同一臺泵或風(fēng)機，如果輸送的流體不變，風(fēng)機的風(fēng)量比正比于轉(zhuǎn)速比，風(fēng)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(fēng)機之間的風(fēng)量、轉(zhuǎn)速、揚程等性能參數(shù)進行換算，也可以對1臺風(fēng)機在不同轉(zhuǎn)速或相同轉(zhuǎn)速下的風(fēng)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(fēng)量的定速風(fēng)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(guān)系，編寫計算數(shù)學(xué)模型，將已知的風(fēng)機轉(zhuǎn)速、出口壓力、入口壓力、入口風(fēng)溫及動葉轉(zhuǎn)角等參數(shù)輸入到數(shù)學(xué)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(fēng)機在不同轉(zhuǎn)速或動葉轉(zhuǎn)角下，流過風(fēng)機的風(fēng)量。數(shù)學(xué)模型主要是依據(jù)廠家設(shè)計的風(fēng)機風(fēng)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(fēng)量，曲線族表示風(fēng)機動葉轉(zhuǎn)角。編制計算關(guān)系，即風(fēng)機在動葉轉(zhuǎn)角不變情況下，比功的變化與風(fēng)機風(fēng)量的變化為單值函數(shù)關(guān)系。

風(fēng)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(fēng)量測量面氣體靜壓，Pa；t為風(fēng)量測量面氣體溫度，℃；ρ為風(fēng)量測量面氣體密度，kg/m3；ρ0為標準工況下氣體密度，kg/m3。

風(fēng)機風(fēng)量計算如下：

(6)

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

由于各電廠風(fēng)機風(fēng)道布置走向不同，導(dǎo)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(fēng)機生產(chǎn)廠家在制造加工方面存在一定偏差，因此，風(fēng)機的實際運行特性與設(shè)計特性就必然存在偏差。為了使測量計算風(fēng)量更接近實際風(fēng)量，對測量計算風(fēng)量進行修正和校對，即在相同工況下，用皮托管測取風(fēng)機實際風(fēng)量，將計算結(jié)果與實測結(jié)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(fēng)量與實測風(fēng)量偏差較小，其風(fēng)量變化關(guān)系基本符合風(fēng)機風(fēng)量設(shè)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(fēng)機上進行的，將PLC計算裝置安裝在鍋爐一次風(fēng)機控制系統(tǒng)中，接入輸入信號包括風(fēng)機入口風(fēng)壓、風(fēng)機出口風(fēng)壓、風(fēng)機入口風(fēng)溫、風(fēng)機出口風(fēng)溫、風(fēng)機動葉轉(zhuǎn)角、風(fēng)機電流及其他輔助參數(shù)；輸出信號包括風(fēng)機計算風(fēng)量、風(fēng)機喘振余量、風(fēng)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(fēng)機測試系統(tǒng)中，用理論計算方法得出風(fēng)量結(jié)果與用皮托管方式測量風(fēng)量數(shù)據(jù)進行比較如表1所示。

表1 風(fēng)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(fēng)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(fēng)機動葉轉(zhuǎn)角設(shè)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(shè)計值的23.8%；一次風(fēng)機計算風(fēng)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(fēng)量與現(xiàn)場皮托管測量風(fēng)量比較，最大偏差小于5 t/h。如果按測量誤差比較分析，風(fēng)量測量上限為1 000 t/h，計算風(fēng)量相對誤差<0.5%，國標要求<3%，計算誤差小于國標的6倍?？梢姡L(fēng)機風(fēng)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(fēng)量值完全可靠。

4.3 計算風(fēng)量與現(xiàn)場顯示風(fēng)量偏差

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

一次風(fēng)總風(fēng)量平均分配給2臺一次風(fēng)機，計算風(fēng)量值與1臺風(fēng)機風(fēng)量值進行比較如表2所示。

表2 風(fēng)機風(fēng)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(fēng)總風(fēng)量分別為593.90 t/h，606.30 t/h和605.30 t/h；如果將總風(fēng)量平均分配，則每臺風(fēng)機風(fēng)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(fēng)機計算流量分別為492.67 t/h，520.24 t/h和540.41 t/h；風(fēng)量偏差分別為195.72 t/h，217.09 t/h和237.76 t/h。

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

由表2可知，機組負荷在541 MW時，一次風(fēng)機出口風(fēng)量為540.41 t/h，最大漏風(fēng)達237.76 t/h，漏風(fēng)量已超過風(fēng)機出口風(fēng)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(fēng)量不能作為一次風(fēng)機的風(fēng)量。運行中一次風(fēng)總風(fēng)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(fēng)量方法取代現(xiàn)有畫面疊加風(fēng)量方法非常必要。

5 應(yīng)用分析

a.實用性

風(fēng)機在火力發(fā)電廠中具有極其重要地位，引風(fēng)機、送風(fēng)機、一次風(fēng)機一旦出現(xiàn)問題，將會影響機組負荷。因此，應(yīng)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(fù)雜性等方面問題，機組風(fēng)機沒有安裝風(fēng)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(fēng)機喘振也無法做到提前預(yù)警。該測量計算裝置不需要對風(fēng)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(fēng)機風(fēng)量數(shù)據(jù)和風(fēng)機運行工況傳送到風(fēng)機風(fēng)量特性在線監(jiān)測畫面上。這對及時發(fā)現(xiàn)風(fēng)機運行問題，指導(dǎo)運行操作極為重要[7]。該測量計算裝置可以反復(fù)利用，即只需一套硬件就可以測量計算多臺風(fēng)機風(fēng)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(fēng)量測量裝置需要在風(fēng)道中安裝一次測試元件，由于測量元件受到風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(shè)有風(fēng)機運行工況實時在線監(jiān)視功能，對風(fēng)機運行發(fā)生失速和喘振故障能做到提前預(yù)警，這樣可以避免風(fēng)機由于發(fā)生喘振故障給機組造成的經(jīng)濟損失。參照風(fēng)量特性曲線圖，還可指導(dǎo)運行人員調(diào)整風(fēng)機運行工況，使之靠近高效區(qū)運行，以提高風(fēng)機效率。應(yīng)用該項測量計算技術(shù)，還可以減少風(fēng)機風(fēng)道阻力損失，及時發(fā)現(xiàn)空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)量變化，以減小風(fēng)機電流，降低廠用電率，提高電廠經(jīng)濟性。

d.應(yīng)用前景

火電廠每臺機組的鍋爐均配有6臺大型風(fēng)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(yīng)用前景廣泛。

6 結(jié)束語

該項測量計算技術(shù)根據(jù)相似定律理論設(shè)計而成，程序中還設(shè)計了多項技術(shù)措施來保證計算數(shù)據(jù)可靠。程序中設(shè)計的實時在線監(jiān)測功能，可以對風(fēng)機喘振預(yù)警功能及風(fēng)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(shù)分析數(shù)據(jù)，為風(fēng)機安全經(jīng)濟運行奠定基礎(chǔ)。該風(fēng)機風(fēng)量測量計算裝置已經(jīng)投入應(yīng)用，風(fēng)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(fēng)機風(fēng)量測量裝置。

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

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

[3] 徐 辰，楊愛玲，毛義軍，等.離心風(fēng)機噪聲預(yù)測方法的進展與分析[J].流體機械,2011,39(7):35-40.

[4] 程俊驥.泵與風(fēng)機運行檢修[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2012.

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

[6] 吳達人.泵與風(fēng)機[M]．西安：西安交通大學(xué)出版社，1989.

[7] 昌澤舟，張余潔，李智勇,等.大風(fēng)量高效低噪噴霧軸流通風(fēng)機的優(yōu)化設(shè)計[J].風(fēng)機技術(shù),2008,50(4):27-30.

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)