CN101470015B - 热示踪型二次风量测量方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热示踪型二次风量测量方法及其系统。本发明在二次风道内设置布气管和检测管，布气管与风门的长度L4是二次风道管径L3的0.5～0.75倍之间；被示踪剂流量计精确计量的示踪剂通过布气管注入被测二次风道的主流中，在通道中充分混合后，在下游由检测管检测出示踪剂热参数，示踪剂流量和示踪剂热参数被控制箱采集，通过能量和质量守恒计算出二次风流量并输出。本发明在二次风道没有足够长的直管段的特殊场合下应用，即不受二次风道的短通道结构的限制；由于示踪剂的流量、温度等热参数可以精确测量，所以计算得到的二次风流量精度高；只要持续提供示踪剂就可以在线得到二次风流量数据。

Description

热示踪型二次风量测量方法及其系统

一技术领域

本发明属于工业燃烧设备的二次风流量测量技术，特别是一种热示踪型二次风量测量方法及其系统。

二背景技术

工业燃烧设备中，二次风是单独送入炉膛的空气，各个二次风道的空气流量以及流量分配状况，直接影响到炉膛内的空气动力场和温度场。为了满足着火、火焰稳定、负荷调节、过热汽温调节、防止结焦结渣、控制NO_x生成率、燃烧效率优化等运行要求，必须合理地配置各个二次风通道的流量，而实现合理配置二次风的前提是能够对二次风的流量进行在线测量。

按照测量原理，常规的工业流量测量装置通常分为三类：容积型、速度型和质量型流量计。容积型流量计由于阻力太大，不适宜于二次风的流量测量；燃烧设备中，二次风口的数量很多，质量流量计(比如哥氏流量计)由于价格昂贵，也无法大规模应用。因此，常规的测量装置中，就只有速度型测量元件有可能可以用于二次风的流量测量。

二次风的流量测量的限制性因素是通道结构不能满足常规的速度型测量元件的要求。通常，速度型流量传感器，比如毕托管、笛型管、孔板、喷嘴、靶式、涡轮、涡街、热球、热线、超声等传感器，用于测量通道流量时，都对通道内的流速分布敏感，因此要求有足够长的直管段，以保证通道内达到充分发展后的稳定流速分布。一般要求是，测点上游有10倍管径的直管段，测点下游有5倍管径的直管段，这种要求对于工业燃烧设备中的二次风通道结构是不可能被满足的，比如对于一个截面当量直径为400mm的二次风道，按照上述要求，测点需要6米长的直管段，现场的二次风道不可能满足这样的直管段长度要求。在直管段不足时，测点处的流速分布未达到充分发展，流速分布是与通道流量相关的未知函数，传感器得到的信号与流量之间的关系也是未知的，甚至可能是多值函数关系。而实际情况是，工业燃烧设备中的二次风通道的测点位置处于二次风箱和炉膛之间的一个短通道中，这个短通道内还要设置风门(通常是蝶阀)，直管段长度接近于零，测点处于强烈的涡流区，在这样的测点位置如果布置上述速度型传感器，其结果不仅是传感器输出信号与通道流量之间的关系未知，而且传感器根本不能输出稳定的信号，得到的信号输出近于噪音。即使采取各种工艺措施，使得传感器能够输出稳定信号，也可能出现多值问题——由于流速分布的多变性造成一个输出信号数值对应多个通道内的流量。

综上所述，二次风道内的流量测量必须建立在一种与通道内的流速分布无关的测量原理的基础之上，并且要考虑到阻力和价格的限制。如上所述，常规的三类工业流量测量装置(容积型、速度型和质量型)都不能满足以上要求。

示踪法作为一种非常规的流量测量方法，在矿井通风、机舱换气等场合的流量测量已经被广泛使用，但是应用于燃烧设备的二次风道，却存在一些特殊问题。首先，在示踪剂的选择上，要考虑价格以及耐高温性能；其次，下游的浓度测量仪表必须是廉价的，并且具有较高的精度；最后，必须采取特殊措施，保证在一个短通道内注入的示踪剂在到达下游取样点时已经与主流气体混合均匀，使得系统具有合理的测量精度。

预先标定二次风流量与风门开度的关系，然后在使用过程中通过开度确定风量，这也是一种经典的方法，目前得到广泛使用。这种经典方法的实施过程如下：对某待测二次风道，冷态条件下测出各种工况下风门前的风道静压和风门开度，同时在炉膛内的风口上测量风口的流速，利用以上数据拟合出二次风速与风道静压和风门开度之间的函数关系，并在热态条件下引用该关系作为风门调整的依据。该经典方法的缺点有三条：首先，一个风道的静压和风门开度是否能决定该风道的风量，理论依据不足；其次，对于二次风道的结构而言，大口径的短风道在风门之前取出的静压信号极其不稳定，该信号基本没有实用价值；最后，该方法只能在冷态下标定，热态条件下的误差无法估计。所以，该经典方法只是一种定性测量方法，基本没有定量测量的价值。

三发明内容

本发明的目的在于提供一种通过示踪法对短通道结构二次风流量进行在线精确测量的方法及其系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种热示踪型二次风量测量方法，在二次风道内设置布气管和检测管，布气管与风门的长度L4是二次风道管径L3的0.5～0.75倍之间；被示踪剂流量计精确计量的示踪剂通过布气管注入被测二次风道的主流中，在通道中充分混合后，在下游由检测管检测出示踪剂热参数，示踪剂流量和示踪剂热参数被控制箱采集，通过能量和质量守恒计算出二次风流量并输出。

一种实现上述的热示踪型二次风量测量方法的系统，包括示踪剂流量计、布气管、检测管和控制箱，其中示踪剂流量计和布气管为示踪剂注入系统，检测管和控制箱为测控系统，在二次风道内设置布气管和检测管，布气管与风门的长度L4是二次风道管径L3的0.5～0.75倍之间；被示踪剂流量计精确计量的示踪剂通过布气管注入被测二次风道的主流中，在通道中充分混合后，由检测管检测出示踪剂热参数，示踪剂流量和示踪剂热参数被控制箱采集，通过能量和质量守恒计算出二次风流量并输出测量结果。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)通过在二次风道内设置布气管和检测管，利用能量和质量守恒计算出二次风流量并输出，可用于不同二次风道中二次风的测量，即使在二次风道没有足够长的直管段的特殊场合下使用，即不受二次风道的短通道结构的限制；(2)由于示踪剂的流量、温度等热参数可以精确测量，所以计算得到的二次风流量精度高；(3)安装方便，初期投资和日常维护成本低，采用数字化控制，可很方便地与其它控制系统实现数据共享，一旦安装后，只要持续提供示踪剂就可以在线得到二次风流量数据。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

四附图说明

图1是本发明热示踪型二次风量测量系统的构成示意图。

图2是本发明的布气管结构示意图。

图3是本发明针对实施例1的热示踪测量系统示意图。

图4是图3的A局部放大图。

图5是本发明针对实施例2的盐水示踪剂的热示踪测量系统示意图。

五具体实施方式

单纯从技术上看，二次风道21内使用示踪法测量流量的关键在于示踪剂的注入方式。原则上讲，只要选择合理的布气方法，可以保证在任意条件下，通道下游达到示踪剂均匀分布。但是，二次风道21的特殊之处在于，它是一组并联的大口径短通道，通道内的流场多变，决定了示踪剂在主流中的混合条件极其复杂。实际上，有三个因素影响到二次风道21内部的流场：通道入口处的流速分布、通道的几何结构以及风门22开度。这三个因素中，有两个是在线可变的：除了风门22开度可变之外，通道入口处的流速分布也是可变的，该流速分布不仅取决于二次风箱20的结构，还取决于相邻二次风道21的风门开度。在如此复杂多变的流场中组织示踪剂在主流中的混合过程，并保证在到达下游取样口之前示踪剂在主流中达到混合均匀，是十分困难的。

本发明提出热示踪型二次风量测量方法是在二次风道21内设置布气管2和检测管3，布气管2与风门22的长度L4是二次风道管径L3的0.5～0.75倍之间；被示踪剂流量计1精确计量的示踪剂通过布气管2注入被测二次风道21的主流中，在通道中充分混合后，在下游由检测管3检测出示踪剂热参数，示踪剂流量和示踪剂热参数被控制箱4采集，通过能量和质量守恒计算出二次风流量并输出。二次风道21的直管段长度可以小于5倍二次风道管径L3。

结合图1，本发明实现上述的热示踪型二次风量测量方法的系统，包括示踪剂流量计1、布气管2、检测管3和控制箱4，其中示踪剂流量计1和布气管2为示踪剂注入系统，检测管3和控制箱4为测控系统，在二次风道21内设置布气管2和检测管3，布气管2与风门22的长度L4是二次风道管径L3的0.5～0.75倍之间；被示踪剂流量计1精确计量的示踪剂通过布气管2注入被测二次风道21的主流中，在通道中充分混合后，由检测管3检测出示踪剂热参数(如温度、热焓)，示踪剂流量和示踪剂热参数被控制箱4采集，通过能量和质量守恒计算出二次风流量并输出测量结果。决定系统成本的决定性因素是守恒量和示踪剂的选择。原则上讲，只要在二次风中的本底浓度低、毒性可以接受、二次风温度水平上稳定不分解的物质都可以作为示踪剂使用。根据守恒量的不同，检测管中被检测的物理量(广义浓度)也各有差异，比如：以总焓为守恒量时，对应的示踪系统就是热示踪，检测管中被检测的物理量是温度；以示踪剂质量流率为守恒量时，对应的示踪系统就是常规的浓度示踪，检测管中被检测的物理量是示踪剂的浓度。

结合图2，本发明热示踪型二次风量测量系统的布气管2由进气管5和设置在进气管5管壁上的喷嘴6组成，根据通道截面大小和布气流量确定布气管径以及喷嘴的口径和数目。与布气效果相关的结构参数有布气管径D、喷嘴的口径d、喷嘴数目n、喷嘴列数(图2中示出的结构为2列，根据具体条件也可以是多列)、喷嘴间距L1、喷嘴角度β、布气管2与二次风箱20的距离L2、二次风道管径L3、布气管2与风门的长度L4。在确定了布气流量的范围后，按照以下原则确定布气结构参数：布气管径D保证对于气相示踪剂的管内流速不大于10m/s，对于液相示踪剂的管内流速不大于2m/s；喷嘴的口径d和喷嘴数目n，保证示踪剂的喷出速度对于气相在20～50m/s之间或对于液相为50～100m/s之间；喷嘴间距L1在50～100mm之间；喷嘴角度β在120°～150°之间，布气管2与二次风箱的距离L2在50～100mm之间；二次风道管径L3与布气管2与风门的长度L4的比值在0.5～0.75之间。上述布气管径D与流速的关系为：流速＝4流量/πD²，如果是喷嘴的口径d，则为流速＝4n流量/πd²，n为喷嘴数目。以上结构参数的设计原则是充分考虑了二次风道的入口流场特征和风门对流场的扰动，以及示踪剂射流在主流中的扩散过程，通过模型试验和现场验证得到的。按照以上结构参数设计布气管，就可以保证示踪剂在主流中达到均匀混合。

结合图3和图4，本发明热示踪型二次风量测量系统，如果选择冷空气为示踪剂，由过滤器8、冷风总管9、冷风联箱12、冷风支管13、注气管15构成冷风的定量注入系统；由冷风流量计10、冷风调节阀11、电动截止阀14、冷风温度计16、热风温度计17、控制箱4构成测控系统，注入系统与测控系统协同工作，完成二次风量的在线测量，即冷空气通过过滤器8进入冷风总管9，在冷风总管9上设置冷风流量计10，由冷风流量计10计量冷风流量，通过冷风调节阀11进入冷风联箱12，通过每个冷风联箱12上的多个冷风支管13、电动截止阀14进入注气管15，最终进入二次风道21，冷风温度计16设置在注气管15上测量冷风温度；进入二次风道21的冷风在通道中充分混合后，在下游由热风温度计17检测出混合后的热风温度，冷风流量、冷风温度和热风温度三个参数被控制箱4采集。注气管15为布气管2中的一种，热风温度计17为检测管3中的一种。

结合图5，本发明热示踪型二次风量测量系统，可以在风门22上阀位传感器23设置，常规流量计24设置在二次风箱20上测量热风的流量，被精密流量计25精确计量的示踪剂通过注气管15注入被测二次风道的主流中，在通道中充分混合后，由温度计17检测出混合后的温度，热风的流量、示踪剂流量和示踪剂温度被控制箱4采集，并通过能量和质量守恒计算出二次风流量并输出测量结果，将精密流量计25、注气管15、温度计17、控制箱4做成一体成为可便携的热态标定系统。

以某670t/h煤粉锅炉为对象来讨论。该锅炉燃烧器采用四角布置，二次风系统的配置以及设计参数为：送风机出口压头为6KPa，空气预热器出口的热风从热风总管分别送入炉膛四角的二次风箱，各二次风箱上引出8个二次风支路送入各二次风喷口，四角共计有8层32个二次风喷口。二次风的设计参数为：热风温度T1＝300℃，各喷口流量3000～20000Nm³/h。二次风喷口编号为F_ij，下标i表示风箱号(i＝1～4)，j表示该风箱上的风口号(j＝1～8)。

实施例1

如附图3所示，虚线箭头表示该路信号接入控制箱4。该测量系统采用热示踪法实现二次风流量的程序化测量，选择的示踪剂为冷空气。从送风机7出口(空气预热器之前)的高压头(大约为6KPa)冷空气，通过过滤器8、冷风总管(管径DN150)9，送入炉膛四角的四根冷风联箱12(管径DN150)，每个冷风联箱上接出八根冷风支管13(管径DN100)，再接入安装在的二次风道21(从各角二次风箱20引出、内置风门22并送入炉膛)上的注气管15(管径DN50、喷嘴的口径d＝5mm、喷嘴数目n＝20、喷嘴列数为2列、喷嘴间距L1＝60mm、喷嘴角度β＝150°、布气管位置参数L2＝100mm、L3/L4＝0.7)，以上设备(8、9、12、13、15)构成了冷风的定量注入系统。在冷风总管9的管道上安装有冷风流量计10和冷风调节阀11，在各冷风支管上设置有电动截止阀14，在各注气管15内安装有冷风温度计16，在各二次风道的下游安装有热风温度计17，其中10、16、17构成的传感器共三十三路在线信号通过安装在控制箱4内的工业控制模块实现模数转换后送入工业控制计算机18，工业控制计算机18给出的控制信号通过PLC(可编程控制器)19输出三十三路模拟信号到电动截止阀14和冷风调节阀11以实现对各个阀门的控制，以上设备(4、10、11、14、16、17、18、19、20)构成了测控系统。该系统在测量时，开启三十二路电动截止阀中的一个，其余三十一个电动截止阀处于截止状态。比如需要在线测量F11号二次风道的热风流量时，工业控制计算机18给出的控制信号通过PLC(可编程控制器)19执行以下操作：将处于全闭状态的F₁₁号电动截止阀打开，使它处于全开状态，其余三十一个电动截止阀F_ij(i≠1，j≠1)处于全闭状态，同时工业控制计算机18通过控制箱4中的数据采集模块连续采集F₁₁号二次风道上的冷风温度计的冷风温度、热风温度计的热风温度T1和冷风流量计的冷风流量Q₀，设F₁₁号电动截止阀打开之前的热风温度为T0、F₁₁号电动截止阀打开之后的热风温度为T1、冷风温度为T、冷风流量为Q₀，此时连续调节冷风调节阀11直至(T1-T0)＝5±0.5℃的范围内，则被测的热风流量Q可以按照式(1)计算：

$Q=\frac{h_1-h_0}{h-h_1}{Q}_0---\left(1\right)$

式中，h、h₀、h₁分别为温度为T、T0、T1时空气的比焓。空气的比焓是空气温度的函数，该函数关系已经存储在工业控制计算机中，应用程序可以随时调用。按照以上测控程序，就可以完成F₁₁号二次风道的在线流量测量。需要说明的是，测量中之所以要通过冷风调节阀将冷风流量调节到满足温差条件(T1-T0)＝5±0.5℃，是为了保证测量精度：该温差过大，表明冷风流量很大，可能干扰二次风道内的流场从而降低测量精度；该温差过小，表明冷风流量很小，此时很小的温度测量误差都可能引起很大的流量测量误差。因此，恰当控制温差是保证测量精度的一个必要条件。

按照上述的方法，可以完成任意一个二次风道的流量在线测量。实际测量过程中，可以根据需要设定测量程序。比如，每经过一次燃烧状态的调整，就可以执行一个测量程序，依次完成三十二个二次风道的流量测量，测量结果保存在工业控制计算机中随时可以调用显示。再比如，运行中想要知道第一层二次风是否均衡，就可以执行一个针对该层四个二次风道F_il(i＝1～4)的流量测量程序，并根据测量结果决定是否进行风门调整。

实施例2

如附图4所示。该测量系统选择除盐水为示踪剂，采用热示踪法标定二次风流量与风门开度的函数关系，进一步通过二次风箱总流量和风门开度信号完成对二次风流量的在线测量。

如附图4所示的实施例是一种通过标定风门开度获取流量的方法，但是完全克服了背景技术中经典方法的三条缺点，其系统构成为：某角燃烧器的二次风箱20的进口设置有常规流量计24，该流量计指示该角的总二次风量(由于该测点位置有较长的直管段，因此可以使用常规的流量测量手段)；该角的各个二次风道的风门转轴上安装有精确的阀位传感器23；流量计24和阀位传感器23的信号通过数据采集模块接入工业控制计算机，数据采集模块和工业控制计算机都安装在控制箱4内。以上设备构成了二次风量的在线测量系统。比如对第i号角进行测量时，流量计24输出的在线流量为Q_i、阀位传感器23输出的在线阀位为X_ij(j＝1～8)，则该角的各个二次风道的在线流量Q_ij在工业控制计算机中按照式(2)计算并输出：

$\frac{Q_{\mathrm{ij}}}{Q_i}=f\left(X_{\mathrm{ij}}\right),j=1~8---\left(2\right)$

该式是一个多元方程，有八个自变量，它表示某通道的实际流量不仅是该通道阀位的函数，也是该角总流量和该角其余各个二次风道的阀位的函数。每个二次风道的流量对应一个方程，通过标定获取的各个方程存储在计算机中，在线测量时调用该方程即可。

以上配置的二次风测量系统，克服了经典测量方法中的第一项与第二项缺点，测量的关键转变为如何准确地获取各二次风道的流量方程，以克服经典方法中的第三个缺点，这就需要一种能够在热态条件下使用的流量标定装置。本发明提出，采用热示踪的方法进行热态标定，选用的示踪剂为锅炉水处理系统生产的除盐水，标定系统如附图4所示：除盐水通过柱塞泵升压到7.0MPa的压力，经过精密流量计25后送入注气管15(管径DN20、喷嘴的口径d＝0.1mm、喷嘴数目n＝10、喷嘴列数为2列、喷嘴间距L1＝100mm、喷嘴角度β＝150°、布气管位置参数L2＝100mm、L3/L4＝0.7)，除盐水从注气管的喷嘴中喷入待标定的二次风道的热风中，雾化蒸发后(雾化粒径＜10um)成为水蒸气汇入主流，并使得主流温度下降，主流温度由布置在待标定的二次风道下游的热风温度计17测出。精密流量计25和热风温度计17的信号通过控制箱4送入工业控制计算机。设精密流量计的指示示踪水流量为q，喷水前的主流温度为T0，喷水后主流的稳定温度为T，则待标定的二次风道的实时流量Q_ij可以按照式(3)计算：

$Q_{\mathrm{ij}}=\frac{{\mathrm{qh}}_s}{h_0-h}---\left(3\right)$

式中，h₀、h、h_s分别表示温度为T0时空气的比焓、温度为T时空气的比焓、温度为T时水蒸气的比焓。在不同的风门开度组合下重复以上标定过程，就可以在计算机中拟合出待标定的二次风道的流量方程，从而完成二次风道的热态标定。15、17、25组成的标定系统在标定结束后可以拆除。

Claims (6)

1.一种热示踪型二次风量测量方法，其特征在于：在二次风道[21]内设置布气管[2]和检测管[3]，二次风道管径L3与布气管[2]与风门的长度L4的比值在0.5～0.75之间；被示踪剂流量计[1]精确计量的示踪剂通过布气管[2]注入被测二次风道[21]的主流中，在通道中充分混合后，在下游由检测管[3]检测出示踪剂热参数，示踪剂流量和示踪剂热参数被控制箱[4]采集，通过能量和质量守恒计算出二次风流量并输出。

2.根据权利要求1所述的热示踪型二次风量测量方法，其特征在于：二次风道[21]的直管段长度小于5倍二次风道管径L3。

3.一种实现权利要求1所述的热示踪型二次风量测量方法的系统，其特征在于包括示踪剂流量计[1]、布气管[2]、检测管[3]和控制箱[4]，其中示踪剂流量计[1]和布气管[2]为示踪剂注入系统，检测管[3]和控制箱[4]为测控系统，在二次风道[21]内设置布气管[2]和检测管[3]，布气管[2]与风门[22]的长度L4是二次风道管径L3的0.5～0.75倍之间；被示踪剂流量计[1]精确计量的示踪剂通过布气管[2]注入被测二次风道[21]的主流中，在通道中充分混合后，由检测管[3]检测出示踪剂热参数，示踪剂流量和示踪剂热参数被控制箱[4]采集，通过能量和质量守恒计算出二次风流量并输出测量结果。

4.根据权利要求3所述的热示踪型二次风量测量系统，其特征在于：布气管[2]由进气管[5]和设置在进气管[5]管壁上的喷嘴[6]组成，与布气效果相关的结构参数有布气管径D、喷嘴的口径d、喷嘴数目n、喷嘴列数、喷嘴间距L1、喷嘴角度β、布气管[2]与二次风箱[20]的距离L2、二次风道管径L3、布气管[2]与风门的长度L4，按照以下原则确定布气结构参数：布气管径D保证对于气相示踪剂的管内流速不大于10m/s，对于液相示踪剂的管内流速不大于2m/s喷嘴的口径d和喷嘴数目n，保证示踪剂的喷出速度对于气相在20～50m/s之间或对于液相为50～100m/s之间；喷嘴间距L1在50～100mm之间；喷嘴角度β在120°～150°之间，布气管[2]与二次风箱的距离L2在50～100mm之间。

5.根据权利要求3所述的热示踪型二次风量测量系统，其特征在于：选择冷空气为示踪剂，由过滤器[8]、冷风总管[9]、冷风联箱[12]、冷风支管[13]、注气管[15]构成冷风的定量注入系统；由冷风流量计[10]、冷风调节阀[11]、电动截止阀[14]、冷风温度计[16]、热风温度计[17]、控制箱[4]构成测控系统，注入系统与测控系统协同工作，完成二次风量的在线测量，即冷空气通过过滤器[8]进入冷风总管[9]，在冷风总管[9]上设置冷风流量计[10]，由冷风流量计[10]计量冷风流量，通过冷风调节阀[11]进入冷风联箱[12]，通过每个冷风联箱[12]上的多个冷风支管[13]、电动截止阀[14]进入注气管[15]，最终进入二次风道[21]，冷风温度计[16]设置在注气管[15]上测量冷风温度；进入二次风道[21]的冷风在通道中充分混合后，在下游由热风温度计[17]检测出混合后的热风温度，冷风流量、冷风温度和热风温度三个参数被控制箱[4]采集。

6.根据权利要求3所述的热示踪型二次风量测量系统，其特征在于：阀位传感器[23]设置在风门[22]上，常规流量计[24]设置在二次风箱[20]上测量热风的流量，被精密流量计[25]精确计量的示踪剂通过注气管[15]注入被测二次风道的主流中，在通道中充分混合后，由温度计[17]检测出混合后的温度，热风的流量、示踪剂流量和示踪剂温度被控制箱[4]采集，并通过能量和质量守恒计算出二次风流量并输出测量结果，将精密流量计[25]、注气管[15]、温度计[17]、控制箱[4]做成一体成为可便携的热态标定系统。

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