CN108469283A - 基于热线风速感测原理的轴流风机流量测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及火电厂轴流风机流量测量领域，提供了一种基于热线风速感测原理的轴流风机流量测量装置及方法，包括设置于叶轮前端的十字测量架，十字测量架由4根探针枝干连接构成；探针枝干上设置测点，测点位置根据等面积环法选取；在测点安装热线风速仪探头；通过调节回路获得与风速对应的电流值，电流值输入数据采集模块转换为数字信号，再输入微处理器对数字信号进行滤波，消除噪音；得到每个测点处的电流值及平均电流值，计算得出局部流速和平均流速；得到轴流风机流量由显示模块和/或数字输出模块输出。本发明通过特有设计结构实现大口径轴流风机流量测量，测量精度高，避免了皮托管测量的堵塞问题；结构简单，易于实现，有利于工业控制应用。
Description
技术领域
本发明涉及火电厂轴流风机流量测量技术领域，特别涉及一种基于热线风速感测原理的轴流风机流量测量装置及方法。
背景技术
在火电厂有大量的叶片式轴流风机，如向锅炉输送空气的送风机、排除锅炉烟气的引风机、输送煤粉的一次风机与二次风机、给脱硫系统提供动力的增压风机、空冷火电厂中作为凝汽器冷却空气驱动设备的空冷风机，驱动介质的流动达到传输物质或换热的效果。这些风机具有口径大、流速低、流量大、流场不均匀、易受干扰等共同特点。
准确地测量风机入口流量对火电厂热工过程控制具有重要的意义，风机入口流量是很多控制系统的控制变量或中间计算变量，如炉膛的负压系统、燃烧控制系统、直接空冷系统，因此轴流风机流量的测量与火电厂的安全性和经济性紧密相关。
近年来，为了提高火电机组效率，进行更深层次的研究，学者开始逐渐关注轴流风机的流场分布。只有在准确测量流体流场的基础上，才可能设计实验来准确地验证其内在关系。
传统流量测量常采用皮托管，其结构简单，方便可靠且价格低廉，但是测速范围窄，仅能测二维流场，且皮托管容易产生堵塞问题。
发明内容
本发明的目的就是克服现有技术的不足，针对轴流风机口径大、流场不均匀、易受干扰等特点，提供了一种基于热线风速感测原理的轴流风机流量测量装置及方法。
热线风速仪探头体积小，对现场流场干扰小，响应快，能测量非定常流速与低流速，能够直接进行测量，无需温度补偿，并实现连续测量，信噪比好，稳定可靠，能够分离和测量三维流场，测量范围比较大，且灵敏度非常高。
本发明的技术方案如下：
一种基于热线风速感测原理的轴流风机流量测量装置，包括设置于轴流风机叶轮前端的十字测量架，所述十字测量架由4根探针枝干连接构成；每根所述探针枝干上设置有若干测点，测点位置根据等面积环法选取；所述探针枝干为中空结构，在所述测点安装用于测量风速的热线风速仪探头。
进一步的，4根所述探针枝干的一端均与轴流风机筒壁连接，另一端通过十字连接件连接为整体；所述十字连接件设置在轴流风机中心轴线处。
进一步的，每个所述热线风速仪探头均通过调节回路获得与风速数据相对应的电流值，电流值输入数据采集模块，将电流信号转换为数字信号，再输入微处理器，对数字信号进行滤波，消除因小风扰动带来的噪音；得到每个测点处的电流值及平均电流值，计算得出局部流速和平均流速；进而得到轴流风机流量，最后由显示模块和/或数字输出模块输出测量结果。
进一步的，测点到轴流风机中心轴线的距离Ri为：
其中i为从中心算起等面积环的编号，n为圆环数，D为风筒直径。
进一步的，流场稳定时，流速与电流值的关系式为：
其中Iw，j为各个测点处的电流值，j为测点编号，Rw为电阻，λf为流体的导热系数，l为热线的长度，Tw为热线表面温度，Tf为主流温度，ρ为流体的密度，cp为定压比热，d为热线直径，vj为各测点流速，Iw为平均电流值，v为平均流速；
轴流风机的轴流流量计算公式为：
Q＝v×A
其中Q为轴流风机流量，v为平均流速，A为风筒截面面积。
进一步的，每根所述探针枝干上设置的测点个数为6个。
本发明还提供了一种基于热线风速感测原理的轴流风机流量测量方法，包括：
在轴流风机叶轮前端设置十字测量架，所述十字测量架由4根探针枝干连接构成；每根所述探针枝干上设置有若干测点，测点位置根据等面积环法选取；所述探针枝干为中空结构，在所述测点安装用于测量风速的热线风速仪探头；
每个所述热线风速仪探头均通过调节回路获得与风速数据相对应的电流值，电流值输入数据采集模块，将电流信号转换为数字信号，再输入微处理器，对数字信号进行滤波，消除因小风扰动带来的噪音；得到每个测点处的电流值及平均电流值，计算得出局部流速和平均流速；进而得到轴流风机流量，最后由显示模块和/或数字输出模块输出测量结果。
进一步的，测点到轴流风机中心轴线的距离Ri为：
其中i为从中心算起等面积环的编号，n为圆环数，D为风筒直径。
进一步的，流场稳定时，流速与电流值的关系式为：
其中Iw，j为各个测点处的电流值，j为测点编号，Rw为电阻，λf为流体的导热系数，l为热线的长度，Tw为热线表面温度，Tf为主流温度，ρ为流体的密度，cp为定压比热，d为热线直径，vj为各测点流速，Iw为平均电流值，v为平均流速；
轴流风机的轴流流量计算公式为：
Q＝v×A
其中Q为轴流风机流量，v为平均流速，A为风筒截面面积。
本发明的有益效果为：通过特有的设计结构实现大口径轴流风机流量测量，提高了测量的精度，避免了皮托管测量流量的堵塞问题。结构简单，易于实现，有利于工业控制应用。
附图说明
图1所示为本发明实施例一种基于热线风速感测原理的轴流风机流量测量装置安装位置(测量截面)示意图。
图2所示为十字测量架及测点布置(每根探针枝干6个测点)示意图。
图3所示控制系统硬件逻辑框图。
图中：1、风筒，2、叶轮，3、叶片，4、电机，5、测量截面，6、十字型测量架，7、十字连接件，8、测点，9、探针支杆，10、热线风速仪L型探头，11、调节回路，12、数据采集模块，13、电源模块，14、微处理器，15、显示模块，16、数字输出模块。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
本发明采用等面积环法布置流速测点原因为：
1、大口径轴流风机风筒内流体流速分布不均匀，测量风筒内平均流速，测点越密集，测量精度越高。但考虑成本问题，在误差允许范围内，仅采用若干个有代表性的测点通过处理得到平均流速。采用等面积环法布置测点，所有圆环面积相等，减少了数据处理的工作量。
2、通过CFD仿真得知，大口径轴流风机风筒内流体流速分布特征为靠近筒壁的区域流动状态复杂，流速随位置变化较大；靠近风筒中心的区域流动状态稳定，流速随位置变化较小。为了更精确地测量平均流速，在流速变化较大的位置多布置测点，而按等面积圆环法布置的测点符合边缘密集，中心稀疏的需求。
如图1所示，轴流风机包括风筒1、叶轮2、叶片3和电机4，在叶轮2前设置测量截面5，本发明实施例基于热线风速感测原理的轴流风机流量测量装置设置在测量截面5处。
如图2所示，在风筒1的筒壁测量截面5上，每隔90°开一个圆孔，圆孔直径比探针枝杆9直径稍大一些，十字型总压探针固定其中，4根探针枝杆9分别从圆孔伸入后用十字连接件7连接构成十字型测量架6。每根探针枝杆上开有6个小孔(本实施例取6个小孔，但并不用于限定本发明的保护范围)，即测点8，测点8位置根据等面积环法选取。
测点到轴流风机中心轴线的距离Ri为：
其中i为从中心算起等面积环的编号，n为圆环数，D为风筒直径。
杆内为空心，用以安装测量风速的热线风速仪L型探头10，每个测点8测得一个风速数据。
热线风速仪测量速度的基本原理是：利用放置在流场中的具有加热电流的金属丝来测量流场中的流速，风速变化会使金属丝的温度发生变化，从而产生电信号而获得风速。恒温式热线风速仪调节回路11的原理是，保持金属丝的温度为某一常数，即保持金属丝的电阻值不变，流速越大时加热电流越大。
如图3所示，将24个调节回路(共24个测点)的电流值输入数据采集模块12，将标准信号转化为数字信号，输入微处理器14。在微处理器14中，进行初步数据处理，如滤波，去除因小风扰动带来的噪声。再由流速与电流值的关系式：
其中Iw，j为各个测点处的电流值，j为测点编号，Rw为电阻，λf为流体的导热系数，l为热线的长度，Tw为热线表面温度，Tf为主流温度，ρ为流体的密度，cp为定压比热，d为热线直径，vj为各测点流速，Iw为平均电流值，v为平均流速。进而得到轴流风机的流量及流场分布情况。轴流流量计算公式为：
其中Q为轴流风机流量，vj为各测点流速，Aj为部分测量截面面积，且有A为风筒截面面积。当采用等面积环法布置测点时，Aj＝An，因此有：
最后由显示模块14及数字输出模块15输出测量结果。
本发明通过特有的设计结构实现大口径轴流风机流量测量。结构简单，易于实现，测量结果准确，有利于工业控制应用。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。
Claims (10)
1.基于热线风速感测原理的轴流风机流量测量装置，其特征在于，包括设置于轴流风机叶轮前端的十字测量架，所述十字测量架由4根探针枝干连接构成；每根所述探针枝干上设置有若干测点，测点位置根据等面积环法选取；所述探针枝干为中空结构，在所述测点安装用于测量风速的热线风速仪探头。
2.如权利要求1所述的轴流风机流量测量装置，其特征在于，4根所述探针枝干的一端均与轴流风机筒壁连接，另一端通过十字连接件连接为整体；所述十字连接件设置在轴流风机中心轴线处。
3.如权利要求1所述的轴流风机流量测量装置，其特征在于，每个所述热线风速仪探头均通过调节回路获得与风速数据相对应的电流值，电流值输入数据采集模块，将电流信号转换为数字信号，再输入微处理器，对数字信号进行滤波，消除因小风扰动带来的噪音；得到每个测点处的电流值及平均电流值，计算得出局部流速和平均流速；进而得到轴流风机流量，最后由显示模块和/或数字输出模块输出测量结果。
4.如权利要求1-3任一项所述的轴流风机流量测量装置，其特征在于，测点到轴流风机中心轴线的距离Ri为：
其中i为从中心算起等面积环的编号，n为圆环数，D为风筒直径。
5.如权利要求3所述的轴流风机流量测量装置，其特征在于，流场稳定时，流速与电流值的关系式为：
其中Iw，j为各个测点处的电流值，j为测点编号，Rw为电阻，λf为流体的导热系数，l为热线的长度，Tw为热线表面温度，Tf为主流温度，ρ为流体的密度，cp为定压比热，d为热线直径，Iw为平均电流值；
轴流风机的轴流流量计算公式为：
Q＝v×A
其中Q为轴流风机流量，v为平均流速，A为风筒截面面积。
6.如权利要求1-3任一项所述的轴流风机流量测量装置，其特征在于，每根所述探针枝干上设置的测点个数为6个。
7.一种基于热线风速感测原理的轴流风机流量测量方法，其特征在于，包括：
在轴流风机叶轮前端设置十字测量架，所述十字测量架由4根探针枝干连接构成；每根所述探针枝干上设置有若干测点，测点位置根据等面积环法选取；所述探针枝干为中空结构，在所述测点安装用于测量风速的热线风速仪探头；
每个所述热线风速仪探头均通过调节回路获得与风速数据相对应的电流值，电流值输入数据采集模块，将电流信号转换为数字信号，再输入微处理器，对数字信号进行滤波，消除因小风扰动带来的噪音；得到每个测点处的电流值及平均电流值，计算得出局部流速和平均流速；进而得到轴流风机流量，最后由显示模块和/或数字输出模块输出测量结果。
8.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，测点到轴流风机中心轴线的距离Ri为：
其中i为从中心算起等面积环的编号，n为圆环数，D为风筒直径。
9.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，流场稳定时，流速与电流值的关系式为：
其中Iw，j为各个测点处的电流值，j为测点编号，Rw为电阻，λf为流体的导热系数，l为热线的长度，Tw为热线表面温度，Tf为主流温度，ρ为流体的密度，cp为定压比热，d为热线直径，Iw为平均电流值；
轴流风机的轴流流量计算公式为：
Q＝v×A
其中Q为轴流风机流量，v为平均流速，A为风筒截面面积。
10.如权利要求7-9任一项所述的测量方法，其特征在于，每根所述探针枝干上设置的测点个数为6个。
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