适用于风机本体安装流量测量装置的研发

适用于风机本体安装流量测量装置的研发

罗林1，高亚1、闫宏2、石清鑫2、陈欣1、王星2

(1.中国电建集团透平科技有限公司，四川 成都 610045）(2.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710049）

摘要：目前，我国电厂二氧化碳排放主要采用核算法进行计算，从实际情况来看，核算法在实施过程中存在一定程度上的不足。在线监测法必将成为一种重要的碳排放计量方法，开发出完整、准确的二氧化碳排放连续监测系统，主要包括两方面问题，一是烟气流量高精准测量，二是烟气内二氧化碳浓度高精准测量。本文主要针对目前常规流量测量装置存在的形式及不足进行分析，研发出适用于轴流风机本体安装的流量测量装置，并对该流量测量装置的研发过程及应用情况进行总结，通过全尺寸试验，验证了该流量测装置高精度的性能特点。

关键词：二氧化碳排放连续监测；流量测量；风机本体

中图分类号：TL48 

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目前，碳排放监测手段主要包括核算法及连续在线监测法[1]。我国电厂二氧化碳排放主要采用核算法进行计算，从实际情况来看，核算法在实施过程中存在一定程度上的不足。

烟气连续监测系统是指通过采样或直接测量的方式，实时、连续的测定固定源排放浓度和排放量的监测系统[2][3]，针对二氧化碳的连续监测工作则刚起步。完整的二氧化碳在线监测系统主要包括二氧化碳监测子系统、烟气排放参数监测子系统、数据采集和处理子系统。其中，烟气排放参数监测子系统主要对烟气温度、湿度、压力、流速（流量）及含氧量等参数进行连续自动监测[4]。

开发出完整、准确的二氧化碳排放连续监测系统，主要包括两方面问题，一是烟气流量高精准测量，二是烟气内二氧化碳浓度高精准测量。

与国外机组相比，国内机组场地布置普遍较为紧凑，烟道直管段短，绝大部分烟道流量测量截面不满足行业标准中“前4后2”的要求（欧盟“前5后2”）；现有的测量方法中，无论是代表点法还是代表线法，因机组负荷调峰频繁，流量测量截面流速分布经常发生非线性变化，通过常规修正换算方法得出截面平均流速这个关键参数时，误差明显放大，导致监测精确度不够。

研发切实可行的方法提高烟气流量测量精度，为碳排放管理提供可靠的数据支撑有重要意义。

1流量测量装置概述

烟气流量测量的本质是流速测量，根据烟道截面平均流速和横截面积求得烟气实际流量。

流量测量装置按照测量原理，主要分为以下种类：

1）压差式流量计，如毕托管、孔板、喷嘴、文丘里管、转子流量计等。

2）速度式流量计：依靠流体推动叶轮旋转，叶轮转速与流速成正比。如：涡轮流量计。

3）容积式流量计：流量计在被测流体的推动下，将流体一份份封闭在流量腔体内，并一份份推送出去，根据单位时间内推送出去的体积数实现流速的测量。

4）其他类型流量计：电磁流量计、涡街流量计、超声波流量计、质量流量计等。

可以得出结论如下：就大型燃煤机组烟风管道风量（或烟气量）测量的方法，采用压差式流量计更为适用。

2压差式流量测量装置特点

就二氧化碳连续监测系统来讲，流量测量主要是针对炉后烟气进行的，锅炉烟气流动具有以下特点：

1）基本上是气固两相、含尘。

2）速度快、穿透力强，容易造成测量器件堵塞和磨损。

3）在大风道管道中的风速慢、流场均匀度不佳、直管道短，不易测准。

基于上述特点，导致目前常见的流量测量装置普遍存在：

1）易堵塞，灰粉系统虽然只有几十到几百微米，但产生的粘附性较强；同时，被测量的器件内外有温度差，容易结露，造成一定程度的腐蚀。

2）易磨损，烟气为气固两相流体，气流速度会达到每秒几十米(10~40m/s)；穿透力、吹扫力强，会导致被测量器件变形，影响测量精度。

3）准确性不能保证。对于一次风测量器件，由于测速探头变形，影响测量准确性。对于二次风等大风道，流速低，直接测量产生的压差仅几百帕，对压差传感器要求很高，不易测准。同时，现场大多直管段短，内部流场复杂，测量不准确。

4）压损大，为提高压差，采用了缩孔或节流的方法，导致阻力过大。

5）安装、检修不便。为提高测量精度，导致流量测量装置结构尺寸过大。

对于二氧化碳连续监测系统中风量的测量，就必须要合理确定测量装置的安装位置，开发一套适用性强、高精度、易于安装、检修维护的烟气流量测量装置。

3安装于风机本体上流量测量装置研发

目前国内燃煤发电机组所匹配引风机95%以上采用动调轴流式风机，因此，开发直接安装在轴流风机本体的流量测量技术具备了先决的基础条件。

3.1 理论原理

当流道内的两个截面的静压差足够大且敏感时，可以通过流量标定试验获取不同流道截面动压与静压差的系数，进而可以计算得到流道内的流量，即：

    （1）

式中，k为差压法流量系数，且有

3.2 安装位置特点

考虑流量监测装置安装在风机本体的扩压筒上。主要原因为：

1、扩压筒结构大多为圆台状，长度在6-12m之间，根据烟气管道实际安装情况在长度及扩张角度略有不同，但总体变化不大，仍具有高度相似性。

2、扩压筒的主要作用是整流均压，其内部流场分布相对稳定、均匀（如图1），因此通过某一代表点或者代表线更容易获得整个流场的分布规律，从而准确计算得到流量等其他参数。

图1 轴流风机内部流场分布

3.3 测量装置结构特点

综合分析现有各种流量监测装置实际应用中存在的问题（磨损、积灰、腐蚀等）以及风机扩压筒结构特点，新研发的流量测量装置采用插入式结构设计（如图2）。

图2 插入压差式多点取样流量测量装置

4全尺寸风机试验

为验证该流量装置的可行性、可靠性，特选取某单级轴流式风机上进行测试研究，风机型号为：型号SAF 36/16.3-1，风机叶轮直径为3600mm，轮毂直径为1628mm。利用全尺寸风机性能试验出口管道标准多点矩阵式皮托管流量计进行流量测量，基于该流量测量值分析扩压筒压差及流量系数随流量的变化规律。

全尺寸风机风管试验台根据GB/T 1236-2017（ISO 5801-2017）《工业通风机 用标准化风道性能试验》规定进行 [6]。

试验过程中将风机转速设定为500r/min，通过调节叶片角度及出口风阀来调节风机运行参数，模拟多工况下流量测量装置在一定流量调节范围内的测量参数变化情况。叶片开度分别设置为20%-80%，每个风机叶片开度下设置4个不同出口风阀开度工况，风机入口体积流量范围84m³/s~564 m³/s，在各试验工况下对各参数进行测量及记录。

4.1不同试验工况对测量精度的影响

将各个工况测量值进行统一处理后，获得流量测量装置的压力随流量变化关系曲线。基于标准多点皮托管流量计测量得到的流量及压力值，按公式（1）计算得到各种测量方法的流量系数随流量的变化关系，如图3所示。

图3 扩压筒压差法流量系数的变化规律

通过上图分析可知，不同工况下风机扩压筒两个截面的静压差随流量增大而增大，且大致呈二次方的规律变化。在风机正常运行工况，测量方法的流量系数的波动均很小，趋于常数。

4.2测量数据波动特性研究

在每个试验工况下，持续记录了3分钟的数据，将各个工况下记录得到样本值与样本平均值的相对百分比汇总示于图4-1和图4-2中。将动叶开度为40%，出口风阀开度为60%的试验工况的各参数随时间变化关系示于图4-3；将动叶开度为40%，出口风阀开度为45%的试验工况的各参数随时间变化关系示于图4-4。

图4-1 各工况基于标准多点皮托管流量计实测流量波动情况

图4-2 各工况基于两截面静压差波动情况

图4-3 动叶开度40%、出口风阀开度60%试验工况下，各参数随时间变化关系

图4-4 动叶开度40%、出口风阀开度45%试验工况下，各参数随时间变化关系

在各试验工况下，基于标准多点皮托管流量计测量得到的实际流量波动情况相对稳定，流量相对波动均在±1%以内，说明各个试验工况下，测试系统的流量稳定。

5小结

根据全尺寸风机试验结果可知，基于扩压筒新型流量测量装置的流量测量方法随开度及流量的变化规律与模型风机基本一致，即风机稳定运行工况区域各种方法的流量系数均较为稳定。通过试验验证了开发的安装于轴流风机本体上的流量测量装置具有高精度的测量性能，可用于火电机组烟气测量及二氧化碳连续测量系统。

参考文献：

[1]  李海洋，葛志松，宋 进. 固定污染源温室气体排放量直接监测方法综述[J]. 中国测试，2022，48(10)：181-188.

[2] Official Journal of the European Union. Commission Implementing Regulation (EU) 2018/2066 of 19 December 2018 on the monitoring and reporting of greenhouse gas emissions pursuant to Directive 2003/87/EC of the European Parliament and of the Council and amending Commission Regulation (EU) No 601/2012 (Text with EEA relevance.) [Z]. Brussels: Official Journal of the European Union, 2018.

[3] Official Journal of the European Union. Commission Implementing Regulation (EU) No 600/2012 of June 2012 on the verification of greenhouse gas emission reports and tonnekilometer reports and the accrediation of verifiers pursuant to Directive 2003/87/EC of the European Parliament and of the Council Text with EEA relevance [Z]. Brussels: Official Journal of the European Union, 2012.

[4]  王彦琦，周 舟，王宗爽, 等. 基于CEMS(连续排放监测系统)监测数据的火电厂SO2 达标判定方法研究[J]. 环境科学研究，2021，34(05): 1063-1070.

[5]  国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. 工业通风机 用标准化风道性能试验：GB/T 1236-2017[S].北京:中国标准出版社，2017.

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