一次風、二次風流量的準確測量對于循環(huán)流化床鍋爐燃燒優(yōu)化及機組節(jié)能有著重要作用。目前鍋爐風量的測量主要依據(jù)是《電站鍋爐風機現(xiàn)場性能試驗》（DL/T469—2018），依據(jù)該標準，通過在風道內(nèi)選擇合適的截面布置數(shù)量合理的氣流速度測點，即可測出風道內(nèi)的空氣或煙氣流量，并輸入到機組的分布式控制系統(tǒng)（DCS）中，供機組運行人員調(diào)整鍋爐燃燒時使用。不過該方法受測點位置和風道幾何形狀的影響較大，循環(huán)流化床鍋爐風道流場分布情況十分復雜，熱一次風、二次風風道直管段長度有限，且多有擋板、變徑、彎頭及分岔，加之在風道中布置的加強梁和支撐架使流場進一步受到影響，因此風量的準確測量變得非常困難，有時候測量誤差會高達20%以上。因此在鍋爐機組的實際運行中，很多運行人員并不依靠該方法所測量出的風量來操作鍋爐，更多的通過觀察煙氣氧量來調(diào)整風量。

但是通過觀察氧量來調(diào)整鍋爐燃燒，主要存在的問題有：1）煙氣中氧量測量的準確性問題，一方面是表計本身的準確性問題；另一方面是測點位置煙道截面的氧量均勻性問題：由于鍋爐爐膛及尾部煙道內(nèi)一般是負壓，所以在密封不嚴時，存在較大的漏風，影響煙道內(nèi)氧量的分布；2）由于煙氣是燃燒后的產(chǎn)物，所以利用氧量來調(diào)整燃燒存在一定的滯后性，特別是在鍋爐負荷波動較大的時候；3）依據(jù)煙氣中的氧量可以用來調(diào)整鍋爐的配風，但不能用來指導優(yōu)化鍋爐一次、二次風的配比。由于鍋爐一次風比二次風壓力要高很多，因此，優(yōu)化一次、二次風風量不僅對提高燃燒效率、降低污染物的產(chǎn)生有很大的幫助，同時對于降低風機電耗也有重要作用。

隨著火電技術(shù)的進步及我國政府對節(jié)能減排問題的重視，各燃煤電廠在挖掘節(jié)能潛力方面投入了較大的人力物力，因此機組的節(jié)能空間已經(jīng)越來越小，所以精細化管理在電廠節(jié)能工作中也更加重要，這給循環(huán)流化床鍋爐的運行控制也提出了更高的要求。若要實現(xiàn)精細化管理，電廠首先需要提高各種監(jiān)測儀表的測量精度，而如果風量測量不準，對于實現(xiàn)電廠的精細化管理具有較大的影響。另一方面，建設(shè)智慧電廠可能是今后電廠技術(shù)的重要發(fā)展方向，這對電廠提高各種監(jiān)測儀表的測量精度也提出了更高的要求。

1.新型儀表開發(fā)

由于空氣在壓縮過程中溫度會隨著壓力的升高而上升，對于循環(huán)流化床鍋爐機組，由于其一次風機、二次風機出口壓力較高，所以一二次風機可以認為是增壓比較小的壓氣機，因此可以利用通過測量風機進出口的溫升、壓差以及電動機的功率來計算風機的流量與效率。具體來說，在忽略掉風機進出口的高差和表面散熱后，根據(jù)能量守恒定律，風機出口空氣動能與焓值之和應(yīng)該等于風機進口空氣焓值與輸入風機的電機功率之和，而風機出口的氣體動能與流量之間存在函數(shù)關(guān)系，基于此，可以求解出風機的流量，進而計算出風機的效率。

為了更加方便運行人員的現(xiàn)場操作，基于上述熱力學原理的風機性能測量方法，開發(fā)了循環(huán)流化床鍋爐新型風機性能實時在線測量儀表，儀表結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。圖1中，通過測量風機進出口的溫度、壓力，采集電動機的功率信號，即可實時計算出風機的流量與效率。考慮到我國大部分地區(qū)夏季高溫多雨、空氣濕度較大，所以開發(fā)的新型風機性能測量儀表也考慮了水蒸氣對空氣物性參數(shù)的影響。

濕空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量采用下式計算：

式中：d為空氣含濕量，kg/kg；φ為空氣相對濕度，%，為測量值；ps為水在環(huán)境溫度下的飽和壓力，kPa，通過查表取得；p0為環(huán)境大氣壓力，kPa，測量值。

濕空氣的有關(guān)物性參數(shù)，比如比熱、密度等采用質(zhì)量加權(quán)平均計算：

式中，X為比熱或密度等物性參數(shù)，Xa為干空氣的物性參數(shù)，Xw為水蒸氣的物性參數(shù)。

由于本文中所提的風機新能測量儀表需要采集風機進出口的相關(guān)參數(shù)來計算風機的流量與效率，因此儀表的測量精度會直接受各傳感器測量精度的影響，各傳感器的精度越高，儀表的精度也越高。但考慮到整個儀表的經(jīng)濟性，根據(jù)文獻中對各參數(shù)測量儀表精度對系統(tǒng)誤差影響的分析，各測量傳感器的精度選擇見表1。由于儀表的測量過程主要是基于熱力學原理，對溫度傳感器的精度要求較高，所以對溫度傳感器的測量精度要求為±0.1℃，如圖2所示。

該新型風機性能測量儀表既可以就地顯示風機的流量和效率，見圖3，也可以將測量出來的流量和效率結(jié)果以標準4~20mA標準信號輸入電廠的DCS，用于指導運行人員調(diào)整鍋爐燃燒。儀表本身也可以記錄風機的實時運行參數(shù)，便于對運行數(shù)據(jù)進行分析。

2.試驗驗證

為了驗證基于熱力學原理的新型風機性能實時在線測量儀表的準確性，在內(nèi)蒙古某電廠330MW循環(huán)流化床鍋爐2號機組的2臺一次風機及2臺二次風機上共安裝了4套風機性能實時測量儀表，同時委托專業(yè)機構(gòu)對其中1臺一次風機及1臺二次風機的風量做了試驗標定。

2.1機組情況

該電廠2號機組鍋爐為東方鍋爐(集團)股份有限公司設(shè)計制造的亞臨界自然循環(huán)、一次中間再熱、汽冷式旋風分離器、單爐膛、平衡通風、固態(tài)排渣循環(huán)流化床鍋爐。鍋爐型號為DG1089/17.4-Ⅱ1，主要熱力參數(shù)見表2。

該鍋爐機組一次風機系統(tǒng)設(shè)2臺50%容量的雙吸雙支撐離心式風機，一次風量采用變頻器調(diào)節(jié)。冷一次風經(jīng)管式空預器加熱后分成兩路送入爐膛：一路從熱一次風母管引出，經(jīng)播煤風機升壓后，用于爐前播煤裝置的氣力播煤，每臺爐設(shè)一臺離心式播煤風機；一路從熱一次風母管引出，直接去風道點火器，經(jīng)水冷風室進入爐膛。一次風機出口的冷一次風道上還接有一路至電子稱重式給煤機的密封風。二次風機系統(tǒng)設(shè)2臺50%容量的雙吸雙支撐離心式風機，二次風量也采用變頻器調(diào)節(jié)。冷二次風經(jīng)管式空預器加熱后通過二次風環(huán)形風箱分多級送入爐膛，為燃料燃燒提供氧氣。一次風機、二次風機主要技術(shù)參數(shù)見表3。

2.2試驗依據(jù)及試驗方法

在驗證試驗中，風量測量方法主要依據(jù)為《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》（GB/T10184—2015）及《電站鍋爐風機現(xiàn)場性能試驗》（DL/T469—2018）2個標準，試驗過程中保持機組及風機負荷穩(wěn)定，機組負荷為300MW。在機組穩(wěn)定負荷（或風機穩(wěn)定出力）條件下，在風機出口風道采用符合標準規(guī)定的氣體流量測量裝置和等面積網(wǎng)格法，按照式(3)計算各測點的質(zhì)量流速。

式中：mi為測量截面上各測點的質(zhì)量流量，kg/(m2·s)；k為靠背管的修正系數(shù)，根據(jù)靠背管出廠資料，取0.8422；Δpi為測量截面上各測點的動壓，Pa；pi為測量截面上各測點的靜壓，kPa；ti為測量截面上各測點的溫度，℃。計算出風道截面各點質(zhì)量流速mi的平均值后，按照式(4)計算風機出口就地實測風量。

式中：Q為風機出口總風量，km3/h（標準狀態(tài)，下同）；A為風機出口風道截面積，m2。

試驗期間同時記錄試驗風機的，新型風機性能實時監(jiān)測儀表讀數(shù)。將在線測量儀表讀數(shù)與就地實測結(jié)果對比，分析二者的相對偏差情況。

2.3試驗結(jié)果及分析

廠內(nèi)編號為22的一次風機、二次風機出口風量的測量結(jié)果見表4，二者出口相關(guān)參數(shù)測量結(jié)果如圖4所示。

從表4中可以看出，一次風機就地實測風量為220.5km3/h，新型風機性能實時監(jiān)測儀表測量值為221.9km3/h，二者相對偏差為+0.6%；電廠DCS顯示風量155.5km3/h，與就地實測值相差?29.48%。二次風機出口風量實測為277.4km3/h，新型風機性能實時監(jiān)測儀表為271.3km3/h，二者相對偏差為?2.2%；電廠DCS顯示風量為244.4km3/h，與就地實測值相差?11.90%。

從表4中還可以看出，采用基于熱力學原理的風機性能測量方法所開發(fā)出的儀表精度很高，完全可以滿足電廠現(xiàn)場運行的需求，能夠用于電廠的循環(huán)流化床鍋爐優(yōu)化運行調(diào)整及風機能耗監(jiān)測等方面，電廠也將根據(jù)風量表的測量結(jié)果對鍋爐運行進行優(yōu)化調(diào)整。

現(xiàn)有風量表安裝在空預器后面，而基于熱力學原理的新型風機性能測試儀表安裝在風機出口，這樣，由于空預器本身存在漏風，所以在表4中DCS所顯示出來的結(jié)果要小于試驗及儀表測量結(jié)果。當然，DCS所顯示的一次風量與測量值差異更大，或者是漏風更大的緣故，也可能是現(xiàn)有風量表準確性不高的緣故。如果能夠?qū)C組現(xiàn)有風量表校驗準確，或者利用其變化趨勢，可以與新型風量表配合使用，用來監(jiān)控空預器的漏風率，以便于用來指導空預器的檢修。

采用熱力學原理的風機性能測量方法的理論基礎(chǔ)就是利用測量風機進出口的溫度及靜壓來替代所需要測量的速度場，從圖4中的測量結(jié)果來看，即使是離心風機，在出口速度場（動壓）分布很不均勻的情況下，風機出口的溫度場及靜壓場非常均勻，特別是溫度場，一次風機出口各測點溫度均為46.4℃，二次風機出口各測點溫度均為33.5℃，說明采用該方法從機理上就具有更高的準確性，而且溫度場的均勻性高的特點可以只使用1根溫度計，且安裝位置靈活，所以系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝及沒有運行阻力的優(yōu)點?；跓崃W原理的風機性能測量儀表與現(xiàn)有的風量測量儀表綜合比較見表5。

目前電廠上少有安裝，電廠對風機效率測試一般委托給電力科學研究院來完成，而本文中所開發(fā)的儀表可以實時測量出風機的運行效率，對于大型動葉可調(diào)或者靜葉可調(diào)風機，可以在運行中通過調(diào)整風機葉片迎角及轉(zhuǎn)速保持其處于較高效率區(qū)運行，具有較高的使用價值。循環(huán)流化床鍋爐是低熱值燃料、難燃煤種清潔高效利用的主要技術(shù)手段，也是我國火力發(fā)電的重要組成部分。目前我國在役的大型循環(huán)流化床鍋爐裝機容量超過8000萬kW，本文所開發(fā)的測量儀表具有較大的市場推廣潛力。

3.結(jié)語

基于熱力學原理的風機性能測試新方法所開發(fā)的新型風機性能實時在線測量儀表，在測量330MW循環(huán)流化床鍋爐機組一次風機流量時，相對誤差不足1%；在測量該鍋爐機組二次風機流量時，相對誤差略高于2%。該儀表同時還具有結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝等點。該儀表由于可以實時測量出風機的效率，具有較大的市場推廣潛力。