矩阵式多点风量测量装置

        随着电厂自动化控制水平的进步,燃煤锅炉的负荷、煤粉量及配风量需要实现在线监测和自动协调控制,使锅炉一次风、二次风配风合理,各风管内风速均匀;磨煤机的进出口风量对于确定磨煤机的出力机提高磨煤机的效率十分重要,关键部位的准确风量对于生产过程的技术分析和经济核算等是十分必要的。
        迄今为止,存在风速和风量的测量与标定都比较困难,测量的准确度比较低(达不到压力和温度的测量水平),风量测量装置的通用性差等问题。引起这些问题的原因,主要有以下三个方面的原因:
        1、流体性质的多样性:压力与温度参数的高低;流体中含尘量的多少;流体粘度的差别;单相流体与多相流体的区别,等等。这些物性会影响流体状态,在流量测量中必须加以考虑,但又很难精确;
        2、  管路系统的多样性:管道的直与弯的区别;圆截面与非圆截面的区别;直管段长短不一样,等等。都会影响流动状态,使流量测量复杂化;
        3、  流动状态的多样性:由于以上流体的物性和采用管道的不同,会影响到流体的流动状态,诸如旋转流和脉动流;层流、紊流;流动是否达到充分发展等等。
以上三种影响流量测量的因素,要求我们必须针对被测对象的实际情况选择合适的风量测量装置。
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    众所周知,由于火力发电厂锅炉一、二次风管道的直管段极短,或者几乎就没有;而且一次风、二次风的管道在极有限的距离内,分布有T形管道、L形弯管、调节风门、变径管等,使管道内一次风、二次风的流动状态变化莫测,这就使得一次风、二次风的测量成为非常困难的事情。在许多场合就不测量了。

     在必须测量的场合,不得不采用机翼型测量装置,但这只是一个无奈之举。因为机翼型测速装置的主要缺点,就是要大大减少一次风、二次风的流通面积,一般要减少50%~60% 左右。

     为了在减少一半以上流通面积的情况下,仍然要保持应有的风量,以维持正常的发电负荷的要求,就必须提高风机的功率,增大能源消耗;即使如此,因机翼型结构仍比较长,在一些场合,仍然不能使用机翼型测速装置;即使已安装了机翼型测量装置,因为前后直管道不满足,无法保证测量精度。一般在使用机翼型测量装置时,都要进行现场标定,但如果没有直管段,标定也不会准的。因此,采用机翼型测量装置测量一次风、二次风很难保证准确而稳定的测量。其它的装置,比如皮托管、均速管,更不可能实现对一次风、二次风的测量。还有一类测速装置,比如叶轮的、涡街的、热式的风量测量装置,虽然没有压力损失,但其对测量管道的直管段也有一定的要求,否则也无法保证有准确的测量。

 

一、 与传统风量测量装置比较

NJZY100型矩阵式多点式风量测量装置是唯一可以完美地实现对一次风和二次风测量的风量测量装置。

它具有以下四个方面的优点:

1、 它可以满足任何一个一次风、二次风管道的安装要求,只要有250~300mm 长的安装位置,就可以安装;

2、  不需要进行现场标定(该风量测量装置不需要流量系数;而且工业现场的标定也是基于矩阵式多点式风量测量装置的原理),就能保证足够高的测量准确性;

3、  不受不规则流体、甚至是多向旋转气流的影响;

4、 压力损失很小。

 

二、工作原理
  由于没有足够的直管段,通过管道矩阵式多点上各点的流速不一样,很难找到一个能代表平均流速的一个点。如果管道内的流速是稳定、确切的形式,则在管道中流速分布是自管壁等于零连续变化到管道中心的最大流速。因此在中间的变化过程中总可以找出一个点,在这个点上所测的流速即是平均流速。以上的叙述是在有充足直管道中气流与分布一定规律的前提下。这在实际工作现场,是很难做到的,特别是一次风、二次风,极无规律。在这种情况下,如果利用测点速的装置(S 型皮托管),测某一直线的线速度(均速管、阿牛巴、威力巴)来推算出该截面的平均速度,简直无准确精度可言。

 

      由于管道中的流速不等于常数,实际风速分布也没有一定规律可遵循,但可以将测量流速的截面分割为许多小的单元面积Ai。假设每个单元面积内的流速为Vi,则总的流量就等于流过多个所有小单元面积的流量之和。即:
  此方法称之为速度面积法。国际标准化组织已肯定了这种方法,并制定了相应的测量规范。
  当单元面积分割得愈多,所测的流量应愈准确。矩阵式多点式风量测量装置,就是基于这个原理而设计出来的,并在实际应用中得到了证实。
  单元面积划分的原则

  1、矩型管道:将矩型管道的长边和短边分别按等长度的原则,将矩型管道的矩阵式多点平均分成若干个面积相同的小单元。测量每个小单元中心点的流速,再将所有小单元的流速之和平均,即是整个大矩阵式多点积的平均流速。
  2、圆形管道:将圆形管道截面分割成若干个面积相等的同心圆环(中央为圆),测出每个圆环的流速,然后再将所有圆环(包括中央圆)的流速平均化,即得到该圆截面的平均流速。

 

三、装置结构
  要使风量传感器能够达到在任何流体条件下都能准确测量的目的,矩阵式多点式风量测量装置在结构功能上必须要满足四个条件:

1、通过管道矩阵式多点上的各点的流速虽然不是等速的,但要求它是稳定的。

上述求面积法理论是在将每个小单元面积的流束视为规则的前提下提出的。如何实现静压均压腔气流每个小单元面积的流束为规则的呢?在实际应用中,采用了流动调整器,安放在测速装置的上游。

     其作用是在相等的长度内,将不稳定的流体变成一束束稳定的流体。在管道中的空气流动截面上设置的任何机械结构都会阻碍空气流动。阻力的大小取决于该结构的大小及形状,以及从结构中通过的空气数量。流动调整器的目的是利用特制的平行栅格状结构,把结构对空气流的阻力降至最小程度。该结构具有96% 以上的流通截面积。流动调整器具有基本的调节功能,即对气流进行整流和均衡分布的作用。

 流动调整器平行栅格状结构为焊接方法制成的,兼具空气整流器和均衡器的作用。其96% 以上的自由流通截面减少了结构对空气流造成的压降。每个栅格通道的侧面积与截面面积的比为12:1,这一比值对流通空气产生少量的阻力。由于气流受到的阻力因空气流速的平方值而异,因此较高的流速受到较大的阻力,而使流速降低较大;而较低的流速受到较小的阻力,速度却相对提高。这就是均衡器的原理。以下图示中的箭头表示空气在经过均衡断面后的流速的大小。

 

空气整流过程消除了气流中旋转的湍流,并且引导气流的方向,使其有序化,但不会明显地改变流过栅格的空气流速分布。消除旋转的、方向杂乱的气流,对于气流总压和静压力的分离及精确测定具有至关重要的意义。

 

2、由于通过管道矩阵式多点上的各点的流速不是相等的,要求传感器测出的数值尽可能接近平均值。在结构上要产生各点流速之和的平均值。检测探头依照多点自动均衡皮托管工作原理,来检测气流总压和静压。

 3、总压取压孔的进口经过坡口加工,以便消除空气的方向效应。取压口位于探头的正前面上,检测迎面吹来的气流的全压力Pt。成对的静压传感口呈一理想角度,俩俩相对地布置在探头表面,以降低经直流器整定后的气流对静压测量产生的误差作用。当流体方向偏离正常方向时,一个静压传感器测孔受到较高压力(Ps +部分Pt)的作用,而另一个静压传感器受到同样大小的较低压力(Ps -部分Pt)的作用,于是全压Pt 的不良影响得以抵消。正是这种偏置静压及坡口形的总压传感器的独特设计,使得矩阵式多点式风量测量装置探头对于迎面吹来的多向旋转气流很不敏感(这种气流的迎角及倾角可偏离正向流体30°,甚至更多),因此既使在上游不安装气流整流器的情况下,探头仍能保证气流速度的精确计量. 

4、为了"免标定",必须使流量系数K=1。根据流量检测的基础理论,一个与气流方向垂直的管状探头插入气流之后,在探头表面形成一种与流体流动方向紧密相关的压力分布:

探头管上迎着气流方向的那一部分区域为正压区;正压区两侧紧靠正压区的表面为静压区;

探头管表面的其它部分为负压区。两排静压检测孔分别开在正压区和负压区之间的静压区。

静压区与流体方向成一定规律的角度。按此角度加工出来的探头,其流量系数就是1,即可以不标定。

NJZY100型型矩阵式多点式平均流量传感器在结构设计上完全实现了上述四个要求。见下图,NJZY100型 型矩阵式多点式平均流量传感器在结构分为圆形和矩形管道。整体为不锈钢结构。

四、 产品优点
  

矩阵式多点式风量测量装置有两个最突出的优势,也是其它所有风量测量装置不能与之相比的。

优势之一:无需任何直管段。只要有270~300mm 的安装位置,就能保证准确的测量。

优势之二:无需现场标定。一般的风量测量装置,因为使用条件与标定条件不一样,为了使测量结果更符合实际情况,通常在安装以后,还要进行现场标定,以最后确定流量系数K。而矩阵式多点式风量测量装置,则完全不需要现场标定。原因之一,是它与其它所有风量测量装置有着不同的测压孔的开孔方式,这种特殊的开孔方式不需要流量系数,即:

  V=(2ΔP/ρ)1/2

  由公式可以看出,流速V只与动压ΔP和密度ρ有关,与流量系数K 无关;原因之二,由于一次风、二次风管道的复杂性和流体状态的无规律性,做为标准使用的风量测量装置,在这种场合也失去了其做为标准的条件,以点代面或以线代面的标定推算,其标定出的结果误差很大;原因之三,就是矩阵式多点的测量结构原理,使得其测量精度高于标准风量测量装置标定的精度。任何标准风量测量装置和任何标定方式在矩阵式多点风量测量装置的面前,都显得逊色了。

 

五、性能指标
  1、测量介质:空气及含尘气体。
  2、管道形状:矩形或圆形。
  3、不需要前后直管段,只要有250~300mm 长的安装位置即可。
  4、可以测量30°角的气流,不受不规则流体、甚至是多向旋转气流的影响。
  5、精度:0.5~1.5%。
  6、不需要现场标定,即流量系数K=1。
  7、正压孔为迎流方向,可以降低堵塞的可能性。
  8、压力损失很小。

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