柳冠青，曹文廣，張高山，華亮，石戰(zhàn)勝，馬治安，鄒重恩

(1.中國華電集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司，北京 100070； 2.中國華電集團(tuán)公司湖南分公司，長沙 410004；3.湖南華電長沙發(fā)電有限公司，長沙 410203)

0 引言

燃煤電廠制粉系統(tǒng)的性能測(cè)試和日常監(jiān)測(cè)中，風(fēng)速是最為基本和關(guān)鍵的測(cè)量對(duì)象之一。與單相介質(zhì)中的風(fēng)速測(cè)量不同，制粉系統(tǒng)粉管中由于顆粒(煤粉)的存在，常用的標(biāo)準(zhǔn)皮托管和S型靠背管的結(jié)構(gòu)和原理導(dǎo)致其測(cè)量的動(dòng)壓值包含了煤粉的貢獻(xiàn)，因此必須根據(jù)煤粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行修正以獲得實(shí)際風(fēng)速值[1-2]。然而實(shí)際情況下煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常都是未知量，而且相比流速測(cè)量來說，其測(cè)量難度更大，不確定性更高，因此，有必要采取不受氣流中煤粉影響的測(cè)速方法，以將風(fēng)速測(cè)量與煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)量解耦。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]推薦在含塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%時(shí)采用BS-I型測(cè)速管進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量而不需進(jìn)行煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)修正(但其速度系數(shù)需事先標(biāo)定)。BS-I型測(cè)速管的實(shí)際應(yīng)用不多，而且關(guān)于其性能特點(diǎn)的文獻(xiàn)報(bào)道十分少見。部分學(xué)者研究了與BS-I型形式相似的測(cè)速管，但其具體結(jié)構(gòu)參數(shù)與BS-I型差別較大[3]或未給出確切數(shù)值[4-5]。本文對(duì)BS-I型測(cè)速管進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，并基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法研究了其性能特點(diǎn)。

1 BS-I型測(cè)速管基本結(jié)構(gòu)

BS-I型測(cè)速管屬于靠背式結(jié)構(gòu)，俗稱劈頭靠背管，由2根?10 mm×1 mm的鋼管組成，2根鋼管的頭部以75°斜切，形成朝向氣流和背向氣流的尖頭楔形結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。分別測(cè)量總壓pt和靜壓ps，根據(jù)二者的差值即差壓Δp可計(jì)算來流速度u0。

式中：k為測(cè)速管的速度系數(shù)，主要取決于測(cè)速管的結(jié)構(gòu)形式和相對(duì)于來流的姿態(tài)；ρ為來流氣體的密度，kg/m3。

圖1 BS-I型測(cè)速管的結(jié)構(gòu)形式

2 BS-I型測(cè)速管實(shí)際應(yīng)用

本文根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)[1]進(jìn)行了BS-I型測(cè)速管的定制加工，出廠標(biāo)定的速度系數(shù)k≈0.82。采用該測(cè)速管在華電長沙發(fā)電有限公司#1機(jī)組制粉系統(tǒng)分離器多根出口粉管上(帶粉狀態(tài)下)進(jìn)行了風(fēng)速測(cè)量，并與粉管上固定安裝的測(cè)速裝置即分散控制系統(tǒng)(DCS)表盤顯示的風(fēng)速進(jìn)行了比對(duì)，見表1。由表1可以看出，BS-I測(cè)速管實(shí)測(cè)值與DCS示值偏差不大，相對(duì)偏差的絕對(duì)值平均約為5%，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來說，無論從準(zhǔn)確性還是便捷性方面考慮都是較好的一種測(cè)量手段。

圖4 測(cè)速管的不同積粉情況

DCS示值/(m·s-1)測(cè)速管測(cè)量值/(m·s-1)相對(duì)偏差/%33.032.0-3.028.026.0-7.128.528.70.724.026.18.8

3 BS-I型測(cè)速管特性的數(shù)值計(jì)算和分析

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，測(cè)試結(jié)果會(huì)受到諸多外界因素的影響，包括測(cè)速管未完全正對(duì)來流、測(cè)速管內(nèi)有積粉導(dǎo)致開口截面形狀發(fā)生變化等。本文采用CFD方法，研究了BS-I測(cè)速管在放置姿態(tài)不同和粉管積粉兩種情況下的測(cè)量特性。

3.1 CFD計(jì)算設(shè)置及工況

在計(jì)算模型中，BS-I測(cè)速管總長約200 mm，放置于截面尺寸為300 mm×400 mm、流動(dòng)方向長1 200 mm的矩形流道中。如圖2所示，氣體從矩形流道左側(cè)入口流入，從右側(cè)出口流出，流道中主流速度為已知的設(shè)定值。采用Realizablek-ε湍流模型和增強(qiáng)的壁面函數(shù)。BS-I測(cè)速管的總壓管和靜壓管中空結(jié)構(gòu)的底部為壁面邊界條件，該處的壓力數(shù)值即分別為測(cè)得的總壓pt和靜壓ps。測(cè)速管及周圍區(qū)域采用加密的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，典型的網(wǎng)格尺寸為1 mm，主流區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，典型的網(wǎng)格尺寸為8 mm，計(jì)算區(qū)域總網(wǎng)格數(shù)為40萬～60萬，并進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。

圖2 計(jì)算域示意

本文研究了圖3和圖4所示工況下的測(cè)速管特性：(1)標(biāo)準(zhǔn)工況，即測(cè)速管嚴(yán)格正對(duì)來流(如圖2所示)；(2)測(cè)速管繞對(duì)稱軸扭轉(zhuǎn)一定角度θ，模擬測(cè)試時(shí)測(cè)速管垂直于管道中心線插入流體，但總壓口沒有完全正對(duì)來流(即總壓管和靜壓管軸線所在平面與來流方向不平行)的情況，如圖3a所示；(3)測(cè)速管前傾或后仰一定角度β，模擬總壓管和靜壓管軸線所在平面與來流方向平行但測(cè)速管對(duì)稱軸與來流方向不嚴(yán)格垂直的情況，如圖3b所示；(4)總壓口形狀為部分“堵塞”的橢圓，模擬總壓管內(nèi)積粉導(dǎo)致總壓口形狀發(fā)生變化的情況，如圖4所示。

圖3 測(cè)速管的不同放置姿態(tài)

3.2 計(jì)算結(jié)果與討論

測(cè)速管的性能指標(biāo)和特性主要指其速度系數(shù)k以及k隨流速、測(cè)速管放置姿態(tài)和積粉等情況的變化。通常情況下，k對(duì)前述因素越不敏感越好。

3.2.1 速度系數(shù)隨流速的變化

粉管風(fēng)速u0常在20～35 m/s的范圍內(nèi)，本文分別計(jì)算了標(biāo)準(zhǔn)工況下u0為20，30，35 m/s時(shí)的速度系數(shù)k，結(jié)果分別為0.805，0.808，0.809，差別不顯著，且與本文現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所用測(cè)速管的速度系數(shù)0.820偏差不大(-2%以內(nèi))。后文計(jì)算中均設(shè)定u0=30 m/s。

3.2.2 速度系數(shù)隨旋轉(zhuǎn)角度θ的變化

圖5給出了測(cè)速管繞對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)角度θ從0°變化至87°時(shí)的總壓pt、靜壓ps和速度系數(shù)k的變化曲線。隨著θ的增大，pt單調(diào)減小，而ps絕對(duì)值先增大(即負(fù)壓程度增強(qiáng))，之后在θ>80°后又減小。k在θ=[0°，30°]的范圍內(nèi)從0.808單調(diào)增加至0.812，相對(duì)增加0.5%，變化不明顯，說明k對(duì)測(cè)速管的旋轉(zhuǎn)角度不敏感，但這并非因?yàn)閜t和ps在該區(qū)間內(nèi)不隨θ變化，而是二者變化的方向和程度相近，導(dǎo)致差壓Δp變化不大。但k在θ>80°后急劇增大，這是因?yàn)榇藭r(shí)pt和ps逐漸接近，當(dāng)θ=90°時(shí)二者幾乎相等，此時(shí)k將為無窮大。利用該特性，可以在實(shí)際應(yīng)用中較準(zhǔn)確地確定來流速度平面，方法是使測(cè)速管繞對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)，直至差壓Δp接近為0，此時(shí)來流方向所在平面一定垂直于總壓管和靜壓管軸線所構(gòu)成的平面，這有助于研究粉管中是否存在不均勻流動(dòng)，特別是殘余旋轉(zhuǎn)。

圖5 總壓、靜壓和速度系數(shù)隨旋轉(zhuǎn)角度的變化

3.2.3 速度系數(shù)隨傾斜角度β的變化

圖6為測(cè)速管傾斜角度β從-20°變化至+20°時(shí)的總壓pt、靜壓ps和速度系數(shù)k的變化曲線。β為負(fù)值時(shí)測(cè)速管呈前傾狀態(tài)，為正值時(shí)測(cè)速管呈后仰狀態(tài)?？倝弘S傾斜角度變化不大，最大值出現(xiàn)在β=[-10°，-5°]區(qū)間。在略前傾的狀態(tài)下，總壓管的開口橢圓面相比未前傾時(shí)更接近于垂直來流，因此總壓值反而更大，但其最大值并不出現(xiàn)在β= -15°開口橢圓面嚴(yán)格垂直來流的狀態(tài)下，這可能與測(cè)壓管本體圓管對(duì)附近流場(chǎng)的影響有關(guān)。靜壓則隨傾斜角度單調(diào)變化，測(cè)速管呈前傾狀態(tài)時(shí)靜壓值較高，后仰時(shí)靜壓值較低，極端情況下，即β= -90°時(shí)總壓和靜壓值將相等。

速度系數(shù)k隨傾斜角度β的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，最小值出現(xiàn)在β= -5°附近，約為0.806。k-β曲線并不關(guān)于β= 0°對(duì)稱，測(cè)速管前傾和后仰對(duì)流場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布的影響不存在“鏡像”對(duì)稱性。在圖示范圍內(nèi)，k的最大值約為0.861(此時(shí)β=20°)，相比未傾斜狀態(tài)的0.808大了約6.6%，這是當(dāng)氣流方向無法準(zhǔn)確獲知但偏離管道或煙道中心線不超過20°時(shí)可能引起的測(cè)速誤差絕對(duì)值的上限。當(dāng)粉管來流方向明確時(shí)，建議實(shí)際測(cè)量時(shí)將粉管后仰5°左右，這時(shí)引起的測(cè)速誤差僅為-0.4%左右，但有利于減緩或避免總壓管積粉，使得將BS-I型測(cè)速管作為半固定式的粉管測(cè)速手段成為可能。

圖6 總壓、靜壓和速度系數(shù)隨傾斜角度的變化

3.2.4 速度系數(shù)隨總壓管積粉狀態(tài)的變化

表2為總壓管不同積粉情況下的測(cè)速管性能參數(shù)。從表2可以看出，總壓管無論是側(cè)面輕度積粉還是背側(cè)輕度、中度積粉，測(cè)速管的速度系數(shù)變化很小。這與一些學(xué)者對(duì)S型靠背管入口形狀變化對(duì)速度系數(shù)影響的研究結(jié)果具有一定的相似性，但S型靠背管在流速為15 m/s時(shí)對(duì)入口形狀的敏感性偏大[6]。根據(jù)筆者的使用經(jīng)驗(yàn)，S型靠背管在測(cè)量粉管風(fēng)速時(shí)堵塞迅速，不會(huì)如文中設(shè)想的僅出現(xiàn)總壓管入口的局部堵塞。S型靠背管發(fā)生堵塞后，差壓值往往單調(diào)變化，而不是圍繞均值上下波動(dòng)，此時(shí)的測(cè)量值已經(jīng)無效，不再是測(cè)量精度高低的問題。

表2 總壓管積粉狀態(tài)對(duì)速度測(cè)量的影響

圖7給出了總壓管未積粉和背側(cè)中度積粉2種工況下，總壓管中心縱剖面(平行于來流方向)上的壓力分布：總體呈現(xiàn)中間大于邊緣區(qū)域的情況，最大值出現(xiàn)在入口截面基部以下的管外壁處?？倝汗苋肟诔騺砹鞯谋硞?cè)中部壓力較高，下部次之，上部最低。雖然積粉堵塞區(qū)域在2種工況下的壓力分布差異較大，但2種工況下總壓管入口流體區(qū)域的壓力分布卻大致相似，因此總壓管背側(cè)中度積粉對(duì)pt造成的影響比較有限。

圖7 總壓管未積粉、背側(cè)中度積粉時(shí)的壓力分布

4 結(jié)束語

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了BS-I型測(cè)速管對(duì)粉管風(fēng)速的測(cè)量具有較好的精度，且不需要進(jìn)行基于煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的修正。CFD數(shù)值計(jì)算則表明，BS-I型測(cè)速管的速度系數(shù)對(duì)流速、測(cè)速管放置姿態(tài)和管內(nèi)積粉等情況不敏感，具備良好的精度和實(shí)用性?；谝陨锨闆r，對(duì)于燃煤電廠制粉系統(tǒng)風(fēng)粉管道內(nèi)的流速測(cè)量，建議推廣采用BS-I型測(cè)速管。

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