多年來,國內(nèi)鍋爐的燃燒監(jiān)測手段落后,司爐進(jìn)行的鍋爐燃燒調(diào)整一直停留在依靠觀測風(fēng)道靜壓、風(fēng)門開度和肉眼看火的基礎(chǔ)上，很難有效實(shí)現(xiàn)鍋爐合理燃燒的調(diào)整。雖然目前技術(shù)上較為成熟的標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)壓（風(fēng)速）測量裝置已數(shù)不少，但由于設(shè)備布置條件的限制，在生產(chǎn)現(xiàn)場幾乎難以找到較為合適的安裝位置和滿足動(dòng)壓測量裝置的基本測量條件。在這種情況下，由于*限作保證，所取得的數(shù)據(jù)zui多只能作為定性參考，無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定量測量。為此需要設(shè)計(jì)一套新型的風(fēng)速測量裝置以實(shí)現(xiàn)對鍋爐燃燒的在線控制。
一、設(shè)計(jì)依據(jù)
工業(yè)上廣泛采用的渦輪流量計(jì)有許多優(yōu)點(diǎn)，諸如精度高、量程寬、耐壓高等。為此，借鑒渦輪流量計(jì)的工作原理，設(shè)計(jì)了新型的風(fēng)速測試裝置。渦輪流量計(jì)是一種常規(guī)測速儀表，它屬于速度式流量測量儀表，與水表、風(fēng)速計(jì)等同屬葉輪儀表。利用置于流體中的葉輪轉(zhuǎn)速與流體的流速成比例的關(guān)系，通過測量葉輪轉(zhuǎn)速得出流量流速，繼而求出流體流量。
1.1渦輪流量計(jì)的設(shè)計(jì)原理
令渦輪葉片與渦輪軸線的夾角為α，當(dāng)將渦輪流量計(jì)渦輪置于被測流體中，根據(jù)流體動(dòng)量矩原理，當(dāng)流體流動(dòng)沖擊渦輪時(shí)，流體將有一個(gè)力作用在葉片上，使其轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)的平均旋轉(zhuǎn)半徑為r;葉柵的流通截面為s;氣體流速為u;被測流體的流量為q;平均半徑r處的切向速度為υ;葉片轉(zhuǎn)速為n，則有:
當(dāng)渦輪結(jié)構(gòu)一定時(shí)，r、s、α為定值，即為常數(shù)，流量q正比于渦輪的轉(zhuǎn)速n，設(shè)常數(shù)為c，則：
q＝cn（2）
也就是說流體流量與葉輪轉(zhuǎn)速成線性比例，標(biāo)定出比例系數(shù)即可。
1.2渦輪流量計(jì)的不足
式（1）與式（2）是在忽略渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中各種阻力的情況下導(dǎo)出的，實(shí)際上，流體沖擊葉輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩時(shí)，尚需克服流體沿葉輪表面流動(dòng)時(shí)的粘滯摩擦力矩、渦輪軸與軸承之間的摩擦力矩等。另外，由于渦輪本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和具體結(jié)構(gòu)上的差異，實(shí)際流量與渦輪的轉(zhuǎn)速之間并不能維持簡單的線性關(guān)系。其實(shí)際特性方程為
n＝cq－ca（3）
式中:c為流量計(jì)流量與轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換系數(shù);a為流量傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)、流體流態(tài)及特性等相關(guān)系數(shù)。
其渦輪傳感器特性曲線，即q（流量）-ξ（儀表常數(shù)，為流量計(jì)輸出頻率與流體流量的比值，如果線性好，則ξ為定值）特性曲線并非理想的水平線，而是如圖l（a）所示的曲線。
通過特性方程以及其特性曲線可得到如圖1（b）所示的q（流量）-n（轉(zhuǎn)速）關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)渦輪流量計(jì)存在zui大與zui小量程qa、qb。即流體流量在量程范圍內(nèi)，流體流速與傳感器葉片轉(zhuǎn)速是線性的，當(dāng)流量小于qa或大于qb時(shí)，線性關(guān)系就會(huì)變得很差，不能進(jìn)行準(zhǔn)確測量。
1.3風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)
為了測試周向渦輪流量計(jì)的性能，在實(shí)驗(yàn)室的吸入式風(fēng)洞上進(jìn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，主要目的是考核周向渦輪流量計(jì)在渦流區(qū)的輸出特征。實(shí)驗(yàn)室的吸入式風(fēng)洞是一個(gè)通用系統(tǒng)，其進(jìn)風(fēng)口、風(fēng)道、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和引風(fēng)機(jī)是固定配置，風(fēng)道口徑為280mm×320mm，風(fēng)道的zui大引風(fēng)量為200om3/h。使用時(shí)，只要制作并安裝好實(shí)驗(yàn)段即可。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由進(jìn)風(fēng)口、風(fēng)道、實(shí)驗(yàn)段、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和引風(fēng)機(jī)組成。標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)采用風(fēng)速儀，引風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)節(jié)以便于在實(shí)驗(yàn)中改變風(fēng)量。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過變頻調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)以改變風(fēng)洞的風(fēng)量，在各個(gè)風(fēng)量工況下同時(shí)讀出標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的流量和周向渦輪流量計(jì)的轉(zhuǎn)速。
二、新型風(fēng)速測量裝置的方案設(shè)計(jì)
渦輪流量計(jì)的缺點(diǎn)在于運(yùn)動(dòng)部件，但是考慮到它是一個(gè)零功率輸出的渦輪，軸承幾乎沒有承載，只要設(shè)計(jì)合理的支承并通過合理的葉輪設(shè)計(jì)控制轉(zhuǎn)速，同時(shí)選擇合適的軸承與支承方式，其壽命和可靠性是有保證的。為此，我們設(shè)計(jì)了一套雙支承結(jié)構(gòu)的方案。雙支承式旋轉(zhuǎn)葉輪風(fēng)速儀具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中圖2（a）為盒式風(fēng)葉軸系三維示意圖;圖2（b）為整裝結(jié)構(gòu)示意圖;圖2（c）為裝配示意圖。該方案的外殼由不銹鋼盒子拼成，軸承座用螺栓固定在外殼的兩個(gè)側(cè)壁上，風(fēng)葉由小不銹鋼盒子構(gòu)成，將其用小螺栓固定在十字型輪輻上構(gòu)成軸系，磁感應(yīng)的傳感器置于背部。
2.1葉輪設(shè)計(jì)
葉型設(shè)計(jì)原則為有利于葉輪的啟動(dòng)、有利于保持葉輪的動(dòng)平衡、易加工、自重小，具體涉及到以下幾方面:
①葉型
對于雙支式風(fēng)速儀，其葉型比較簡單，主要有兩種形式，如圖3所示。由于流體對不同障礙物的繞流系數(shù)不同，當(dāng)以圖3（a）半管狀葉子或圖3（b）盒式葉子的凹面迎風(fēng)時(shí)，葉輪穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速較高;若以圖3（a）所示的半管狀葉子凸面迎風(fēng)，則啟動(dòng)比較困難，我們?nèi)≌壑蟹桨福捎脠D3（b）所示的盒式葉子的背面迎風(fēng)。
②輪輻半徑
一方面，理論上葉輪穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后,ω與r成反比關(guān)系。旋轉(zhuǎn)葉輪風(fēng)速儀葉輪轉(zhuǎn)速-半徑理論關(guān)系如圖4所示，在r小于r0處,ω的值較大，但ω隨著r的小幅增加，會(huì)有大幅下降;過了r0后隨r的增加,ω的降幅趨緩；另一方面，r增大時(shí)，雖啟動(dòng)力矩會(huì)有所增加，但整個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì)比較笨重，葉輪自重增加，軸承受到的載荷亦增加，使啟動(dòng)摩擦力矩增加，而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量則以r的二次關(guān)系增長。當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，葉輪反應(yīng)的滯延會(huì)相對的長些。因而r太大或太小都不適宜，我們?nèi)為l50mm。
③葉數(shù)
一般三葉的動(dòng)平衡zui易保證，但是由于安裝關(guān)系，如采用三葉，在啟動(dòng)時(shí)侵入流場的量相對少些。而流體靠近管道壁處的流速相對又小，從而啟動(dòng)力矩偏小而不易啟動(dòng)。若采用四葉，侵入流場的量就相對多些，啟動(dòng)性能相對也就大些。至于五葉或以上，存在如同r較大時(shí)類似的不利因素。綜合考慮，我們的風(fēng)速儀采用四葉。
2.2傳感器隔熱
為了測得葉輪的轉(zhuǎn)速，需要安裝傳感器。對于雙支式風(fēng)速儀，若采用磁感應(yīng)式傳感器，安裝比較繁瑣，且其隔熱設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。為此，我們采用對射式光感應(yīng)傳感器。對射式光感應(yīng)傳感器的安裝同樣需要隔熱，這里采用的方法如圖5所示。雖然不銹鋼管a端連接的熱源（殼壁）里面有熱空氣，但因其位于冷空氣中，由于金屬優(yōu)良的熱導(dǎo)性，到組合體c時(shí)，溫度已有所降低。而組合體c阻止了空氣的對流，且本身又是熱不良導(dǎo)體，在管b側(cè)，溫度亦有所降低，同時(shí)管a、管b也起到降溫作用，直到傳感器位置時(shí)，溫度已降到傳感器工作溫度范圍內(nèi)了。
2.3風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果
將雙支承式旋轉(zhuǎn)葉輪風(fēng)速儀安裝在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的支架上，由于計(jì)數(shù)器本身有±60的誤差，所以在每記錄一次風(fēng)速讀數(shù)的同時(shí)，需要連續(xù)讀一組轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，然后取平均作為相應(yīng)風(fēng)速對應(yīng)的頻率數(shù)。表1為記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中轉(zhuǎn)速為取平均值后的結(jié)果，圖6為相應(yīng)的圖線形式結(jié)果。
由圖6可見，這種結(jié)構(gòu)形式下，葉輪啟動(dòng)時(shí)所需的風(fēng)速不很大（<8m/s），隨著風(fēng)速的不斷升高，傳感器的葉片轉(zhuǎn)速不斷提升，線性性能較好。且風(fēng)速較大時(shí)（>30m/s），仍保持良好的線性，且轉(zhuǎn)速相對較低（<250or/min）。相對而言，是種較好的方案。
速度型流量計(jì)取出的信號代表了通道中某點(diǎn)或某個(gè)區(qū)域的流速，計(jì)算流量時(shí)需要將測得的流速換算成通道的平均流速才能計(jì)算出通道的流量?？梢圆捎脴?biāo)準(zhǔn)流量計(jì)進(jìn)行示蹤標(biāo)定。
三、結(jié)束語
傳統(tǒng)流速測量的方法還比較落后，很難做到準(zhǔn)確測量，針對這一問題，本文提出了新型風(fēng)速測量裝置的設(shè)計(jì)方案。包括設(shè)計(jì)原理與依據(jù)、葉輪設(shè)計(jì)、傳感器隔熱設(shè)計(jì)以及測量裝置的總裝設(shè)計(jì)。并通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對測量裝置進(jìn)行驗(yàn)證，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，通過新型的風(fēng)速測量裝置，可以較為準(zhǔn)確地測得煤粉的流量，從而可以對鍋爐燃燒做到在線控制。