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MVFM型多级文丘利管流量测量装置的开发和应用

2014/8/20 11:26:04  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  摘要:该文在分析流动条件和机理的基础上,提出了理论计算模型,编制出专用的计算机程序,总结出一整套MVFM型多级文丘利管测风装置的理论计算和设计方法。MVFM型多级文丘利管测量装置具有压差放大倍数大、灵敏度高、压力损失小、重复性好、流量性能稳定、加工简单、安装维护方便等优点。十几年来现场使用实践表明,它是目前大型电站大流量送风机风量测量的理想装置。也是冶金、化工、煤炭、矿山、隧道地铁等大流量风量测量监控和显示的理想装置。

  0 前言

  流量测量装置是电站、化工、冶炼、酿造、矿井等工业部门广泛应用的通用测量设备。热网中蒸汽流量分配、钢铁厂高炉煤气管道流量、矿井中通风设备的流量都需要测量。现代化火力发电厂具有很高的自动化水平。掌握锅炉各路风量的变化已成为锅炉运行所必需。对应于负荷的变动,合理调节炉膛内风-煤的比例,以期望达到合适的过剩空气系数,对保证煤的完全燃烧十分必要。调节磨煤机系统的风量,对于提高锅炉运行效率,节约燃料有着重要意义。

  作为流量测量装置至今一直采用测出空气预热器前后压差及管道中安装节流元件的方法。前者由于空气预热器的污损及采用回转式空气预热器而难以使用,后者由于节流而压力损失大及断面非圆形的管道而难以采用的缺点。本所自1982年立题开始对国内外各种流量测量装置进行比较的基础上开发研制的MVFM型多级文丘利管与过去流量测量装置的测量流量绝对值不同,是采取与流量成函数关系的压差为主体的思想。根据国外同类产品结构及工作原理,进行理论分析及试验研究,编制了专用的计算机程序,总结出一套多级文丘利管的理论计算和设计方法。选用材质为不锈钢的MVFM型双文丘利管,出厂前逐个在本所试验风洞上进行标定试验,以达到压差放大倍数的预期值。

  从使用结果表明,MVFM型双文丘利管具有以下特点:

  (1)体积小,重量轻;

  (2)压差放大倍数大,测量灵敏度高;

  (3)压力损失小,重复性好,流量性能稳定;

  (4)结构简单,安装方便;

  (5)使用安全可靠,维护保养方便;

  (6)采用材质为不锈钢实体,耐磨性好。

  1 MVFM型双文丘利管的测量条件

  1.1 大流量低动压

  大部份锅炉在送风机进口和自送风机到空气预热器这段管道中只有很短的直管段。送风机进口段温度为常温而空气预热器出口处温度为150~330℃,锅炉设计的管道流速一般为10~20m/s,动压头较小,低负荷下动压头就更小了。

  1.2 管道内气流不均匀

  从空气预热器到风箱的燃烧空气管道由于在种种限制下,以最短的距离进行有效的连接,因而测量装置的位置取不到足够的直管段,在上游管道形状的影响下会产生偏流。

  1.3 管道多为正方形和矩形

  为了有效地利用空间,锅炉管道大部分采用正方形和矩形。且为了锅炉布置紧凑起见,管道的纵横比为3或3以上的矩形也逐渐增加了。

  2 双文丘利管的结构原理

  图1为双文丘利管结构形式。

  大文丘利管进口截面1—1的气流参数:全压P0、静压P1、速度为V0。大文丘利管喉部3—3截面气流参数:静压P3、速度为V3。小文丘利管喉部气流参数:静压P2,速度为V2

  如果不考察文丘利管内部流动损失,在大文丘利管出口4—4截面上静压应恢复到P1,速度仍为V0

  建立起下列关系式:

  式中,R为大文丘利管的压差放大倍数,R′为小文丘利管的压差放大倍数。从理论上讲,只要最小的(即最里层的)文丘利管喉部气流不出现超音速流,对于n级文丘利管的压差放大倍数可达到Rn,但由于流动有损失,因此实际压差放大倍数要乘以小于1的系数,即Rn。影响的因素很多,包括雷诺数、多级文丘利管的收缩比,扩张角及里层文丘利管出口与外层文丘利管喉部的相对位置等。

  在实用上,我们将多级文丘利管的压差放大倍数K定义为进口全压与最里层文丘利管喉部静压之差ΔP与来流速度头之比。即

  式中ρ0, V0分别为来流密度和速度。

  3 理论计算

  本方法采用时间相关有限体积法。这种方法虽然计算时间较长,但可计算跨音速的流场,而且计算比较稳定。

  以双文丘利管置于锅炉送风机进口截面管道内为例。(管道截面积与大文丘利管截面之比大于500),可假定为轴对称的无限空间绕流。求介域示于图2。

  假定气体是无粘性的理想气体、绝热流动。这时,积分形式的非定常守恒方程组为:

  用定常形式的能量方程可以减少计算时间和节省内存。

  计算中采用Denton[1]提出的新的计算网格及计算单元划分法见图2。

  根据[1]和我们使用的经验,用这种划分法可以节省计算时间约2/3左右。求介域中共采用18×63个计算点。

  计算是在我所CYBER/170/825电子计算机上进行的。计算流程示于图3。

  图4是计算得到的大、小文丘利管沿长度的壁面静压分布图。根据计算得到的压差放大倍数为18.5,试验得到相应的压差放大倍数为17.5。理论计算结果和试验结果的差别是由于实际流动有损失,装有支撑小文丘利管的3根支柱引起流动损失所致。

  4 试验研究

  多级文丘利管测得压差信号ΔP与通过它的流量二次方成正比,同喉部面积平方成反比,通过文丘利管的流量由内阻决定。要尽量减少流动损失,提高效率,增加通流能力。对于多级文丘利管是采用扩压段效率ξoi及喉部有效面积系数Eti加以考虑。

  以三文丘利管为例。由3只文丘利管套装在一起。最外层一只文丘利管标号为A,中间一只标号为B,最里层一只为C。

式中:P0———进口全压力

  Pt———大文丘利管A的出口静压力

  PtA、PtB、PtC分别为A、B、C文丘利管的喉部静压力

  CpiC———C管的压力恢复系数

  R2C———C管出口截面的半径

  RtC———C管喉部的半径

  MC———通过C管的质量流量

  MBC、MAB分别为通过B、C管喉部环形面积和通过A、B管喉部环形面积之间的质量流量。扩压段特性是个多变量的复杂函数。通过试验得到相应的ξoi-Eti、ξoi-Rei关系曲线。用合适的面积匹配、相对位置等可以合理地组织流动,有效地降低流动损失,提高ξoi值,从而提高压差放大倍数以提高文丘管灵敏度。从大量试验中得出ξoi和Eti的经验公式:

  式中 a、c、b、d均为常数。

  多级文丘利管的压差放大倍数

  图7为三文丘利管ξoi-Rei和Eti-Rei的关系曲线。

  5 试验室标定试验及其结果

  标定试验在我所大型风管风洞上进行。试验风洞为开式风洞。利用改变风机进口面积以获得不同的流量工况。试验是在常温下进行,气流最大流速可达30m/s。测试系统由毕托管、U型管和补偿式微压计组成。试验结果见图8、图9。

  由图可见,在双对数坐标系中,ΔP-V0呈直线关系。

  6 电厂现场使用的几点说明

  (1)自1987年以来MVFM型多级文丘利管系列不断完善并已产品化。使用的场所见业绩表1。

  (2)现场测试举例:

  天津铁厂轴流式风机的测风装置系采用我所研制的MVFM型双文丘利管测风管段。管段装置在风机进口消音器后约3D的直管段内,气流比较均匀。双文丘利管与管道面积比为0.8%。双文丘利管在试验室标定试验结果见表2。

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