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，無法實現(xiàn)準(zhǔn)確的定量測量。為此需要設(shè)計一套新型的風(fēng)速測量裝置以實現(xiàn)對鍋爐燃燒的在線控制。
一、設(shè)計依據(jù)
工業(yè)上廣泛采用的渦輪流量計有許多優(yōu)點，諸如精度高、量程寬、耐壓高等。為此，借鑒渦輪流量計的工作原理，設(shè)計了新型的風(fēng)速測試裝置。渦輪流量計是一種常規(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渦輪流量計的設(shè)計原理
令渦輪葉片與渦輪軸線的夾角為α，當(dāng)將渦輪流量計渦輪置于被測流體中，根據(jù)流體動量矩原理，當(dāng)流體流動沖擊渦輪時，流體將有一個力作用在葉片上，使其轉(zhuǎn)動。設(shè)葉片旋轉(zhuǎn)時的平均旋轉(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，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渦輪流量計的不足
式（1）與式（2）是在忽略渦輪轉(zhuǎn)動過程中各種阻力的情況下導(dǎo)出的，實際上，流體沖擊葉輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩時，尚需克服流體沿葉輪表面流動時的粘滯摩擦力矩、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)動慣量和具體結(jié)構(gòu)上的差異，實際流量與渦輪的轉(zhuǎn)速之間并不能維持簡單的線性關(guān)系。其實際特性方程為
n＝cq－ca（3）
式中:c為流量計流量與轉(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，線性關(guān)系就會變得很差，不能進(jìn)行準(zhǔn)確測量。
1.3風(fēng)洞實驗
為了測試周向渦輪流量計的性能，在實驗室的吸入式風(fēng)洞上進(jìn)風(fēng)洞實驗，主要目的是考核周向渦輪流量計在渦流區(qū)的輸出特征。實驗室的吸入式風(fēng)洞是一個通用系統(tǒng)，其進(jìn)風(fēng)口、風(fēng)道、標(biāo)準(zhǔn)流量計和引風(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，只要制作并安裝好實驗段即可。實驗系統(tǒng)由進(jìn)風(fēng)口、風(fēng)道、實驗段、標(biāo)準(zhǔn)流量計和引風(fēng)機(jī)組成。標(biāo)準(zhǔn)流量計采用風(fēng)速儀，引風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)節(jié)以便于在實驗中改變風(fēng)量。實驗時，通過變頻調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)以改變風(fēng)洞的風(fēng)量，在各個風(fēng)量工況下同時讀出標(biāo)準(zhǔn)流量計的流量和周向渦輪流量計的轉(zhuǎn)速。
二、新型風(fēng)速測量裝置的方案設(shè)計
渦輪流量計的缺點在于運動部件，但是考慮到它是一個零功率輸出的渦輪，軸承幾乎沒有承載，只要設(shè)計合理的支承并通過合理的葉輪設(shè)計控制轉(zhuǎn)速，同時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
葉型設(shè)計原則為有利于葉輪的啟動、有利于保持葉輪的動平衡、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，葉輪穩(wěn)定轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)速較高;若以圖3（a）所示的半管狀葉子凸面迎風(fēng)，則啟動比較困難，我們?nèi)≌壑蟹桨?，采用圖3（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，雖啟動力矩會有所增加，但整個結(jié)構(gòu)會比較笨重，葉輪自重增加，軸承受到的載荷亦增加，使啟動摩擦力矩增加，而轉(zhuǎn)動慣量則以r的二次關(guān)系增長。當(dāng)風(fēng)速變化時，葉輪反應(yīng)的滯延會相對的長些。因而r太大或太小都不適宜，我們?nèi)為l50mm。
③葉數(shù)
一般三葉的動平衡zui易保證，但是由于安裝關(guān)系，如采用三葉，在啟動時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，從而啟動力矩偏小而不易啟動。若采用四葉，侵入流場的量就相對多些，啟動性能相對也就大些。至于五葉或以上，存在如同r較大時類似的不利因素。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，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，同時管a、管b也起到降溫作用，直到傳感器位置時，溫度已降到傳感器工作溫度范圍內(nèi)了。
2.3風(fēng)洞試驗結(jié)果
將雙支承式旋轉(zhuǎn)葉輪風(fēng)速儀安裝在風(fēng)洞實驗段的支架上，由于計數(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，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為記錄的實驗數(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，葉輪啟動時所需的風(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（>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。
速度型流量計取出的信號代表了通道中某點或某個區(qū)域的流速，計算流量時需要將測得的流速換算成通道的平均流速才能計算出通道的流量?？梢圆捎脴?biāo)準(zhǔn)流量計進(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)計方案。包括設(shè)計原理與依據(jù)、葉輪設(shè)計、傳感器隔熱設(shè)計以及測量裝置的總裝設(shè)計。并通過風(fēng)洞實驗對測量裝置進(jìn)行驗證，得到的實驗數(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。