新型风速测量装置设计

　　0　引言

　　多年来,国内锅炉的燃烧监测手段落后,司炉进行的锅炉燃烧调整一直停留在依靠观测风道静压、风门开度和肉眼看火的基础上,很难有效实现锅炉合理燃烧的调整。虽然目前技术上较为成熟的标准和非标准动压(风速)测量装置已为数不少,但由于设备布置条件的限制,在生产现场几乎难以找到较为合适的安装位置和满足动压测量装置的基本测量条件。在这种情况下,由于没有误差限作保证,所取得的数据最多只能作为定性参考,无法实现准确的定量测量。为此需要设计一套新型的风速测量装置以实现对锅炉燃烧的在线控制[1-4]。

　　1　设计依据

　　工业上广泛采用的涡轮流量计有许多优点,诸如精度高、量程宽、耐压高等。为此,借鉴涡轮流量计的工作原理,设计了新型的风速测试装置。涡轮流量计是一种常规测速仪表,它属于速度式流量测量仪表,与水表、风速计等同属叶轮仪表。利用置于流体中的叶轮转速与流体的流速成比例的关系,通过测量叶轮转速得出流量流速,继而求出流体流量[5]。

　　1.1　涡轮流量计的设计原理

　　令涡轮叶片与涡轮轴线的夹角为α,当将涡轮流量计涡轮置于被测流体中,根据流体动量矩原理,当流体流动冲击涡轮时,流体将有一个力作用在叶片上,使其转动。设叶片旋转时的平均旋转半径为r;叶栅的流通截面为S;气体流速为u;被测流体的流量为Q;平均半径r处的切向速度为v;叶片转速为n,则有:

　　当涡轮结构一定时,r、S、α为定值,即为常数,流量Q正比于涡轮的转速n,设常数为C,则:

　　Q =Cn (2)

　　也就是说流体流量与叶轮转速成线性比例,标定出比例系数即可。

　　1.2　涡轮流量计的不足

　　式(1)与式(2)是在忽略涡轮转动过程中各种阻力的情况下导出的,实际上,流体冲击叶轮产生转动力矩时,尚需克服流体沿叶轮表面流动时的粘滞摩擦力矩、涡轮轴与轴承之间的摩擦力矩等[6]。另外,由于涡轮本身的转动惯量和具体结构上的差异,实际流量与涡轮的转速之间并不能维持简单的线性关系。其实际特性方程为:

　　n=cQ-ca(3)

　　式中:c为流量计流量与转速转换系数;a为流量传感器结构参数、流体流态及特性等相关系数。

　　其涡轮传感器特性曲线,即Q (流量)-ξ(仪表常数,为流量计输出频率与流体流量的比值,如果线性好,则ξ为定值)特性曲线并非理想的水平线,而是如图1(a)所示的曲线。

　　通过特性方程以及其特性曲线可得到如图1(b)所示的Q(流量)-n(转速)关系曲线,发现涡轮流量计存在最大与最小量程QA、QB。即流体流量在量程范围内,流体流速与传感器叶片转速是线性的,当流量小于QA或大于QB时,线性关系就会变得很差,不能进行准确测量。