Способ измерения локальной скорости среды в газовоздушном тракте котельного агрегата Советский патент 1992 года по МПК F22B37/38 

Изобретение относится к способам определения или подачи сигнала об условиях работы паровых котлов и может быть ис- . пользовано в энергетике для измерения расхода дымовых газов в газоходах котлоаг- регатов в системах непрерывного дистанционного контроля валовых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу с дымовыми газами тепловых электростанций (ГЭС), при исследовании газодинамических и теплообменных процессов, в которых дымовые газы котла являются рабочим телом, и т.д.

Задачей-изобретения является разработка способа непрерывного измерения на ТЭС локальной массовой скорости дымовых газов, содержащих твердую пылевзвесь и характеризующихся непостоянством температуры и состава в процессе эксплуатации котлоагрегата.

Известен способ измерения л.окаль- ной скорости газа с помощью пневматических трубок, например трубок Прандтля, Недостатком трубок Прандтля является невозможность их применения для предложенного непрерывного измерения скорости дымовых газов. Пне мометрические трубки забиваются и изнашиваются пылевзвесью, что приводит к изменению их метрологических характеристик, ухудшению показателей надежности. На показания пневмометриче- ских трубок влияют температура, давление и состав дымовых газов, изменяющие их массовую плотность.

Чувствительность пневмометрических трубок резко снижается при уменьшении скорости контролируемой среды.

2

С

о

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому способу является способ измерения локальной скорости среды в газовоздушном тракте котельного агрегата путем регистрации сигнала датчика термоанемометра, помещенного в заданную точку тракта. Такой датчик представляет собой продольно обтекаемый потоком среды трубчатый теплопе- редающий элемент (ТЭ), обогреваемый стабилизированным источником тепла. Принцип работы датчика основан на законе вынужденной конвективной теплоотдачи от ТЭ к потоку омывающего его газа. О массовой скорости газа судят по разности температур ТЭ и потока, измеряемой термопарами.

Градуировка термоанем ометрических датчиков осуществляется на известных аттестованных установках (аэродинамических трубах) в воздушном потоке комнатной температуры. Это дает возможность применять датчики для измерения скорости воздуха. Однако в настоящее время отсутствует возможность градуировки таких датчиков в среде дымовых газов. На выходной сигнал термоанемометрических датчиков влияют температура и состав дымовых газов, определяющие их теплофизические характеристики. Особенно сильное влияние на теплообмен датчика с измеряемой средой оказывают температура и влагосодержание дымовых газов ТЭС. Существенно влияет на выходной сигнал датчика также коэффициент избытка воздуха в дымовых газах котло- агрегата.

Цель изобретения - повышение точности измерения скорости дымовых газов и расширение области применения термоанемометрических датчиков на участках газовоздушного тракта котлоагрегата, по которым протекает дымовой газ,

Указанная цель достигается тем, что в способе измерения локальной скорости среды в газовоздушном тракте котельного агрегата путем регистрации сигнала датчика термоанемометра, помещенного в заданную точку тракта, и стабилизации питания датчика, дополнительно измеряют температуру омывающего термоанемометра дымового газа и коэффициент избытка воздуха в нем. по измеренным параметрам корректируют регистрируемый выходной сигнал датчика термоанемометра с учетом тепло- физических свойств дымовых газов среднего состава и объемной доли водяных паров в них, а локальную скорость среды вычисляют по формуле

и

К

(ДТ)раб

10

15

20

25

где р W- массовая скорость дымового газа в точке измерения;

( АТ)раб - выходной сигнал датчика термоанемометра;

В, гТ - коэффициенты, определяемые из условия наилучшей аппроксимации экспериментальных данных, полученных при градуировке датчика термоанемометра в воздушном потоке при комнатной температуре; К - коэффициент, учитывающий влияние на выходной сигнал датчика термоанемометра температуры, состава, влагосодержания дымовых газов и коэффициента избытка воздуха в них.

Способ поясняется чертежом, на котором схематически изображен один из вариантов датчика термоанемометра для измерения скорости запыленного газа.

Датчик термоанемометра содержит трубчатый корпус 1, снабженный конфузор- ным входным насадком 2. Внутри корпуса 1

35

помещены две идентичные тонкостенные металлические втулки: необогреваемая 3 и обогреваемая 4 нагревателем 5. Температура этих втулок измеряется спаями 6 и 7

п дифференциальной термопары. Втулки 3 и 4 отделены друг от друга теплоизолятором 8, образующим вместе с втулками гидродинамически гладкую внутреннюю поверхность датчика.

О скорости газа судят по разности температур, измеряемой термопарой (6 и 7). Датчик имеет хорошую чувствительность при малых скоростях потока. Вследствие явления термофореза твердые частицы, содержащиеся в дымовом газе, не оседают на нагретых чувствительных элементах датчика и его характеристика сохраняется неизменной. Стеснение и турбулизация пограничного слоя острыми кромками кон4t. фузорного насадка 2 обеспечивают независимость выходного сигнала датчика от интенсивности турбулентных пульсаций среды. Это позволяет распространить результаты, полученные при градуировке дат(-0 чиков на стендовых установках в потоке низкой турбулентности, на промышленные условия измерения, где турбулентность среды в газоходах ТЭС может различаться в широких пределах,

Для каждого градуировочного опыта оп40

55

ределяется массовая скорость воздуха pWrpi, выходной сигнал датчика термоанемометра ЛТгр|, переведенный из милливольт в градусы Цельсия, и температура Trpi, при этом Trpi используется как для опреде

ления pWrpi, так и ATrpi, а также средней по всем опытам температуры воздуха Тгр.ср и коэффициента KBrpi, учитывающего отличие температуры воздуха Trpi в каждом градуи- ровочном опыте от средней температуры по всем опытам Тгр.ср. Для определения KBrpi используется также значение п - показателя степени в уравнении pWrpi fA( ТГрГ). описывающем работу термоанемометра в воздушном потоке комнатной температуры. Указанное уравнение получено в первом приближении с погрешностью, вызванной различием температур Дтг р в градуировоч- ных опытах, что приводит к отклонению выходных сигналов ДТгрЕ термоанемомет- рического датчика в этих опытах. В связи с этим для каждого опыта определяется уточненное, приведенное к средней температуре Тгр.ср значение АТГр| по значениям ATrpi с поправкой на KBrpi. Наконец, по значениям pWrpi и ATrpi определяются уточненные значения коэффициентов В, п уравнения, описывающего работу термоанемометрического датчика в воздушном потоке при температуре воздуха Тгр.ср. В рассмотренной части системы контроля валовых выбросов загрязняющих веществ с дымовыми газами ТЭС используются сигналы, полученные при градуировке датчиков на воздухе. Из рассмотрения видны взаимное влияние этих сигналов и обратные связи в системе контроля, уменьшающие это влияние.

С использованием полученных значений коэффициентов В, п производится расчет коэффициентов , /fc ,/Зз и коэффи- циента Кг, учитывающего влияние теплофи- зических характеристик дымовых газов среднего состава на градуировочную характеристику термоанемометрического датчика, отградуированного в воздушном потоке. При расчете коэффициента Кг учитываются также значения средней температуры градуировки Тгр.ср, влагосодержания Y и температуры днмового газа в рабочих условиях, измеряемой термоприемником, например, термопарой (Ераб). Эти же параметры, а также значение коэффициента /Зз используются для вычисления коэффициента Кв, учитывающего влияние рабочей температуры дымовых газов на теплофизи- ческие характеристики воздуха, попадающего в газоход котла вследствие присосов. Коэффициент избытка воздуха а определяется, например, по значению измеренной кислородомером концентрации 02 в зоне газохода, где установлен датчик термоанемометра, отградуированный на стенде в воздушном потоке. По значениям а, Кг, Кв определяют коэффициент К. учитывающий.

0

5

влияние температуры, теплофизических характеристик дымового газа среднего состава и коэффициента избытка воздуха в газоходе на показания датчика термоанемометра. Выходной сигнал датчика ДТраб в градусах Цельсия определяют по его выходному сигналу А Ераб, мВ, и температуре дымового газа Траб. Наконец, по значениям АТраб, К, В, п находят массовую скорость /М/раб дымового газа в газоходе. При известной площади поперечного сечения газохода по массовой скорости /oWpa6 газа и измеренному значению концентрации/г загрязняющего вещества определяют валовой выброс этого вещества за контрольный промежуток времени т. Таким образом, путем введения компенсации по температуре дымового газа и коэффициенту избытка воздуха в них появляется возможность создания системы контроля для прямого измерения валового выброса загрязняющих веществ с дымовыми газами ТЭС с помощью термоанемометрического датчика скорости дымового газа, отградуированного в воздушном потоке комнатной температуры.

При невысокой температуре газового потока, когда можно пренебречь тепловым излучением, процесс конвективного переноса тепла от теплопередающего элемента термоанемометрического датчика, описывается критериальным уравнением теплоотдачи

Nu С RenPrn

(1)

Nu, Re, Pr - критерии подобия Нуссельта, Рейнольдса и Прандтля, рассчитываемые по параметрам измеряемого потока и определяющему размеру I датчика, С, n, m - величины постоянные для конкретного измерительного устройства при неизменном характере течения у теплопередающей поверхности.

Раскрыв в уравнении (1) критерии подобия и учитывая, что коэффициент теплоотдачи а от теплопередающего элемента к потоку равен

а получим

LAT1

(2)

NI//1

С U Prm (p WI )п

где N - мощность электрического нагревателя датчика термоанемометра;

L - поверхность теплопередающего элемента, омываемая потоком, ДТ (Тэ - Тп) - измеряемый датчиком температурный напор, равный разности температур теплопередающего элемента и потока;

А ч/и ,/э - коэффициенты теплопроводности, динамической вязкости и плотность измеряемой среды.

Сравнивая температурный напор от датчика при измерении им потока дымовых газов АТраб и воздушного потока комнатной температуры на градуировочной установке ЛТГр при одинаковой скорости потока /ЛЛЛ получим

Кг -

АТраб уИрабЯгрРгРр

ГгР /ггрАрабРг аб

(4)

Используя степенные температурные зависимости по отношению к справочным значениям для коэффициентов теплопереноса вида

Концентрация водяных паров в дымовых газах электростанций может составлять (5-20)%. Влияние влагосодёржания на теп- лофизические характеристики дымовых га- зов среднего состава в диапазоне температур 20-180°С может быть учтено зависимостями

Y11.

Яоу (Аораб Н г; 6,98 10 , (7)

оу ораб 1-128 ) ; (8)

Ргоу (Ргораб 4.81 ) ; (9)

где Y - относительное влагосодержание дымовых газов, %;

t-температура потока, °С.При отличии влагосодёржания дымовых газов от 11 % в формулу (6) вместо Аораб; /и ораб; Вцраб следует подставить Аоу ; #оу ; Рг0у . Получим ь

Разработан способ измерения локальной скорости среды в газовоздушном тракте котельного агрегата ТЭС. Способ позволяет осуществить непрерывное прямое измерение расхода дымовых газов в газоходах котельных агрегатов и валовых выбросов загрязняющих веществ (летучей золы, окислов серы, азота и др.) в атмосферу. Измерение осуществляется с помощью термоанемомет- рических датчиков скорости запыленного газа, отградуированных в воздушном потоке комнатной температуры на существующих метрологически аттестованных стендовых установках. Предложенный способ позволяет устранить влияние на результат измерения температуры, влагосодержания, теплофизи- ческих характеристик дымовых газов ТЭС и коэффициента избытка воздуха в них. 1 ил. сл

/т пц/т

I-I : I4-I

-м ; Jo/VT°/

m2

Pr Pr0

To)

m3

(5)

где Т - температура контролируемой среды, индексом О -обозначены нормальныеусловия, можно записать

РГогрУ ) РГораб/

X

(6)

хтс

А.

Траб

4

где /3i mipa6 - mirp+nfm rp-гп2раб) +пп(тзраб-тзгр); /Зг - пгп2 раб - 1П1раб - ттзраб; Дз mirp + ттзгр -пт2гр. Согласно справочным данным для воздуха, являющегося рабочей средой при градуировке датчиков,

АогР 2,43- (м-к);

fiorp 1J2- 10-5Па-с; Ргогр 0,7;

mirp Q,82; marp 0,683; тзгр -0,05. Для дымовых газов среднего состава (объемная концентрация водяных паров гн2О 11%, коэффициент избытка врздуха (х 1) согласно литературным данным

Аораб 2,28 Вт/(м-к);

1,58 с;

Рг0раб 0,74; mipa6 1,015;

Ш2раб 0,78; тзраб -0,179.

к 4«ГЈ ( fcr°mY

142 7 Proy;

Л 3t,

X To Tna6 Tro .

X

(Ю)

onНа практике в газоходах котельных агрегатов, находящихся под разрежением, вследствие присосов воздуха, коэффициент избытка воздуха составляет К а 1,8. Тогда значение коэффициента К, учиты35 вающего влияния на выходной сигнал датчика температуры, среднего состава газов, влагосодёржания и коэффициента избытка воздуха, определяется по формуле

40

+ К8(а-1),

(11)

Ъ

- коэффициент,

гдеКв % р

А 1гр 1рабв

полученный из выражения (6) для случая, когда рабочей средой является воздух, а не дымовые газы.

Градуировка термоанемометрических датчиков производится на газодинамической .установке в воздушном , потоке комнатной температуры. Кривая, аппроксимирующая экспериментальные точки (ДТ)Гр )rp, являющаяся градуировочной характеристикой датчика, описывается зависимостью

(12)где

- определяются из п

условия наилучшей аппроксимации экспериментальных данных; размерность коэффициента В кг град .

(rf с)

В результате пересчета градуировочной характеристики датчика на рабочие условия его эксплуатации в газоходе котельного агрегата электростанции зависимость (12) преобразуется в рабочую характеристику датчика

) w ЛТраб

К

где ЛТраб - выходной сигнал термоанемометра, установленного в газоходе котла; К- коэффициент, вычисленный по формуле (11) для средних сначений температуры, влажности, состава дымовых газов, протекающих в газоходе котла, и коэффициента избытка воздуха в них. При незначительном отклонении параметров потока от средних значений по зависимости (13) может быть построена шкала вторичного прибора термоанемометра.

В том случае, если в процессе эксплуатации значения температуры, влажности дымовых газов среднего состава и коэффициента избытка воздуха в них не сохраняются стабильными, по формуле (11) должна быть выполнена автоматическая компенсация влияния указанных величин.

Предложенный способ позволяет осуществить непрерывное дистанционное измерение валового выброса М загрязняюа1его вещества с дымовыми газами котельного агрегата

M vFЈrB

К

(ДТ)ра6

(14)

где V- концентрация загрязняющего вещества в единице массы дымовых газов;

F - площадь поперечного сечения измерительного участка газохода, в котором установлен датчик термоанемометра;

Ј- коэффициент, учитывающий неравномерность поля скоростей газа на измерительном участке газохода;

т- промежуток времени, в течение которого измеряется валовый выброс загрязняющего вещества.

Предложенный способ измерения локальной скорости среды в газовоздушном тракте котельного агрегата ТЭС позволяет

осуществить непрерывное прямое измерение расхода дымовых газов в газоходах котельных агрегатов и валовых выбросов в атмосферу загрязняющих веществ, содер- 5 жащихся в дымовых газах (летучей золы, окислов азота и серы и др). При этом появляется возможность осуществить градуировку датчиков скорости в воздушном потоке комнатной температуры на извест10 ных аттестованных метрологически стендовых установках (аэродинамических трубах), а также устранить влияние на результат измерения температуры, влагосодержания, теплофизических характеристик дымовых

15 газов ТЭС и коэффициента избытка воздуха в них.

Формула изобретен ия Способ измерения локальной скорости среды в газовоздушном тракте котельного

20 агрегата путем регистрации сигнала датчика термоанемометра, помещенного в заданную точку тракта, и стабилизации питания датчика, выходной сигнал которого пропорционален разности температур датчика и

25 омывающей его среды, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности измерений скорости дымовых газов и расширения области использования датчиков термоанемометра на участках газовоздуш30 ного тракта котлоагрегата, по которым протекает дымовой газ, дополнительно измеряют температуру омывающего датчик термоанемометра дымового газа и коэффициент избытка воздуха в нем, по измерен35 ным параметрам корректируют регистрируемый выходной сигнал датчика термоанемометра с учетом теплофизических свойств дымовых газов среднего соста- -ва и объемной доли водяных паров в них, а

40 локальную скорость среды вычисляют по формуле

Г и- in K

(ДТ)

где/ W - массовая скорость дымового газа в точке измерения; (АТ)раб - выходной сигнал датчика термоанемометра; В, п - коэффициенты, определенные из условия наилучшей аппроксигации эксперимен,.„ тальных данных, полученных при градуировке датчика термоанемометра в воздушном потоке при комнатной температуре; К - коэффициент, учитывающий влияние на выходной сигнал датчика

, термоанемометра температуры, состава, влагосодержания дымовых газов и коэффициента избытка воздуха в них

v

Поток

т

S /./ / / / / / / / / /yS/y/ / XtC/f л it Wi л Tj vWSAi

/У.