P io tr OSTROWSKI
Zakład M iernictw a i A utom atyki Procesów Energetycznych
W ydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Politechnika Śląska, Gliwice
WSKAZANIE MOŻLIWOŚCI APLIKACJI
TERMOANEMOMETRYCZNYCH PRZEPŁYWOMIERZY STRUM IENIA MASY W SIŁOWNIACH CIEPLNYCH
S tr e s z c z e n ie . W arty ku le przedstaw iono zasadę działania term o- anem om etrycznych przepływom ierzy stru m ien ia m asy gazów przem y
słowych, pow ietrza i spalin. Podano ich podstawowe cechy metrologicz
ne, konstrukcyjne i eksploatacyjne. W skazano obwody pom iarow o-re- gulacyjne w siłowniach cieplnych, w których zastosow anie przepływo
m ierzy masowych może przynieść znaczne korzyści w efektywności działan ia przy obniżeniu kosztów eksploatacji.
THE APPLICA TIO N PO SSIB IL IT IE S OF THE THERMAL MASS FLOW M ETERS IN HEAT POW ER STATIONS
S u m m ary. The principle of th e functioning of th e th erm al flow m eters of m ass of gases, a ir and flue gases w as presented. The basic metrological, design and exploitation features were given. The control- m easu rem en t loops in h e a t power station s in which the use of th e m ass flow m eters can significantly profit in efficient functioning w ith parallel exploitation costs reduction w ere pointed out.
ANW ENDUNGSM ÖGLICHKEITEN VON DEN
TERM OANEM OM ETRISCHEN M ASSEDURCHFLUßM ESSER IN WÄRMEKRAFTWERKE
Z u sa m m en fa ssu n g . Im A rtikel das Prinzip der W irkung von ter- m oanem om etrischen D urchflußm esser der in du striellen Gase, Luft und Abgase w ar vorgestellt. Die M etrologische-, K onstrutions- und B etriebsgrunbezeichnungen w aren gegeben. Die Meß- und R egelungskreise im W ärm ekraftw erke wo die A nw endung von M assedurchflußm esser die große W irkungsvorteile bei B etriebskosten
verm in d erung bringen k a n n w aren gezeigt.
420 Piotr Ostrowski
1. W stęp
W ostatnich latach daje się zauważyć wśród naukowców i praktyków u s ta wiczne dążenie do popraw y spraw ności obiegu siłowni cieplnych, które w założeniu powinno być osiągnięte przy spełnieniu w szystkich obowiązujących i przew idyw anych norm oraz przepisów w zakresie ochrony środowiska. Wy
daje się, że najw łaściw szą drogą do osiągnięcia powyższego celu może być realizacja obiegów parow o-gazowych - wym agają one jed n a k dużych n a k ła dów finansowych n a m odernizację istniejących lub budowę nowych siłowni.
Innym i sposobami, szczególnie w skazanym i z uwagi n a ochronę środowiska, są: m odernizacja kotłów (m.in. w prowadzenie palników niskoem isyjnych, roz
dział pow ietrza do s tre f sp alan ia itp.) lub w ym iana kotłów (m.in. rozpo
w szechnienie palenisk fluidalnych). Oprócz tych strategicznych zam ierzeń nie należy jed n a k zaniedbywać rozw iązań z pozoru drobniejszych, lecz istotnie wpływających n a elem enty składowe kosztów, tj. zużycie energii n a potrzeby w łasne, k a ry za zanieczyszczanie środow iska itp. Rozwiązaniem prow adzą
cym do powyższego celu je s t m .in. zm niejszenie emisji tlenków azotu na drodze kontroli tem p e ra tu ry spalania, co m ożna osiągnąć poprzez właściwy rozdział pow ietrza pierwotnego i wtórnego przy ciągłym pom iarze emisji sp a
lin. Realizację tych obwodów pomiarowych i regulacyjnych um ożliw ia zastoso
w anie nowoczesnych przepływom ierzy masowych czynników gazowych. Prze
pływomierze te mogą znaleźć zastosow anie także w innych m iejscach w siłow
ni, n a co w skazano poniżej.
2. T ech n ik i p o m ia r o w e str u m ie n i g a zó w
Strum ien ie pow ietrza do procesu sp alan ia oraz spalin za kotłem są induko
w ane w entylatoram i i rozprow adzane wielkośrednicowymi rurociągam i i k a nałam i. Zwykle nieznaczny n a d m ia r dyspozycyjnej różnicy ciśnień, przy po
ziomie ciśnień statycznych rzędu kilku kPa, dotychczas ograniczał możliwości pom iaru stru m ieni pow ietrza do m etody ru re k spiętrzających, um ieszczanych w strefie niezapylonej i wykorzystywanych okresowo. W zdecydowanej wię
kszości przypadków nie realizowano pomiarów stru m ien ia pyłu węglowego czy też spalin i ograniczano się do w ykonyw ania powyższych pomiarów w czasie rozruchu czy też okresowych testów lub kontoli. Techniki pomiarowe zwężkowe (np. zwężki Venturiego) były drogie inwestycyjnie i eksploatacyjnie i niew skazane technologicznie, głównie z uwagi n a stra tę ciśnienia. Ich zasto
sowanie było ograniczane do niezbędnego m inim ium . Próby z innym i prze
pływom ierzam i, np. ultradźw iękow ym i czy korelacyjnym i, z uw agi n a wysokie koszty zakupu rokowały w ąskie zastosowanie. W prowadzono nato m iast czę
ściowo ru rk i spiętrzające uśredniające typu ANUBAR, ITABAR itp., które
w ym agają jed n a k ciągłego nadzoru eksploatacynego. Dodatkow ą w adą powy
ższych technik pom iarowych je st bezpośredni pom iar stru m ien ia objętości i konieczność stosow ania dodatkowych pom iarów tem p e ra tu ry i ciśnienia w celu określenia stru m ie n ia masy.
3. M a so w e p r z ep ły w o m ie r z e ter m o a n e m o m etr y cz n e
Przepływom ierze term oanem om etryczne [1 — 3] pozw alają n a bezpośredni pom iar stru m ie n ia m asy (pw), przepływającego gazu przez jednostkow e pole przekroju rurociągu / k a n a łu w w aru n k ach p oraz T. Dlatego też pełny prze
krój przepływ u A dzielony je s t n a elem entarne, równe sobie pola A/n, a w środku każdego pola um ieszczany je s t pojedynczy czujnik sondy. Całkowity stru m ień m asy je s t obliczany z zależności:
n n n
m * = X t(pw)i) X A /n ] = £ (pw)i X A /n = £ (puwu) x A /n kg/s
i=l i=l i=l
lub n n
V* = m */pu = (3 6 0 0 /p u) x ^ (puwu) x A /n = 3600 x (wu) x A /n m„/h
i=l i = i
gdzie:
Puwu — stru m ie ń m asy gazu po kalibracji czujników dla w arunków umow
nych pu, Tu.
Ilość punktów podziału n zależy od średnicy rurociągu, liczby (Re) i odcin
ków prostych przed/za przepływom ierzem względem elem entów deform ują
cych profil prędkości w rurociągu (np. kolana, redukcje, zawory itp.) [4 - 6] i wynosi:
~ n min = 1 <fia w arunków L/D > 50 lub z w staw ką norm ującą przepływ, - n= 12 dla L/D > 6,
- n max > 16 dla 2< L/D < 6.
Z asada pom iaru przepływom ierzy term oanem om etrycznych: S trum ień cie
pła unoszonego z grzanego czujnika ze strum ieniem m asy gazu je s t kom pen
sowany energią elektryczną dostarczaną do czujnika (anem om etria stało- tem peraturow a):
Ew/ Rw = aA(Tv - Ta) przy czym
aA = a2 + a2 (pw)1/m
422 Piotr Ostrowski
gdzie:
A — powierzchnia grzanego czujnika, a — współczynnik w nikania ciepła, a 1; a2, m - stałe wyznaczane doświadczalnie,
stą d „prędkość m asow a”:
1
i Ew ]
l / m
a 2 ( T w - T J R ,
V /
~ a l
4. W ybrane c e c h y p rz ep ły w o m ie rz y ter m o a n e m o m etr y c z n y c h
■ Przepływom ierze term oanem om etryczne zapew niają bezpośredni pomiar stru m ie n ia m asy gazu; nie w ym agają kom pensacji zam ian tem p e ra tu ry i ciśnienia.
■ Przepływom ierze masowe znajdują zastosowanie w pom iarach powietrza, gazów przem ysłowych i spalin (także zapylonych) w zakresie do 230°C i 1,3 MPa.
■ Mogą być stosow ane zarówno w rurociągach o średnicy od kilku mm, ja k i k an ałach o przekroju okrągłym i w ielokątnym o w ym iarach do kilkunastu metrów.
■ W ywołują mały trw ały spadek ciśnienia czynnika mierzonego (niskie straty).
■ Cechują się dużą prostotą zabudowy, łatw ą obsługą i n iską ceną.
5. W sk a za n ie m o ż liw o śc i a p lik a cji
■ P om iar m ieszanki pyłowo-powietrznej
Pył węglowy pow stający w procesie przem iału w m łynach węglowych uno
szony je s t w stru m ieniu pow ietrza do palników kotłowych - typowo stosuje się 4... 8 rurociągów za pojedynczym młynem. Równomierny rozdział strum ieni do każdego p aln ik a um ożliwia osiągnięcie wyrównanego rozkładu ciepła w kom orze paleniskowej: równom ierne spalanie, b rak lokalnych wzrostów tem p e ra tu ry i erozji dysz palnika, niezatykanie się arm atury.
Obecnie stosuje się technikę odniesienia - we w szystkich rurociągach za m łynem u s ta la się n a drodze kolejnych przybliżeń tak ie sam e strum ienie m asy pow ietrza (bez pyłu węglowego) i zakłada się, że zapew nia to równość stru m ien i m ieszanki pyłowej w tych rurociągach. Pom iary stru m ieni objętości realizow ane są przy użyciu ru re k spiętrzających, a ich wyniki wymagają
pracochłonnych przeliczeń w celu uw zględnienia gęstości pow ietrza (dodatko
we pom iary te m p e ra tu ry i ciśnienia).
Zastosow anie przenośnych sond przepływom ierzy masowych nie tylko upraszcza znacznie te n proces, ale pozwala również zrealizować pom iar rze
czywistego stru m ie n ia m ieszanki pyłowo-powietrznej po uruchom ieniu m łyna (konwekcja w z ra sta ok. 70%). Pozostaw ienie sond w rurociągach um ożliw ia bieżącą kontrolę stru m ien i pyłu w czasie eksploatacji.
■ P om iar stru m ie n ia pow ietrza do młynów węglowych.
N iewłaściwy stru m ie ń pow ietrza do młynów węglowych i jego te m p e ra tu ra powoduje szereg p erturbacji w pracy m łyna i kotła:
- zbyt duża prędkość wywołuje:
- wzm ożoną erozję, n iestab iln e spalanie i „za długi” płomień,
- poryw anie grubych frakcji a tym sam ym „wolniejsze” i mniej efektywne spalanie oraz tw orzenie się żużla,
- w zrost ciśnienia zw iększa zagrożenie przepływem najdrobniejszych fra kcji do łożysk m łyna,
- zbyt m ała prędkość wywołuje:
- zm niejszenie unoszenia pyłu z m łyna, - opadanie pyłu w rurociągach.
Zwykle do pom iaru stosuje się zwężki Venturiego, które w prow adzają s ta łą s tra tę ciśnienia rzędu 500 do 700 Pa, w ym agają korekcji gęstości z uw agi n a zm iany te m p e ra tu ry oraz długich odcinków prostych, stosow ane ostatnio r u r ki spiętrzające w ym agają również korekcji gęstości, a ponadto są czułe n a gradienty te m p e ra tu r (występujące przy niepełnym w ym ieszaniu stru m ieni n a krótkich odcinkach). Przepływom ierze masowe m ierzą bezpośrednio s tr u m ień m asy gazu bez względu n a zm ianę prędkości gazu w zakresie: od 0,1 do ok. 60 mn/s w w aru n k ach umownych.
■ Pom iar (i dalej rozdział) strum ieni m asy powietrza pierwotnego i wtórnego:
• P om iar stru m ien i pow ietrza um ożliw ia p ro stą realizację regulacji k a skadowej stosun k u n a d m ia ru pow ietrza przez w prowadzenie lokalnego sprzężenia zwrotnego w torze n a sta w ia n ia stru m ien ia pow ietrza i n a tej drodze uzyskania oszczędności paliwa.
• J e d n ą z m etod redukcji tlenków azotu i udziału w ęgla w popiołach lotnych pow stających w procesie sp alan ia je s t właściwy rozdział powie
trza: pierwotnego i wtórnego (i dalsze rozdziały), a tak że skierow anie stru m ien i pow ietrza wtórnego w odpowiednie sektory komory palen i
skowej .
• D odatkow ą korzyścią je s t fak t uzysk an ia dużych oszczędności mocy elektrycznej koniecznej do n ap ędu w entylatorów , bowiem stosow ane dotychczas w tych obwodach zwężki V enturiego w prow adzały trw ałą s tra tę ciśnienia.
424 Piotr Ostrowski
■ W prowadzone uregulow ania praw ne z zakresu ochrony środow iska okre
ślają lim ity emisji gazów toksycznych S 0 2, NOx, CO oraz pyłów w okresach sprawozdawczych. Pom iary stężeń gazów i pyłów w ym agają uzupełnienia o pom iar stru m ien ia m asy spalin w em itorach. Dotychczas z uwagi n a brak odpowiedniej m etody pomiarowej stosowano najczęściej m etodę bilansową w yznaczania stru m ien ia m asy spalin. Pom iar term oanem om etrem wielo- czujnikowym w kom inie pozwala wyznaczyć stru m ień ju ż n a wysokości ok.
3D powyżej połączenia z kan ałem spalinowym.
■ Zapew nienie stałości próżni w skraplaczach przy zm iennych obciążeniach bloku je s t bardzo istotne. Zastosowanie przepływom ierzy masowych w układach ze w spom aganiem pom pą próżniową pozwala w sposób ciągły kontrolować „przecieki” pow ietrza w skraplaczach.
Strum ień
masv___ Strum ień
ciepła (pw)
Grzany czujnik prędkości gazu
Czujnik tem peratury gazu
Rys. 1. C zujnik przepływ om ierza masowego Fig. 1. Flow m eter sensor
6. P o d su m o w a n ie
Term oanem om etryczne przepływom ierze masowe są tanim i przetw ornika
mi pom iarowym i, które mogą znaleźć zastosowanie w wielu m iejscach w siłowniach cieplnych, zastępując dotychczas stosow ane przepływomierze
oparte n a pom iarze różnicy ciśnień, a n aw et um ożliw iając realizację układów pom iarow o-regulacyjnych, które dotychczas nie były stosow ane w praktyce eksploatacyjnej.
L iter a tu r a
1. Reducing Cost of O w nership w ith T herm al M ass Flow M eters, SIERRA INSTRUM ENTS INC., M onterey, USA.
2. Brooks D igital (TMF) M ass Flow M eters and M ass Flow Controllers, BROOKS INSTRUM ENTS B.V., The N eth erlan d s 1994.
3. M ass Flow and P ressu re M etters/C ontrollers, BRONKHORST HI-TEC, The N eth erlan d s, 1991.
4. Olin J.G.: Flow M onitors for Continous Em issions M onitoring System (CEMS) - th e Effect of non-uniform flows, Electric Pow er R esearch In stitu te , B irm ingham , A labam a USA, 1992.
5. Olin J.G.: An E ngineering Tutorial: T herm al M ass Flow M eters, IN TEC H E ngineers Notebook, 1993.
6. Teijem a J.: Accurate Flow M easurem ents in In d u strial pipe cofigura
tions by applying an in d u stria l pipe reducer, FLOM EKO’94, Delft H ydraulics, The N eth erland s, 1994.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Edw ard Kostowski
W płynęło do Redakcji: 10. 10. 1996 r.
A b str a c t
The principle of th e functioning of th e of th e th erm al flow m eters of m ass of in d u stria l gases, air and flue gases w as presented. The basic m etrological, design an d exploitation features w ere given. The control-m easurem ent loops in h e a t power statio ns in w hich th e use of th e m ass flow m eters can sig
nificantly profit in efficient functioning w ith parallel exploitation costs reduc
tion w ere pointed out, i.g. am ong others th e m easurem ents of th e dust-air m ixture m ass flow, th e air flow to coal-dust mills, th e p rim ary and secondary a ir flows (and distribution), th e flue gases m ass flow in stacks, th e vacuum control in condensers.
