提高大容量機組給水流量測量精度的方法及意義

李 珩

陜西電力職工培訓中心 陜西 西安 710032

0 前言

在制定大容量火電機組的節(jié)能降耗措施，以及電力調(diào)度部門在實行節(jié)能調(diào)度時，必須準確了解機組的基本性能狀況，如發(fā)、供電煤耗率和汽機的熱耗率，確定這些性能指標的方法可分為兩種：

1）機組性能在線監(jiān)測；

2）機組定期性能試驗。

這兩種方法在確定機組發(fā)、供電煤耗率和汽機的熱耗率時存在的最大問題是：結(jié)果不確定度大，可信度低，將可信度低的數(shù)據(jù)作為節(jié)能降耗或節(jié)能調(diào)度的決策依據(jù)顯然沒有任何意義。造成這種狀況的最直接原因是目前無法準確確定機組的一些重要流量。同時由于這些重要流量可信度較低，也給機組異常狀態(tài)的事故分析帶來了不便。

1 以給水流量作為機組性能測試基準流量的優(yōu)點

在汽輪機的性能試驗規(guī)程中 （如ASME PTC6）一般推薦以進入除氧器的凝結(jié)水流量或進入省煤器的給水流量作為基準流量，而且一般均認為以進入除氧器的凝結(jié)水流量作為汽輪機性能監(jiān)測的基準流量會使汽輪機性能測試的精度會更高。但本文認為將給水流量作為汽輪發(fā)電機組性能的基準流量，可將由儀表、人員素質(zhì)、測試方案等因素引入的測量不確定度降至最低。

較之于采用凝結(jié)水流量作為性能測試的基準流量而言，直接測量進入省煤器的給水流量，不但可以避免加熱器管子可能發(fā)生的泄漏、給水泵密封水的泄漏、、除氧器水位的變化對最終給水流量的確定帶來的影響，同時也能減少大量高精度儀表的使用。因此采用給水流量作為性能監(jiān)測的基準流量不擔能夠大幅度的降低性能監(jiān)測的不確定度和難度，而且將降低性能監(jiān)測的費用，以下是對這一觀點的深入討論：

1.1 采用凝結(jié)水流量作為基準流量在實際操作中存在的問題

ASME全面性性能試驗一般推薦將凝結(jié)水流量作為基準流量的首選，主要基于以下考慮：

1）安裝在低壓凝結(jié)水管道上的測量元件與焊接在高壓給水管道上的節(jié)流元件不同，可以采用法蘭連接，因此能夠在試驗前和試驗后取下并進行檢查；

2）凝結(jié)水溫度相對較低，因此雷諾數(shù)也相對較低，一方面可以減少流量噴嘴變形引起的誤差，另一方面減少由于高雷諾數(shù)下運行時，流量系數(shù)外推范圍較大可能產(chǎn)生的誤差。

由于以上原因，如采用ASME推薦的低β值喉部取壓噴嘴測量基準流量時，當將該噴嘴用于測量凝結(jié)水流量時，其流出系數(shù)為0.15%，而用于測量給水流量時，其流出系數(shù)的不確定度為0.25%。

然而精確測量給水流量是任何汽輪機性能試驗的核心，因此即使采用凝結(jié)水流量作為基準流量其目的仍然是需首先求得省煤器入口的給水流量。具體方法是通過整個高加系統(tǒng)及除氧器的質(zhì)量及能量平衡計算出各加熱器和除氧器的進汽流量，并進過多次迭代得出最終給水流量。原理雖然簡單，但該方法在實際操作中需要考慮眾多的影響因素，可能對結(jié)果產(chǎn)生的因素如下：

1）高加及除氧器系統(tǒng)水側(cè)溫度需要較高的精度，尤其是除氧器的進出水溫度和壓力最低一級高加的進水溫度；

2）需要考慮除氧器水位的變化，要求除氧器水位有規(guī)律的上升或下降，而不能大幅度的波動；

3）需要考慮給水泵軸段密封水的影響；

4）保證高加管束不泄漏；

5）保證高加的危急疏水閥和除氧器的溢放水閥和高加旁路不泄漏。

當上述條件無法滿足時，試驗結(jié)果的可信度將大為降低，因此試驗前必須對機組整個的熱力循環(huán)系統(tǒng)和系統(tǒng)中的設(shè)備狀態(tài)進行全面評估。由于有些系統(tǒng)和設(shè)備的缺陷很難發(fā)現(xiàn)將導致評估工作十分繁重，當發(fā)現(xiàn)缺陷后一般還須須停機處理，因此需要人力、物力的大量投入，同時很容易引入由于不確定因素引入的附加不確定度。另外由于還涉及到高加及除氧器系統(tǒng)的質(zhì)量及能量平衡計算，因此需要布置較多的高精度測點，使儀表費用的支出大幅提高。

1.2 采用給水流量為基準流量后對問題的解決

當直接測量給水流量時，在以凝結(jié)水流量作為基準流量的全面性試驗中需克服的問題將會大幅度的減少，從而大幅降低試驗的難度和高精度儀表的使用。實際上在美國幾乎沒有一家電力公司采用以凝結(jié)水流量為基準流量的全面性試驗規(guī)程進行機組的性能試驗(包括驗收試驗)，而以一種以直接測量給水流量的簡化方法作為替代，該方法提出后即被廣泛應用且收到了很好的效果，不但被應用于新機組的驗收試驗，更被推薦于機組投產(chǎn)后的常規(guī)性能監(jiān)測（見PTC 6S Report）。

ASME PTC6認為以凝結(jié)水流量作為基準流量的全面性試驗的不確定度約為0.25%，以給水流量作為基準流量的簡化試驗的不確定度約為0.34%（本文根據(jù)ASME要求計算出的全面性試驗不確定度為0.26%，簡化試驗的不確定度為0.35%，同ASME PTC6的結(jié)論基本一致），該結(jié)論是在以下儀表精度的要求上作出：

壓力：0.075%；

溫度：0.5℃；

基準流量 （采用ASME推薦的低β值喉部取壓噴嘴）：凝結(jié)水0.15%，給水0.25%；

輔助流量：2%。

按照ASME PTC6的不確定度分析結(jié)果，測量給水流量的簡化試驗的不確定度高于測量凝結(jié)水流量的全面性試驗（實際上并不顯著）。本文認為ASME PTC6在做出上述結(jié)論時，至少在以下方面有所遺漏，或需要深入的探討：

1）對采用凝結(jié)水流量作為基準流量的全面性試驗的不確定度分析，ASME PTC6沒有考慮給水泵密封水流量和除氧器水位變化的測量不確定度（以給水流量為基準的簡化試驗則不需要）

如果按輔助流量的測量不確定度為2%考慮，則全面性試驗的不確定度將上升至0.36%（簡化試驗的不確定度仍為0.35%）。然而由于給泵密封水回水的測量一直很困難 （有時甚至無法測量），以及除氧器水位的變化引起的當量流量的計算受水位波動的影響很大，則按2%考慮其不確定度得到的全面性試驗不確定度0.36%的結(jié)果是比較保守的。

2）ASME PTC6對溫度測量的不確定要求為0.5℃，該要求十分苛刻，目前條件幾乎無法達到，或者費用很高

回熱系統(tǒng)水側(cè)溫度對機組性能測試的不確定度影響較大，因此ASME PTC6對溫度測量不確定度的要求很高。表1列出了采用不同的溫度測量不確定度所能達到的機組測試的最終不確定度，以及要達到相應的溫度測量不確定度所必須達到的測量條件。

從表1可以看出，當溫度測量的不確定度為0.5℃時，采用測量凝結(jié)水流量的全面性試驗的最終不確定度低于直接測量給水流量的簡化試驗的不確定度；當溫度測量的不確定度為1.0℃時，兩種方法的最終不確定度相當；當溫度測量的不確定度進一步增大時，則采用測量凝結(jié)水流量的全面性試驗的不確定度將大于直接測量給水流量的簡化試驗的不確定度。

表1 溫度測量不確定度對機組性能測試最終不確定度的影響

從表1所列的測量條件還可以看出，要達到0.5℃的溫度測量不確定度在目前的條件下十分困難（費用相當高）。目前的性能驗收試驗所使用的溫度測量元件所能達到的不確定度在最好的情況下可以達到1.0℃，一般也僅為1.5℃，而一般現(xiàn)場的溫度測量元件由于沒有校驗，其不確定度在最好的情況下將達到3.5℃。可見在目前條件下，由于溫度測量的原因，采用測量凝結(jié)水流量的全面性試驗的測量不確定度將不會好于直接測量給水流量的簡化試驗的不確定度。

3）認為給水溫度較凝結(jié)水溫度高，在確定流量噴嘴的流出系數(shù)時外推量較大，因而給水流量噴嘴流出系數(shù)的不確定度（0.25%）較凝結(jié)水流量噴嘴流出系數(shù)的不確定度（0.15%）大

由于基準流量精度對汽輪機性能測試結(jié)果不確定度的影響最為顯著，認為凝結(jié)水流量噴嘴流出系數(shù)不確定度（0.15%）小于給水流量噴嘴流出系數(shù)的不確定度（0.25%）是造成采用測量凝結(jié)水流量的全面性試驗的不確定度低于直接測量給水流量的簡化試驗的不確定度的直接原因。然而近期大量的研究表明，給水流量噴嘴流出系數(shù)的不確定度并不是想象中的那樣大，凝結(jié)水流量噴嘴流出系數(shù)的不確定度也沒有想象的那樣小。

在對于一個壓力處于34.47 MPa，溫度為260℃下的噴嘴變形分析表明，在最壞情況下管道和噴嘴間脹差引起的噴嘴徑向偏差為0.045%，而比較可能的偏差則僅有0.01～0.02%。同時也有研究表明，對于高雷諾數(shù)下，流出系數(shù)的變化非常小，如當雷諾數(shù)從2×106增加到40×106時，流出系數(shù)的增加不到0.05%。

由于噴嘴本身具有良好的適應性，在條件較差的狀態(tài)下同樣能保證較好的精度。因此在ASME PTC6-1976中，曾規(guī)定噴嘴表面需具有0.1μm的光潔度，且整個上游管段需要鏜孔，而在ASME PTC6-1996版和最新的2004版中對此均有所放寬，光潔度放寬至0.4 μm，對于上游管段是否鏜孔也不再作硬性規(guī)定。

另外在運行期間，對于流量噴嘴表面所形成的氧化鐵薄膜，只要厚度均勻且小于噴嘴直徑的0.02%，可認為對流量測量不確定度的影響可忽略不計。如果厚度超過此值或表面比較粗糙，用清洗劑或用不會對噴嘴造成損傷的精細摩擦物清除即可（可通過觀察孔定期檢查和實施）。

正由于對于采用噴嘴進行流量測量有了上述的一些新認識，因此在最新版的ASME PTC19.5-2004（流量測量）中，認為只要滿足規(guī)程要求且經(jīng)過校驗的噴嘴，其不確定度均為0.25%?？梢娬J為由于凝結(jié)水流量噴嘴流出系數(shù)低而造成的采用測量凝結(jié)水流量的全面性試驗的低不確定度的好處已不再顯著。

4）ASME PTC6全面性試驗要求系統(tǒng)處于理想狀態(tài)，不存在任何形式的泄漏（系統(tǒng)狀態(tài)的判斷難度很大，且受人的因素影響較大）

當采用凝結(jié)水流量作為基準流量時，必須通過整個高加及除氧器系統(tǒng)的能量平衡求得給水流量，因此對系統(tǒng)的嚴密性要求較高。然而在機組運行期間對嚴密性的判斷十分困難，大多數(shù)情況下依賴于試驗人員的經(jīng)驗，沒有一個統(tǒng)一的標準。另外由于一些泄漏無法測得（如加熱器內(nèi)管束的泄漏、危急疏水閥的泄漏等），在計算最終結(jié)果的不確定度時很難將其考慮進去，而直接測量給水流量的簡化試驗則受此影響較小，因此從這一角度考慮，以測量凝結(jié)水流量的全面性試驗的不確定度將會增加。

2 提高給水流量測量精度的途徑

采用節(jié)流裝置進行流量測量的方法是目前各種流量測量方法中最為成熟的一種，對其研究已超過百年，是目前唯一形成國際標準的流量測量方法，因此在電力行業(yè)中對于大流量的測量均采用節(jié)流裝置。影響最為廣泛的兩個標準為：ISO5167和ASME MFC-3M，分別由國際標準化組織和美國機械工程師協(xié)會頒發(fā)，后者同時也為美國國家標準，我國的國家標準GB/T2624等效采用ISO5167。ISO5167與ASME MFC-3M的較早版本存在著一些差別，但二者分別在2003年和2004年進行了大范圍的修訂，其內(nèi)容基本趨于一致。

2.1 常用標準節(jié)流裝置的精度和使用現(xiàn)狀

按ISO5167和ASME MFC-3M設(shè)計制造的節(jié)流裝置的流出系數(shù) 的不確定度見表2。

表2 幾種常用的標準節(jié)流裝置流出系數(shù)C不確定度比較表

表2給出的是在滿足所有規(guī)定條件下節(jié)流裝置流出系數(shù) 的不確定度，當制造安裝條件不滿足標準所列的各項條件時，如節(jié)流件前后直管段不滿足條件，其最終不確定度至少增加±0.5%。再加上其他因素的影響，其最終的不確定度至少應在±1%～±3%之間。

另外目前國內(nèi)生產(chǎn)節(jié)流裝置的廠家眾多，良莠不齊，生產(chǎn)檢測手段有限，因此很難評價其生產(chǎn)的節(jié)流裝置是否滿足標準的要求，在這種情況下，如不對其生產(chǎn)的產(chǎn)品進行校驗，則根本無法對其不確定度的大小作出評價；再加上安裝單位在安裝過程中未按照標準進行，甚至損傷節(jié)流件；DCS中在將差壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)榱髁啃盘柕倪^程中方法粗糙，未按標準要求的方法進行計算等等種種原因，使采用節(jié)流裝置測量流量的最終不確定度可能遠遠大于±1%～±3% 這一水平。

2.2 ASME低β值喉部取壓長徑噴嘴

低β值噴嘴的 （β值為節(jié)流裝置的孔徑與管道直直徑之比）入口型線能夠產(chǎn)生理想的壓力梯度，這樣喉部的附面層就會很薄且流束不會分離，如果采用已知熱膨脹系數(shù)的抗腐蝕材料，精密的加工技術(shù)，使其表面達到規(guī)程要求的光滑度，則對于紊流附面層，即使在層流次附面層包含有隆起塊時，仍能達到其表面流線光滑。低β值喉部取壓長徑噴嘴是低β值噴嘴的一種形式，該噴嘴具有很高的精度（見表1），主要推薦用于機組的性能試驗中，因此對該噴嘴的制造、安裝及校驗要求未包含在流量測量標準中 （ISO5167，ASME MFC），而由機組的性能試驗規(guī)程（ASME PTC）對其進行了詳細介紹，詳見ASME PTC19.5（流量測量）和ASME PTC6（汽輪機性能試驗規(guī)程）。該噴嘴在汽輪機性能測試中取得了非常好的效果。

盡管當將低β值喉部取壓噴嘴分別用于測量給水流量和凝結(jié)水流量時其流出系數(shù)的不確定度存在一些差別（有關(guān)討論見2.2），本文仍建議將大容量機組給水流量測量裝置由一般的節(jié)流裝置更換為低β值喉部取壓噴嘴，作為提高給水流量測量精度的途徑。

為了達到較高的測量精度，低 值喉部取壓長頸噴嘴與其他類型的標準截流裝置在制造、安裝和校驗方面均有較大的區(qū)別：

1）整個裝置不僅包括噴嘴本身，還應包括上下游足夠長的直管段和上游的整流裝置，并將其作為一個整體，以避免安裝偏差對測量造成的影響；

2）噴嘴校驗時，應包括其上下游直管段和整流裝置，且校驗前后整個裝置不允許解體；

3）對噴嘴的校驗要求及對校驗數(shù)據(jù)的評價與常規(guī)標準節(jié)流裝置有較大區(qū)別。

當將噴嘴安裝在給水流量管段時需要承受較高的壓力，因此必須采取焊接的方式進行組裝。圖1是ASME PTC6所推薦的將上下游直管段以及平板式整流器作為一個整體并采取焊接組裝的低β值喉部取壓長頸噴嘴。

圖1 采取焊接組裝的流量管段示意圖

噴嘴安裝前按ASME PTC6規(guī)定進行校驗，使用過程中不再對其進行校驗，但必須定期對噴嘴表面進行檢查或修補。為了滿足這一要求，需要在噴嘴的緊上游設(shè)置一帶塞子的觀察孔。觀察孔的位置需滿足易于觀察、易于清洗噴嘴內(nèi)部及其他設(shè)計因素。圖2為此類觀察孔的一個范例，觀察孔的直徑至少為4in（100 mm）。

圖2 觀察孔的組裝示意圖

3 結(jié)論及意義

由于采用給水流量作為基準流量優(yōu)于采用凝結(jié)水流量作為基準流量，因此在省煤器入口安裝（或更換）ASME低 值喉部取壓長頸噴嘴提高給水流量測量精度具有以下的重要意義：

可簡化新機組或汽輪機通流改造后性能驗收試驗的難度，減少試驗費用，并取得更高的精度；

由于簡化了試驗，使定期的高精度性能試驗成為可能；

將給水流量作為整個機組重要流量的計量基準，通過性能試驗的方法準確得到調(diào)節(jié)級后參數(shù)與主蒸汽流量的關(guān)系、中壓調(diào)門前壓力與再熱蒸汽流量的關(guān)系、低壓缸進汽參數(shù)與低壓缸進汽流量的關(guān)系以及各監(jiān)視段參數(shù)與汽輪機各級段后流量等關(guān)系；

通過校核后的調(diào)節(jié)級后參數(shù)與主蒸汽流量的關(guān)系能夠?qū)崟r、準確地得到主蒸汽流量，使性能在線監(jiān)測的結(jié)果精度和可信度大幅提高，并減少了波動；

由于測量精度和可信度的提高，使機組的定期性能試驗和性能在線監(jiān)測的結(jié)果具有更好的重復性，能夠更加準確反映機組性能的變化趨勢，也能準確反映出機組性能水平的絕對值。并且由于有了計量基準，使不同機組之間的比較成為可能，這對節(jié)能調(diào)度的公平性十分重要；

機組的給水流量，主、再熱蒸汽流量等重要流量是監(jiān)視機組出力和通流部分狀況的重要參數(shù)，因此為機組平時運行狀態(tài)下所出現(xiàn)的異常狀況的事故分析提供了條件；

由于經(jīng)校核后，機組各處的重要流量均取自于同一基準，因此對機組重要部位的泄漏的監(jiān)測也望能取得較好的效果；

有利于具有良好重復性的低費用低難度的機組日常運行監(jiān)測體系的建立。

［1］ASME/ANSI.PTC19.52004 Flow Measurement［S］.New York：ASME，2004.

［2］ASME/ANSI.MFC-3M 2004 Measurement of fluid flow in pipes using orifice， nozzle and Ventri［S］.New York：ASME，2004.

［3］ASME/ANSI.PTC62004 Steam Turbines［S］.New York：ASME，2004.

［4］ASME/ANSI.PTC6S Report 1988 Procedures for Routine Performance Tests of Steam Turbine［S］.New York：ASME，1988.

［5］B.Bornstein，K.C.Cotten.有關(guān)汽輪機-發(fā)電機驗收試驗的說明［R］.General Electric Report GER-2908.