電站熱力試驗(yàn)流量測(cè)量方法對(duì)比分析及其應(yīng)用①

王加勇 楊 茉 張 鼎 代軍科 劉國偉

(1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2.蘇州熱工研究院有限公司)

電站熱力試驗(yàn)流量測(cè)量方法對(duì)比分析及其應(yīng)用①

王加勇1,2楊 茉1張 鼎2代軍科2劉國偉2

(1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2.蘇州熱工研究院有限公司)

以某330MW火力發(fā)電廠進(jìn)除氧器的凝結(jié)水流量為例，分析采用超聲波流量計(jì)、ASME流量噴嘴、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量流體參數(shù)和具體管道的條件要求，并對(duì)實(shí)際應(yīng)用測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析比較。結(jié)果表明：機(jī)組考核試驗(yàn)以ASME流量噴嘴測(cè)量的凝結(jié)水流量作為基準(zhǔn)；日常對(duì)比試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量能滿足要求；超聲波流量計(jì)誤差較大，可以測(cè)量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較小的輔助流量。

流量測(cè)量 ASME噴嘴 標(biāo)準(zhǔn)孔板 超聲波流量計(jì)

提高流量測(cè)量的準(zhǔn)確性是火力發(fā)電廠熱力試驗(yàn)和節(jié)能降耗工作的重要環(huán)節(jié)[1]。根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)，流量的高精度測(cè)量應(yīng)采用高精度的差壓元件。由于標(biāo)準(zhǔn)孔板具有測(cè)量精度高、適用范圍廣及價(jià)格低廉等特點(diǎn)，現(xiàn)有的汽輪機(jī)凝結(jié)水流量測(cè)量裝置大部分采用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)。在進(jìn)行性能考核試驗(yàn)時(shí)，采用低β ASME流量噴嘴來提高凝結(jié)水測(cè)量精度[2～5]。

目前，參考文獻(xiàn)僅從理論上分析流量測(cè)量裝置的區(qū)別，在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用過程中進(jìn)行對(duì)比分析，尚屬首次。試驗(yàn)前，3種流量測(cè)量裝置在流體實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了標(biāo)定，采用機(jī)械工業(yè)第十三計(jì)量測(cè)試中心站檢定的0.1級(jí)超聲波流量計(jì)、0.1級(jí)ASME流量噴嘴、0.1標(biāo)準(zhǔn)孔板進(jìn)行凝結(jié)水流量測(cè)量，對(duì)3種測(cè)量方式進(jìn)行了分析對(duì)比，為流量測(cè)量方法的選擇奠定了一定的基礎(chǔ)[6]。

筆者從試驗(yàn)角度，探討實(shí)際應(yīng)用過程中3種流量測(cè)量裝置的區(qū)別，給同行提供參考。

1 3種流量計(jì)的測(cè)量方法及其要求

1.1 超聲波流量計(jì)

用超聲波流量計(jì)測(cè)量凝結(jié)水流量，流體內(nèi)可以不必插入任何元件，對(duì)流體的流場(chǎng)不會(huì)產(chǎn)生任何影響，不會(huì)產(chǎn)生壓力損失。但當(dāng)液體中含有氣泡或噪聲時(shí)，會(huì)影響聲波的傳播。另外，超聲波流量計(jì)實(shí)際上測(cè)量的是流體速度，它會(huì)受到流體速度分布的影響，雖然可以進(jìn)行速度分布校正，但目前仍然不是十分準(zhǔn)確。超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理如圖1所示。

D——管道的直徑； L——兩個(gè)傳感器的直線距離； P——兩個(gè)傳感器的距離； v——流體流速； θ——角度

傳感器既發(fā)送信號(hào)又接收信號(hào)，上游傳感器發(fā)送信號(hào)，下游傳感器接收信號(hào)時(shí)，定義為順流傳播, 超聲波被流體加速，其速度為tdn；下游傳感器發(fā)送信號(hào)，上游傳感器接收信號(hào)時(shí)，定義為逆流傳播, 超聲波被流體減速，其速度為tup：

(1)

(2)

其中，c為聲速。

聯(lián)立式(1)、(2)得到流體的速度v，進(jìn)而得到管道的流量：

(3)

鑒于超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理與計(jì)算方法，測(cè)量時(shí)要求管道條件較高，以便保證流體流場(chǎng)的均勻性：

a. 直管段要求前10后5，即在傳感器安裝位置前10倍直徑長度和后5倍直徑長度無彎頭、閥門等引起流體擾動(dòng)的裝置；

b. 準(zhǔn)確測(cè)量管徑、外徑、周長和直徑；

c. 確定管道材料、壁厚和接觸溫度；

d. 確定是否有內(nèi)襯、內(nèi)襯種類和厚度。

1.2 ASME流量噴嘴和標(biāo)準(zhǔn)孔板

ASME流量噴嘴和標(biāo)準(zhǔn)孔板這兩種節(jié)流裝置均適用于測(cè)量圓形截面管道中的單相、均質(zhì)流體，即牛頓流體。同時(shí)要求流體充滿管道；流體流動(dòng)是穩(wěn)定的或隨時(shí)間緩變的，流體流經(jīng)節(jié)流件前流動(dòng)應(yīng)達(dá)到充分紊流，在節(jié)流件前后一定距離內(nèi)不發(fā)生相變或析出雜質(zhì)且流速小于音速。

ASME流量噴嘴測(cè)量布置如圖2所示，標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量布置如圖3所示。

圖2 ASME流量噴嘴測(cè)量布置圖

圖3 標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量布置圖

ASME噴嘴和標(biāo)準(zhǔn)孔板的流量計(jì)算公式為：

(4)

式中C——工作狀態(tài)下節(jié)流件流出系數(shù)；

d——工作狀態(tài)下的節(jié)流件開孔直徑，m；

α——工作狀態(tài)下節(jié)流件流量系數(shù)；

β——工作狀態(tài)下節(jié)流件開孔直徑與管道內(nèi)徑之比；

ε——流束膨脹系數(shù)；

Δp——節(jié)流件壓差，Pa；

ρ1——工作狀態(tài)下的流體密度，kg/m3。

考慮上述兩種節(jié)流裝置的測(cè)量原理，在安裝和測(cè)量時(shí)應(yīng)注意如下事項(xiàng)：

a. 流體必須充滿圓管，并連續(xù)不斷地流經(jīng)節(jié)流裝置；

b. 流體在物理上和熱力學(xué)上必須是均勻的單相流體；

c. 流體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)不得發(fā)生相變；

d. 節(jié)流裝置所測(cè)的流體必須是穩(wěn)定流，或可看作是穩(wěn)定的緩慢變化的流體，不適用于脈動(dòng)流和臨界的流量測(cè)量；

e. 流束必須與管道軸線平行，不得有旋轉(zhuǎn)流；

f. 節(jié)流件安裝前管道內(nèi)不得有氧化物和雜物,防止損壞節(jié)流件；

g. 節(jié)流件表面應(yīng)用軟紗擦凈，不得用砂紙或銼刀等工具損傷入口表面和銳口；

h. 節(jié)流件現(xiàn)場(chǎng)吊裝時(shí)，嚴(yán)禁用鐵絲、鋼絲或吊鉤穿入節(jié)流件喉部孔徑，以防止節(jié)流件銳口損傷，影響測(cè)量精度。

2 超聲波流量計(jì)、ASME流量噴嘴、標(biāo)準(zhǔn)孔板試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比分析

2.1 ASME流量噴嘴與標(biāo)準(zhǔn)孔板兩種測(cè)量方法試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)ASME流量噴嘴和標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置進(jìn)行8次試驗(yàn)，每個(gè)工況下機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行2h以上，標(biāo)準(zhǔn)孔板加裝兩臺(tái)差壓變送器以消除儀表誤差，ASME流量噴嘴安裝A、B兩對(duì)取壓孔進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)不同運(yùn)行工況下同時(shí)采用兩種測(cè)量方法得到的凝結(jié)水流量均值進(jìn)行比較，結(jié)果見表1?？梢?，ASME流量噴嘴測(cè)量的凝結(jié)水流量比采用標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量的凝結(jié)水流量小。同時(shí)，還可以發(fā)現(xiàn)，采用這兩種方式測(cè)量凝結(jié)水流量時(shí)，隨著流量的增加，偏差增大。

表1 ASME流量噴嘴與標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置試驗(yàn)結(jié)果比較

分析原因如下：流體實(shí)驗(yàn)室檢定環(huán)境與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件有較大偏差，結(jié)合圖2、3可知，ASME流量噴嘴和標(biāo)準(zhǔn)孔板在試驗(yàn)前進(jìn)行了檢定，但由于標(biāo)準(zhǔn)孔板受安裝條件和管道流體影響較大，而ASME流量噴嘴上游管段有整流板，保證了流體的穩(wěn)定性，測(cè)量環(huán)境更接近于試驗(yàn)環(huán)境,這也是ASME試驗(yàn)規(guī)程涉及考核時(shí)推薦采用ASME流量噴嘴的重要原因。

對(duì)于工程實(shí)際而言，標(biāo)準(zhǔn)孔板相對(duì)檢定便宜，便于拆解送檢，常用于電廠日常檢測(cè)。而ASME流量噴嘴精度高，維護(hù)繁瑣昂貴，定期檢定費(fèi)用高。

結(jié)合ASME流量噴嘴和標(biāo)準(zhǔn)孔板流量測(cè)量結(jié)果，筆者以ASME流量噴嘴為基準(zhǔn)，擬合標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量的流量與ASME測(cè)量的流量偏差修正曲線，日后機(jī)組性能監(jiān)督以修正后的孔板測(cè)量流量進(jìn)行評(píng)判會(huì)更為準(zhǔn)確：

Y= 0.0016X- 0.6256

式中X——孔板測(cè)量的凝結(jié)水流量，t/h；

Y——修正后的凝結(jié)水流量，t/h。

2.2 ASME流量噴嘴與超聲波流量計(jì)兩種測(cè)量方法試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)ASME流量噴嘴與超聲波流量計(jì)流量測(cè)量進(jìn)行3個(gè)負(fù)荷試驗(yàn)，每個(gè)工況進(jìn)行2h，每個(gè)工況重復(fù)兩次平行試驗(yàn)，得到的凝結(jié)水流量測(cè)量結(jié)果見表2。

表2 ASME流量噴嘴與超聲波流量計(jì)試驗(yàn)結(jié)果比較

(續(xù)表2)

由表2可見，ASME流量噴嘴測(cè)量的凝結(jié)水流量比采用超聲波流量計(jì)測(cè)量的凝結(jié)水流量大，且隨著凝結(jié)水流量的增加，偏差增大?？梢姡暡髁坑?jì)雖然在大流體實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了檢定，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，其偏差較大。

分析原因如下：實(shí)際生產(chǎn)過程中，管道表面為了防腐刷了一層油漆，影響到測(cè)量管道外徑周長或直徑準(zhǔn)確測(cè)量，且管道內(nèi)壁污垢的產(chǎn)生也會(huì)影響聲波的傳播；兩個(gè)探頭之間的距離對(duì)于聲波的傳播時(shí)間誤差較大，故采用超聲波流量計(jì)測(cè)量汽輪機(jī)凝結(jié)水流量時(shí)誤差較大。

超聲波流量計(jì)測(cè)量流體流量不必插入任何元件，對(duì)流體的流場(chǎng)不會(huì)產(chǎn)生任何影響，不會(huì)產(chǎn)生壓力損失，且便于攜帶，適合現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)地方的測(cè)量，雖然實(shí)際測(cè)量精度較低，但對(duì)于電站不便安裝節(jié)流裝置或太細(xì)的管道仍有一定的優(yōu)勢(shì)，可以定性判斷管道流量的增減，起到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的指導(dǎo)作用。

3 超聲波流量計(jì)、ASME流量噴嘴、標(biāo)準(zhǔn)孔板3種測(cè)量裝置綜合分析

ASME流量噴嘴自身攜帶整流板，受現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境影響最小，在涉及設(shè)備考核時(shí)必須使用。ASME噴嘴由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)長度在11m左右，不便于運(yùn)輸、安裝，且檢定費(fèi)用高，對(duì)于電站日常監(jiān)督不切合實(shí)際。

標(biāo)準(zhǔn)孔板相對(duì)檢定便宜，便于拆解送檢，定期檢定滿足日常需要，最適用于電廠日常監(jiān)督。但由于受管道條件和流體條件影響，機(jī)組檢修時(shí)必須送檢，檢查取壓孔是否有毛刺等。

超聲波流量計(jì)便于攜帶，適用于現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)地方的測(cè)量，進(jìn)行定性判斷。但超聲波流量計(jì)的價(jià)格比較高，其標(biāo)定與維修必須到專門的標(biāo)定和維修部門才能得到解決。

4 結(jié)論

4.1 ASME流量噴嘴測(cè)量的凝結(jié)水流量比采用標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量的凝結(jié)水流量小；ASME流量噴嘴測(cè)量的凝結(jié)水流量比超聲波流量計(jì)測(cè)量的凝結(jié)水流量大。ASME流量噴嘴上游管段有整流板，保證了流體的穩(wěn)定性，測(cè)量環(huán)境更接近于實(shí)驗(yàn)檢定環(huán)境,故ASME試驗(yàn)規(guī)程中在涉及考核時(shí)推薦采用ASME流量噴嘴。

4.2 采用ASME流量噴嘴、標(biāo)準(zhǔn)孔板、超聲波流量計(jì)測(cè)量凝結(jié)水流量，隨著流量的增加，偏差增大，標(biāo)準(zhǔn)孔板較ASME流量噴嘴偏差在0.5%左右，經(jīng)過修正后可以用于日常機(jī)組性能的監(jiān)督，而超聲波流量計(jì)在滿負(fù)荷測(cè)量時(shí)偏差達(dá)到11.5%。

4.3 電站熱力性能試驗(yàn)時(shí)，上述3種方法均會(huì)用到。常規(guī)試驗(yàn)，如修前修后對(duì)比試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量凝結(jié)水流量等主要流量；在考核試驗(yàn)時(shí)建議采用ASME流量噴嘴以提高試驗(yàn)精度；在測(cè)量給水泵密封水流量、循環(huán)水流量等輔助流量時(shí)，或現(xiàn)場(chǎng)不具備安裝節(jié)流裝置條件時(shí)，可采用超聲波流量計(jì)來測(cè)量。

[1] 李勇，王加勇.新型凝結(jié)水流量測(cè)量裝置的研究[J].熱力發(fā)電，2012，25(3)：23～26.

[2] 山西省電力局．熱工儀表及自動(dòng)裝置[M].北京：中國電力出版社，2007.

[3] ASME/ANSI，PTC19.5 2004 Flow Measurement[S].New York： ASME， 2004.

[4] ASME/ANSI， MFC-3M 2004 Measurement of Fluid Flow in Pipes Using Orifice,Nozzle and Ventri[S].New York：ASME，2004.

[5] ASME/ANSI，PTC6 2004 Steam Turbines[S].New York：ASME， 2004.

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

ComparisonandAnalysisofFlowMeasurementMethodsandTheirApplicationinPowerStationThermalTest

WANG Jia-yong1,2, YANG Mo1, ZHANG Ding2, DAI Jun-ke2,LIU Guo-wei2

(1.CollegeofEnergyandPowerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology;2.SuzhouNuclearPowerResearchInstituteCo.,Ltd.)

Taking condensation water flow in the deaerator of a 330MW coal-fired power plant as an example, and making use of the ultrasonic flowmeter, the ASME flow nozzle and the standard orifice plate flowmeter to respectively measure parameters and analyze specific pipeline conditions were implemented. Comparatively analyzing the measured results and taking the condensation water flow measured by ASME flow nozzle as the benchmark show that, the measurement with standard orifice plate flowmeter can meet requirements and the ultrasonic flowmeter has obvious error in measurement and it can be applied to the measurement of auxiliary flow which influences the test results less.

flow measurement, ASME nozzle, standard orifice plate, ultrasonic flowmeter

王加勇(1985-)，博士研究生，從事電站熱力性能試驗(yàn)及其優(yōu)化工作，wangjiayong@cgnpc.com.cn。

TH814

A

1000-3932(2017)06-0538-05

2016-12-12，

2017-04-24)