超聲波流量計(jì)在汽輪發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用

程春霖，張文彬

（重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，重慶 401100）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，流量計(jì)對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的安全和質(zhì)量保證具有不可替代的作用。超聲波流量計(jì)是非接觸式設(shè)備，其傳感器不與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，具有安裝方便、測(cè)量精度高、不影響設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)等特點(diǎn)[1]。因此，超聲波流量計(jì)在現(xiàn)代工業(yè)的各種計(jì)量測(cè)試中得到廣泛應(yīng)用。

由于超聲波流量計(jì)主要用于實(shí)驗(yàn)室計(jì)量檢測(cè)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，缺乏對(duì)實(shí)際情況的了解，特別是在發(fā)電廠復(fù)雜環(huán)境下，現(xiàn)場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)很多問題，影響其計(jì)量準(zhǔn)確性甚至沒有信號(hào)[2]。

1 超聲波流量計(jì)原理

本文現(xiàn)場(chǎng)使用德國(guó)弗萊克森公司生產(chǎn)的手持式超聲波液體流量計(jì)F601 作為計(jì)量檢測(cè)儀器，該設(shè)備配有分別測(cè)量大管徑和小管徑管道的兩種傳感器，測(cè)量管徑范圍為DN6 ～DN6500。經(jīng)重慶市計(jì)量質(zhì)量研究院檢定，符合現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

圖1 傳感器信號(hào)示意圖Fig.1 Schematic diagram of sensor signal

F601 流量計(jì)為時(shí)間差法超聲波流量計(jì)，如圖1 所示超聲波信號(hào)由安裝在管路一側(cè)的第一個(gè)傳感器發(fā)出，經(jīng)過對(duì)面?zhèn)鹊姆瓷?，由第二個(gè)傳感器接收。這些信號(hào)是選擇順流或者逆流的方向發(fā)出的[3,4]。

因?yàn)樾盘?hào)是在流動(dòng)的介質(zhì)中傳播，聲信號(hào)的傳播在順流動(dòng)方向的傳播時(shí)間將短于逆流動(dòng)方向上的傳輸時(shí)間。傳輸時(shí)間差?t 是可以測(cè)量到的，從而可以確定超聲波信號(hào)傳播路徑上的平均流速。根據(jù)管路的橫截面對(duì)所獲得的平均流速進(jìn)行修正，就能得到與管路中體積流速成正比的數(shù)據(jù)[5-7]。

2 測(cè)試中應(yīng)注意的問題

2.1 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境問題

圖2 為汽輪發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)流量測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，總共有42根冷卻管需要測(cè)試流量，在理想情況下，每根冷卻管的流量大小一致，如果流量數(shù)值有較大差異，水冷管有可能存在堵塞情況[8]。在開始測(cè)量前應(yīng)讓工作人員加大冷卻系統(tǒng)的水壓，保證每個(gè)冷卻管的流量達(dá)到滿載。

在現(xiàn)場(chǎng)若存在高壓電纜，其產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)干擾傳感器發(fā)收的信號(hào)，造成傳感器無(wú)法正常運(yùn)行工作，為避免類似情況，需要遠(yuǎn)離磁場(chǎng)發(fā)生體的位置。

2.2 傳感器的安裝位置問題

流量測(cè)試成功的關(guān)鍵在于聲波在無(wú)衰減的情況下，通過流體介質(zhì)到達(dá)接收傳感器的信號(hào)強(qiáng)度。F601 流量計(jì)是通過測(cè)量聲波傳播路徑上流體的線平均速度來(lái)反應(yīng)流量的，所以應(yīng)盡可能地保證傳感器前的流體沿管軸做平行流動(dòng)，并遠(yuǎn)離流動(dòng)紊亂的地方，傳感器安裝的地方必須要有一段直管道。

2.3 傳感器安裝方式的選擇

超聲波傳感器的正確安裝對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度十分重要[12]。其步驟如下：

1）首先觀察安裝位置，應(yīng)滿足儀器推薦的安裝間距。

2）清潔冷卻管道表面。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖Fig.2 Field test diagram

圖3 傳感器聲程的選擇Fig.3 Selection of sensor sound path

3）給傳感器接觸面均勻涂上耦合劑。

4）傳感器聲程的選擇，如圖3 所示，A 為探頭間距，當(dāng)為偶數(shù)聲程時(shí)，傳感器必須同側(cè)安裝；當(dāng)為奇數(shù)聲程，傳感器必須對(duì)側(cè)安裝。倘若流體對(duì)聲波信號(hào)有很大的衰減，不易獲得穩(wěn)定的信號(hào)，聲程宜設(shè)置為2，才能獲得較強(qiáng)的檢測(cè)信號(hào)，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

圖4 傳感器安裝方向Fig.4 Sensor installation direction

5）傳感器的安裝需使其頂上的印記擺成一個(gè)箭頭的圖案，如圖4 所示。

安裝完畢后，如果有必要可以稍微移動(dòng)傳感器以獲得最大的信號(hào)強(qiáng)度，但移動(dòng)后，需在下一步將移動(dòng)后的準(zhǔn)備的探頭間距輸入儀器。

2.4 輸入?yún)?shù)不準(zhǔn)造成的測(cè)量偏差

2.4.1 管道壁厚以及直徑

輸入管道壁厚和直徑參數(shù)會(huì)直接影響流量測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度[9]。由于冷卻管的實(shí)際工作環(huán)境會(huì)和設(shè)計(jì)參數(shù)有一定的出入，管道壁厚會(huì)由于腐蝕等原因也會(huì)發(fā)生一定的變化。所以，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)常使用超聲波厚度儀得到管道壁厚，卷尺測(cè)量管道周長(zhǎng)并計(jì)算出直徑。

2.4.2 管道材質(zhì)以及內(nèi)襯

輸入管道的材質(zhì)和內(nèi)襯是否正確會(huì)直接導(dǎo)致傳感器安裝間距計(jì)算錯(cuò)誤，導(dǎo)致測(cè)量精度變低甚至測(cè)量失敗[10]。在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用中，管道的材質(zhì)和內(nèi)襯對(duì)測(cè)量的影響直接反映在超聲波在不同介質(zhì)中傳播速度的差異上，若材質(zhì)聲速大于實(shí)際聲速，測(cè)量結(jié)果則會(huì)偏大；若材質(zhì)聲速小于實(shí)際聲速，測(cè)量結(jié)果則會(huì)偏小。

2.4.3 流體溫度

流體溫度會(huì)影響聲速的變化[11]，間接影響傳感器之間的間距，影響測(cè)量精度。汽輪發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)中的流體一般為50℃左右的蒸餾水，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)常用手持紅外測(cè)溫儀得到流體溫度參數(shù)。

3 測(cè)量結(jié)果的處理

在現(xiàn)場(chǎng)的流量測(cè)量中，需要得到每個(gè)冷卻管的瞬時(shí)流量大小，但即使在信號(hào)穩(wěn)定的情況下，瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)也會(huì)存在較小波動(dòng)，所以每個(gè)冷卻管每間隔5s 取一次瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)，取10 次數(shù)據(jù)，最后取其平均值。部分冷卻管測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 部分冷卻管測(cè)量結(jié)果Table 1 Measurement results of some cooling pipes

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，使用超聲波流量計(jì)對(duì)發(fā)電廠汽輪發(fā)電機(jī)水冷管開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，需要工作人員具備較高的技術(shù)，掌握超聲波流量計(jì)工作原理，并結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)，正確選擇安裝位置和安裝方式，以及輸入正確的參數(shù)，以便準(zhǔn)確地獲得測(cè)量結(jié)果，對(duì)于其他應(yīng)用場(chǎng)合更是如此。