巨型水電站流量計應(yīng)用研究

周立成，翟玉杰，艾遠高，夏國強

（三峽水力發(fā)電廠，湖北省宜昌市 443000）

0 引言

在生產(chǎn)和科學(xué)研究試驗中，流量是一個很重要的參數(shù)，流量檢測的專用儀表是安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟效益和管理水平的重要工具。管道測流技術(shù)當(dāng)前發(fā)展成熟，管道流量計測量原理多種，可滿足不同生產(chǎn)工況需求[1]。

當(dāng)前巨型水電站各類流量計種類繁多，流量計累計有1900多臺，就流量計的測量原理分有電磁式、差壓式、熱導(dǎo)式、超聲波多種，就測量的介質(zhì)主要有油、水兩種。其中油流量主要是測量水輪發(fā)電機機組上導(dǎo)、推導(dǎo)、水導(dǎo)軸承汽輪機油管道流量及機組高壓油頂起系統(tǒng)的油流量，水流量主要是測量機組各部軸承和主變壓器的冷卻水（江水）、主軸密封水（清潔水）、發(fā)電機純水（不導(dǎo)電介質(zhì)）流量等。

因流量計隨不同主機廠家機組配套，規(guī)格型號不同，差異化較大，所以有著流量計的功能不明確、配置存在不合理、安裝不符合產(chǎn)品安裝要求的諸多問題，導(dǎo)致流量檢測的準(zhǔn)確性有偏差，無法滿足機組流量檢測的要求。如測量機組冷卻水的電磁式流量計管路的直管段較短，導(dǎo)致管路無法滿管測量；測量機組水導(dǎo)外循環(huán)油的超聲波流量計安裝于油過濾器的后端，因油經(jīng)過濾器后產(chǎn)生氣泡，導(dǎo)致超聲波流量計長時間無法檢測到流量；測量機組推導(dǎo)軸承冷卻水采用熱導(dǎo)式流量計，因流量計的探頭長期浸泡于江水中而結(jié)垢，導(dǎo)致流量計測量值遠小于實際值[2]。

本文對主要流量計的測量原理進行深入分析，總結(jié)明確出各類流量計的功能選型、正確的安裝方式等，打造出適用于巨型水電站的優(yōu)化流量應(yīng)用方案。

1 流量計測量原理探究

1.1 電磁流量計

電磁流量計的測量原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)被測導(dǎo)電流體在磁場中沿垂直磁力線方向流動而切割磁力線時，在對稱安裝在流通管道兩側(cè)的電極上將產(chǎn)生感應(yīng)電勢，此電勢與流體的流速成正比（見圖1）。通過如下公式計算出流量：

圖1 電磁流量計檢測原理Figure 1 Detection principle of electromagnetic flowmeter

式中：E——感應(yīng)電勢；

K——與磁場分布及軸向相關(guān)的系數(shù)；

B——磁感應(yīng)強度；

V——導(dǎo)電液體平均流速；

D——電極間距（流量計導(dǎo)管內(nèi)徑）[3]。

電磁流量計壓力損失小、流量測量范圍大，反應(yīng)迅速。應(yīng)用的局限性是只能測量導(dǎo)電介質(zhì)的液體流量，在水電站可測量機組各部軸承和主變壓器的冷卻水（江水）和主軸密封水（清潔水），因水電站各部軸承冷卻水都具有正反向供水功能，可選用具備正反向測量功能的電磁流量計，并且因江水雜質(zhì)較多，易造成流量計的檢測電極結(jié)垢污染，將對測量造成較大影響，可選用電極可清洗的流量計。

1.2 熱導(dǎo)式流量計

熱導(dǎo)式流量計采用熱交換原理，流量計探頭配置了發(fā)熱模塊和感熱模塊，根據(jù)示流器的熱量傳導(dǎo)與被測流體流速的比例關(guān)系，檢測出流體的流速（見圖2）[4]。

圖2 熱導(dǎo)式流量計檢測原理Figure 2 Detection principle of thermal conductivity flowmeter

熱導(dǎo)式流量計一般為插入式安裝，適用于多種流量計質(zhì)，使用范圍較寬，量程比大于10：1。應(yīng)用的局限性是測量的精度較難以保證，因測量的熱導(dǎo)部分被結(jié)垢污染后對測量的精度影響加大，在水電站可測量機組各部軸承的油流量，作管路油流動的基本示流開關(guān)用，因測量精度難以達到要求，不建議采用為如循環(huán)油泵邏輯控制的油流條件，也不適用于測量機組高壓油系統(tǒng)的高速油流[5]。

1.3 超聲波流量計

超聲波流量計的測量方法可分為：時差法、多譜勒效應(yīng)法、波束偏移法、相關(guān)法、噪聲法。當(dāng)前用得最多的是時差法和多譜勒效應(yīng)法[6]。

時差檢測法原理為超聲波脈沖在上下游的兩側(cè)傳感器間來回傳播，當(dāng)有流體流動時，由于向下游方向的信號傳播時間比向上游方向的短，根據(jù)時差與流體速度成正比關(guān)系，檢測出流體的流速和方向，見圖3。

圖3 超聲波流量計測量原理Figure 3 Principle of ultrasonic flowmeter measurement

圖3和式2中：D——儀表口徑；

L——聲程；

Vm——介質(zhì)流速；

Cm——介質(zhì)中的聲速；

α——傳感器A/B間與管道水平中心線間的夾角；

TB-A——傳感器B至A的時間；

TA-B——傳感器A至B的時間。

超聲波流量計為非接觸式測量方式，傳感器不與被測介質(zhì)接觸，無壓損，使用壽命較長，設(shè)備維護量較小。既可管道固定式安裝，也可移動便攜式測量（必須為金屬管道、塑料管道及其他透聲材料的管道）。在水電廠可用作各類水、油管路的流量測量，超聲波流量計不適用于測量管路中的流量介質(zhì)有氣泡的環(huán)境，所以不宜測量目數(shù)較細的油過濾器管路，同樣也不適用于測量機組高壓油系統(tǒng)的高速油流。

1.4 差壓流量計

差壓流量計的測量原理為在流量計的管道中部配置節(jié)流部件，當(dāng)滿管的流體流經(jīng)節(jié)流件時，流束形成局部的收縮，流速增大，而靜壓力降低，在節(jié)流件前后產(chǎn)生一定的壓力差。根據(jù)流體的流速與差壓值的比例關(guān)系，檢測出流體的流速。圖4為差壓流量計測量原理。

圖4 差壓流量計測量原理Figure 4 Measuring principle of differential pressure flowmeter

差壓流量計運用最為廣泛，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長，其局限是壓損大，不太適用于小流量的環(huán)境，范圍度窄，僅3：1～4：1。在水電廠特別適用于有循環(huán)油泵管路的較大油流量測量，但也不適用于對機組高壓油系統(tǒng)的幾十兆帕的高速油流進行油流模擬量準(zhǔn)確測量。

1.5 活塞式流量開關(guān)

活塞式流量開關(guān)的檢測原理是當(dāng)流體按指示方向流過管道時，推動彈簧支撐并安裝有永久磁鐵的活塞，從而驅(qū)動干簧管開關(guān)磁性開關(guān)在設(shè)定流量上動作，輸出開關(guān)信號。

活塞式流量開關(guān)設(shè)定流量范圍大、調(diào)整方便，廣泛用于水、氣、油等介質(zhì)測量。有低壓降、耐壓高等優(yōu)點，狀態(tài)只取決于流量，而與壓力無關(guān)，并且對壓力的峰值不再敏感，在水電廠可解決于機組高壓油的高速油流檢測難點。

2 流量計的安裝標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前巨型水電站流量計在低經(jīng)濟性和附加值下運行的原因除了功能不明確、配置不合理外，最主要就是安裝不符合產(chǎn)品安裝要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致流量計故障率較高、測量不準(zhǔn)確。

2.1 流量計的通徑和量程選擇

流量計首先需要確定它的通徑和測量范圍，即確定傳感器內(nèi)流體的流速范圍，流量計量程范圍的選擇對提高流量計工作的可靠性及精度有較大關(guān)系，根據(jù)不低于預(yù)計的最大流量值的原則選擇滿量程，正常常用流量最好不超過滿量程50%，這樣可獲得較高的測量精度[7]。

流量計通常選用與工藝相同的通徑或者略小些，在流量選定的情況下，通徑的選擇是根據(jù)不同的測量對象以及流量計測量管內(nèi)流速的大小來確定。流量計所測流體的流速，需考慮管路中流體的流速與壓頭損失的關(guān)系。在確定流速后，流量計的通徑可根據(jù)如下關(guān)系式確定：

式中：d——流量計通徑，mm；

Q——體積流量，m3/s。

2.2 流量計接地

流量計的正確可靠接地對流量計的正常運行至關(guān)重要：

（1）給信號源參考用的零電位；

（2）使被測流體與可靠的接地體相連通；

（3）滿足相應(yīng)的安全性要求（如雷擊等）；

（4）抗外界干擾措施（如屏蔽等）。

接地點離傳感器的距離盡可能短，必須與可靠接地體直接相連，不能與其他設(shè)備接地點相連接，接地電阻≤10Ω，電磁流量計的外殼、電纜屏蔽線、測量管路的兩端都需單獨可靠接地，絕不能接在電動機等公用地線或上下水管道上，準(zhǔn)確接地如圖5所示；如流量計的轉(zhuǎn)換器部分已通過電纜線接地，就毋須再另行接地，以避免因電位差而造成干擾。流量計配備接地環(huán)的接地方法：如工藝管道為絕緣材質(zhì)，則必須配置接地環(huán)可靠接地，來穩(wěn)定邊界條件，提高測量穩(wěn)定性和精度，如圖6所示。

圖5 流量計金屬管路接地Figure 5 Metal pipeline grounding of flowmeter

圖6 流量計絕緣材料管路接地Figure 6 Pipeline grounding of insulating material for flowmeter

2.3 流量計的安裝管路標(biāo)準(zhǔn)

流量計的精準(zhǔn)測量必須保證滿管測量狀態(tài)，在水電站中，導(dǎo)致非滿管的流量計管路常見錯誤安裝位置示意圖如圖7所示。圖中A為流量計直接安裝在閘閥前后，圖中B為流量計安裝在放空管路的長水平管路上，圖中C為流量計安裝在放空管路高處和垂直排放段。此三種都將導(dǎo)致管路內(nèi)介質(zhì)為非滿管狀態(tài)，從而影響測量的精度[8]。

圖7 流量計管路安裝錯誤圖Figure 7 Flow meter pipeline installation error diagram

在GB/T 18659—2002《封閉管道中導(dǎo)電液體流量的測量電磁流量計性能》中規(guī)定上游10D（D為流量計通徑），下游5D。

在DL/T 1107—2009 《水電廠自動化元件基本技術(shù)條件》中規(guī)定：

（1）機械式流量開關(guān)：上下游5D；

（2）熱導(dǎo)式流量開關(guān)：上下游4D；

（3）電磁式流量計：上游10D、下游5D。

在ISO和鑒定規(guī)格號中對各類閥組、管路標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 ISO和鑒定規(guī)格號中的流量計安裝標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Installation standards for flow meters in ISO and qualification specifications

流量計管路正確規(guī)范的管路如圖8所示，圖中A為保證流量計的上下游足夠的直管段；圖中B為在長的水平放空管道上，在流量計的下游側(cè)設(shè)計略微上升的管道部分再放空；圖中C為敞開式供水或排放，將流量計安裝在管道的較低或爬坡部分。三種安裝方式以確保通過流量計的管道完全充滿液體，從而達到測量的精確性。

圖8 流量計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范管路安裝示意圖Figure 8 Pipeline installation diagram of Flowmeter Standard Specification

3 結(jié)束語

在水電廠中，流量信號是水輪發(fā)電機組重要的參考監(jiān)視量，流量計數(shù)量大，對各類型流量計進行準(zhǔn)確選型和功能配置，按安裝標(biāo)準(zhǔn)進行安裝，能保證流量計的運行穩(wěn)定性，降低故障率，穩(wěn)定可信的流量信號可參與到設(shè)備的邏輯控制中，流量計運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性較高，能保證機組安全穩(wěn)定運行。