大型火電廠凝汽器補水流量測量及其準確性分析

唐 田， 金 晶

（廣東粵電靖海發電有限公司，廣東 揭陽 515223）

大型火電廠凝汽器補水流量測量及其準確性分析

唐 田， 金 晶

（廣東粵電靖海發電有限公司，廣東 揭陽 515223）

火電廠凝補水流量測量的準確性對于運行人員日常監視和火電廠經濟性計算具有重要意義。為提高凝補水流量測量結果的準確性，某發電廠將1 000 MW機組凝汽器補水管道上原有的差壓式流量計更換為超聲波流量計，記錄并分析了不同工況下的測量結果。同時重點研究并解決了測量過程中凝汽器高真空對于凝補水流量測量的干擾問題。結果表明，在測點選擇合理的情況下，超聲波流量計具有較高的準確度。

凝補水流量；超聲波流量計；準確性；凝汽器真空；干擾

1 凝補水系統及流量測量

機組在正常運行過程中，由于吹灰、漏汽、抽汽、疏水等影響，給水流量會有不同程度的消耗損失，為了滿足汽輪機做功所需的蒸汽量，保證機組安全運行，需要保持足夠的鍋爐給水流量和穩定的凝汽器水位，在機組運行階段要對凝汽器進行補水，同時對補水流量進行測量監視。凝汽器補水具體分為機組正常運行補水以及機組啟停階段補水2種工況。凝汽器補水（以下簡稱凝補水）流程如圖1所示。

在機組啟停階段，凝補水箱中的補給水通過補給水泵打入凝汽器，同時再循環電動門開啟，保證凝補水泵有足夠的流量，防止水泵發生汽蝕；機組正常運轉時，再循環電動門關閉，為了控制廠用電率，提升機組的經濟效益，停運凝補水泵，凝汽器依靠凝補水箱中水的正壓頭（8 m）和凝汽器負壓之間的差壓進行自然補水。各階段凝補水運行參數見表1。

圖1 凝補水流程

2 原流量計運行中的問題

某發電廠原有的流量計為差壓式流量計，布置在圖1當中的B-C段管道，取樣口位于管道中心線。機組正常運行時，凝補水泵停運，凝補水壓力低、流量較小，由于管道較粗，管道中所測流體無法達到中心線位置，所以經常測不到流量；在機組啟停階段，凝汽器水位調節閥一般開度較小，同時由于管道較粗，導致管道中的流體流速較慢，取樣點測得的差壓較小，經常存在測量值不準、波動大、延遲高等問題。

表1 凝補水運行參數

3 超聲波流量計介紹及測點選取

超聲波流量計由于安裝方便、運行穩定、測量準確等多種優點，被廣泛應用于發電廠各種流體流量的測量。為了提高凝補水流量測量值的準確性和可靠性，方便運行人員日常監視、改善凝汽器水位調節閥的調節特性以及準確計算機組補水率及經濟效益，將原有差壓式流量計改為超聲波流量計并重新選取合適的測點。

3.1 裝置結構

流量計主要由傳感器和變送器組成，如圖2所示。

圖2 裝置結構示意

超聲波傳感器是由聲楔固定在流量管道壁面上的2個超聲波振子，兼作為超聲波的發送和接收元件，通過壓電效應和電致伸縮效應將超聲波脈沖轉換為電脈沖或將電脈沖轉換為機械伸縮而產生超聲波。

變送器在為傳感器提供電源的同時，接收傳感器傳回來的電脈沖信號，并對其進行多項處理，處理后的信號經轉換計算后送至變送器就地顯示屏，顯示為聲速、流量等信息，同時經過處理后的信號再由變送器傳輸到DCS（分散控制系統）。

3.2 測量原理

流量的測量方法主要有速度式、質量式、差壓式等，超聲波則屬于速度式中的一種，通過測量發射和接收信號的時間差、相位差和頻率差等參數來計算出所測流體的流速[1]，現場實際應用時差法。

如圖2所示，固定在管道側的第一個傳感器發出的超聲波信號，經由另一側管壁反射，隨后被第二個傳感器接收。超聲波信號在管道中沿介質流動方向交替來回發射。

當信號在管道內流動介質中傳播時，其在流速正方向的傳播速度小于負方向的傳播速度，因此2個傳感器接受到的信號就會有時間差，測出時間差ΔT，即可算出管道內介質的平均流速。

3.3 測點位置選取

測量點位置選取是否合適是決定測量結果誤差的關鍵因素，以圖1為例，對各項選址原則進行具體說明，圖中各段管道尺寸如表2所示。

表2 凝補水各段管道尺寸 mm

為了減小環境因素對流量測量的影響，測量點的選取應該盡量遠離有水泵、閥門、彎管的地方，如D-E段管道以及各段管道彎頭附近；為了避免流體不滿管，測點位置要盡量避開下降管道和在低負荷下可能不滿管的粗管道，如B-C段管道、C-D段管道；同時，由于再循環流量的影響，A-B段管道也不可取；出于安裝和日常巡視維護方便的考慮，流量計的安裝位置不宜太高，排除F-G段管道（高度7 m）。所以經過綜合考慮后，最后選取的測量點為E-F段管道，距離彎頭E處高度為3 m，如圖1中測點1所示。

4 運行狀況及異常原因分析

為了分析測量結果的質量和可靠性，在機組啟停和運行階段，分別記錄了閥門開度變化時流量的變化曲線和機組短期運行周期內的流量閥門特性曲線，與標準的手持式超聲波流量計的測量結果進行了對比，并重點分析了機組正常運行階段流量計工作異常的原因。

4.1 超聲波流量計運行狀況

4.1.1 機組啟停階段流量計的運行狀況

機組啟停期間，凝補水泵投運，凝汽器內壓力為大氣壓。在該階段中，凝汽器水位調節閥從全關到全開，再由全開回到全關，該過程凝補水流量隨閥門開度變化的測量結果如圖3所示。

圖3 各閥門開度下的瞬時流量測量值

該階段中，凝汽器水位調節閥處于自動狀態時，記錄了2 h內流量隨閥門開度的變化情況，如圖4所示。

圖4 調閥自動狀態下2 h內的瞬時流量測量值

4.1.2 機組運行階段流量計的運行狀況

在機組運行期間，凝補水泵停運，凝汽器內形成高度真空。在測點1處測量時發現，2種流量計的測量結果均出現大幅波動或者沒有數據等異常現象，所測結果完全不可取。在整個E-F段管道上調整手持式流量計的測量位置，仍然無法獲取正常有效的測量值。

4.2 異常原因分析

由上述內容可以看出，流量計在機組啟停階段能夠正常運行，當機組正常運行以后，流量計測量異常，針對此異常狀況，進行了原因分析。

機組從啟停階段過渡到正常運行階段時，測點及測量參數設置并未發生改變，只有運行工況發生了變化。在工況變化過程中，凝補水運行參數主要有以下變化：凝補水流量的變化；凝補水泵停運帶來的凝補水出口母管壓力的變化；凝汽器運行引起的凝汽器壓力的變化。針對上述參數的變化進行分析。

凝補水流量的變化并沒有超過流量計的量程，所以流量的變化不是引起流量計無法正常工作的原因。另外2個參數的變化可能會產生以下致使流量計工作異常的原因：凝補水泵的停運及出口母管壓力的降低可能會導致管道中流體不滿管；機組運行階段凝汽器的高真空可能會引起管道中的凝補水汽化產生汽泡，干擾流量計的正常工作。

與B-C段管道相比，從C點至F點，管道較細，并且E-F段管道是上升管道，且測點離彎管處較遠（測點離彎管距離約為19倍管道直徑），基本可以排除管道中流體不滿管這一原因。

由于凝汽器距離E-F管道較近（小于5 m），所以凝汽器的高真空可能會引起管道中的水汽化。水的臨界狀態如表3所示。

表3 水的臨界狀態

根據理想氣體狀態方程[5]：

式中：P為壓強；T為絕對溫度；V為體積；R為理想氣體常數；n為物質的量。

當環境溫度為30℃，環境壓力為-97.07 kPa時，1 kg水完全汽化所需的體積為29 m3。當管道流量為40 t/h時，每秒流過E-F管道截面的凝補水的質量約為11.11 kg，完全汽化所需的體積約為322 m3；而凝汽器的空間大于322 m3，并且凝補水汽化后的水蒸汽一部分被真空泵抽走，另一部分隨低壓缸排汽一起被循環水冷卻成液態，再由凝結水泵增壓后供給精處理系統，為凝補水的連續汽化創造了足夠的條件。

靠近凝汽器管道部分的凝補水的實際參數（30℃，-94.0 kPa）與臨界狀態參數已經非常接近，接近于濕飽和狀態，所以在機組運行階段時，凝補水在E-F管道中會劇烈汽化，是流量計測量異常的根本原因。

5 改進措施和準確性分析

5.1 改進措施

當機組正常運行時，靠近凝汽器的補水管道中的凝補水由于凝汽器的高度真空發生劇烈汽化，進而產生汽泡干擾流量計的測量。為了避開凝汽器對流量計的干擾，需要重新進行測點位置的選取。根據3.3節的選址原則，整個凝補水管道上已經沒有合適的測點，因此在原選址原則上進行了調整。

C-D段管道雖然為下降管，但C-D段相對于B-C段較細，凝補水由較粗的B-C段管道流至C-D段管道后有可能充滿整個管道。為了驗證猜測，用手持式流量計在C-D段上測量，發現流量計可以正常工作，于是將新的測點定于C-D段管道距彎管D高度為3 m處，如圖1中測點2所示，在該點處測得的機組運行階段凝補水流量如圖5所示。在啟動補水階段，凝補水泵運行時，在測點2處測得的流量數據與測點1一致。

圖5 各閥門開度下的瞬時流量測量值

5.2 準確性分析

由圖5可知，測點位置調整后，在機組運行期間，測點2處的超聲波流量計能正常工作。在整個閥門開度變化范圍內，固定安裝的超聲波流量計與手持式流量計所測數據非常接近，且與閥門開度的增減趨勢也一致，準確度非常高。另外，在機組啟停期間，測點2測得的不同閥門開度下的瞬時流量以及調閥自動狀態下2 h內的瞬時流量值與測點1所測數據一致，如圖3、圖4所示。

在機組正常運行和啟停期間，流量測量值對閥門開度變化的響應及時，并且在閥門開度穩定的情況下，流量測量值也很穩定，靈敏度和穩定度都很高。

6 結語

凝補水流量測點位置選取，在實際過程當中，需要避開凝汽器真空對于流量計測量的干擾。在測點位置選擇合適的情況下，超聲波流量計的測量結果準確性高，同時具有較高的靈敏度和可靠的穩定度，為運行人員的日常監視、機組的補水率和經濟性運算提供有效的參考。

[1]付光輝，龍立義，王亦敏.沿海百萬超超臨界燃煤火力發電機組降低補水率概述[J].浙江電力，2016，35（10）∶52-54.

[2]孫長柏.便攜式超聲波流量計[J].管道技術與設備，1995（6）∶27-29.

[3]吳永生，方可人.熱工測量及儀表[M].北京：中國電力出版社，1995.

[4]冉志超，張寶，沈全義.汽輪機真空系統檢漏方法及典型案例分析[J].浙江電力，2016，35（13）∶34-37.

[5]嚴家騄，余曉福，王永青.水和水蒸氣的熱力學性質[M].北京：高等教育出版社，2007.

[6]王修彥.工程熱力學[M].北京：機械工業出版社，2007.

（本文編輯：張 彩）

Measurement and Accuracy Analysis of Condenser Feedwater Flow in Large Scale Power Plant

TANG Tian，JIN Jing
（Guangdong Yudean Jinghai Power Generation Co.，Ltd.，Jieyang Guangdong 515223，China）

∶Measurement accuracy of condensate flow in the thermal power plant is of great significance to daily monitoring of the operator and the economy calculation.In order to improve the measurement accuracy of the condensate flow，the differential pressure flowmeter on condenser feedwater pipe of a 1 000 MW unit in a power plant is replaced with ultrasonic flowmeter to record and analyze the measurement results under different operating conditions.Meanwhile，interference of high condenser vacuum on condensate flow measurement is studied and eliminated.The results show that the ultrasonic flowmeter has higher accuracy if the measurement points are reasonable.

∶condensate flow；ultrasonic flowmeter；accuracy；condenser vacuum；interference

.201704013

1007-1881（2017）04-0052-04

：TK39

：B

2016-11-04

唐 田（1990），男，碩士，從事火力發電廠熱控工作。