電站熱力試驗流量測量方法對比分析及其應用①

王加勇 楊 茉 張 鼎 代軍科 劉國偉

(1.上海理工大學能源與動力工程學院；2.蘇州熱工研究院有限公司)

電站熱力試驗流量測量方法對比分析及其應用①

王加勇1,2楊 茉1張 鼎2代軍科2劉國偉2

(1.上海理工大學能源與動力工程學院；2.蘇州熱工研究院有限公司)

以某330MW火力發電廠進除氧器的凝結水流量為例，分析采用超聲波流量計、ASME流量噴嘴、標準孔板流量計測量流體參數和具體管道的條件要求，并對實際應用測量結果進行分析比較。結果表明：機組考核試驗以ASME流量噴嘴測量的凝結水流量作為基準；日常對比試驗標準孔板流量計測量能滿足要求；超聲波流量計誤差較大，可以測量對試驗結果影響較小的輔助流量。

流量測量 ASME噴嘴 標準孔板 超聲波流量計

提高流量測量的準確性是火力發電廠熱力試驗和節能降耗工作的重要環節[1]。根據ASME標準，流量的高精度測量應采用高精度的差壓元件。由于標準孔板具有測量精度高、適用范圍廣及價格低廉等特點，現有的汽輪機凝結水流量測量裝置大部分采用標準孔板流量計。在進行性能考核試驗時，采用低β ASME流量噴嘴來提高凝結水測量精度[2～5]。

目前，參考文獻僅從理論上分析流量測量裝置的區別，在工業生產實際應用過程中進行對比分析，尚屬首次。試驗前，3種流量測量裝置在流體實驗室進行了標定，采用機械工業第十三計量測試中心站檢定的0.1級超聲波流量計、0.1級ASME流量噴嘴、0.1標準孔板進行凝結水流量測量，對3種測量方式進行了分析對比，為流量測量方法的選擇奠定了一定的基礎[6]。

筆者從試驗角度，探討實際應用過程中3種流量測量裝置的區別，給同行提供參考。

1 3種流量計的測量方法及其要求

1.1 超聲波流量計

用超聲波流量計測量凝結水流量，流體內可以不必插入任何元件，對流體的流場不會產生任何影響，不會產生壓力損失。但當液體中含有氣泡或噪聲時，會影響聲波的傳播。另外，超聲波流量計實際上測量的是流體速度，它會受到流體速度分布的影響，雖然可以進行速度分布校正，但目前仍然不是十分準確。超聲波流量計的測量原理如圖1所示。

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

傳感器既發送信號又接收信號，上游傳感器發送信號，下游傳感器接收信號時，定義為順流傳播, 超聲波被流體加速，其速度為tdn；下游傳感器發送信號，上游傳感器接收信號時，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。

聯立式(1)、(2)得到流體的速度v，進而得到管道的流量：

(3)

鑒于超聲波流量計的測量原理與計算方法，測量時要求管道條件較高，以便保證流體流場的均勻性：

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的裝置；

b. 準確測量管徑、外徑、周長和直徑；

c. 確定管道材料、壁厚和接觸溫度；

d. 確定是否有內襯、內襯種類和厚度。

1.2 ASME流量噴嘴和標準孔板

ASME流量噴嘴和標準孔板這兩種節流裝置均適用于測量圓形截面管道中的單相、均質流體，即牛頓流體。同時要求流體充滿管道；流體流動是穩定的或隨時間緩變的，流體流經節流件前流動應達到充分紊流，在節流件前后一定距離內不發生相變或析出雜質且流速小于音速。

ASME流量噴嘴測量布置如圖2所示，標準孔板測量布置如圖3所示。

圖2 ASME流量噴嘴測量布置圖

圖3 標準孔板測量布置圖

ASME噴嘴和標準孔板的流量計算公式為：

(4)

式中C——工作狀態下節流件流出系數；

d——工作狀態下的節流件開孔直徑，m；

α——工作狀態下節流件流量系數；

β——工作狀態下節流件開孔直徑與管道內徑之比；

ε——流束膨脹系數；

Δp——節流件壓差，Pa；

ρ1——工作狀態下的流體密度，kg/m3。

考慮上述兩種節流裝置的測量原理，在安裝和測量時應注意如下事項：

a. 流體必須充滿圓管，并連續不斷地流經節流裝置；

b. 流體在物理上和熱力學上必須是均勻的單相流體；

c. 流體流經節流裝置時不得發生相變；

d. 節流裝置所測的流體必須是穩定流，或可看作是穩定的緩慢變化的流體，不適用于脈動流和臨界的流量測量；

e. 流束必須與管道軸線平行，不得有旋轉流；

f. 節流件安裝前管道內不得有氧化物和雜物,防止損壞節流件；

g. 節流件表面應用軟紗擦凈，不得用砂紙或銼刀等工具損傷入口表面和銳口；

h. 節流件現場吊裝時，嚴禁用鐵絲、鋼絲或吊鉤穿入節流件喉部孔徑，以防止節流件銳口損傷，影響測量精度。

2 超聲波流量計、ASME流量噴嘴、標準孔板試驗測量結果對比分析

2.1 ASME流量噴嘴與標準孔板兩種測量方法試驗結果對比分析

對ASME流量噴嘴和標準孔板節流裝置進行8次試驗，每個工況下機組穩定運行2h以上，標準孔板加裝兩臺差壓變送器以消除儀表誤差，ASME流量噴嘴安裝A、B兩對取壓孔進行試驗，對不同運行工況下同時采用兩種測量方法得到的凝結水流量均值進行比較，結果見表1?？梢?，ASME流量噴嘴測量的凝結水流量比采用標準孔板測量的凝結水流量小。同時，還可以發現，采用這兩種方式測量凝結水流量時，隨著流量的增加，偏差增大。

表1 ASME流量噴嘴與標準孔板節流裝置試驗結果比較

分析原因如下：流體實驗室檢定環境與現場試驗條件有較大偏差，結合圖2、3可知，ASME流量噴嘴和標準孔板在試驗前進行了檢定，但由于標準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，保證了流體的穩定性，測量環境更接近于試驗環境,這也是ASME試驗規程涉及考核時推薦采用ASME流量噴嘴的重要原因。

對于工程實際而言，標準孔板相對檢定便宜，便于拆解送檢，常用于電廠日常檢測。而ASME流量噴嘴精度高，維護繁瑣昂貴，定期檢定費用高。

結合ASME流量噴嘴和標準孔板流量測量結果，筆者以ASME流量噴嘴為基準，擬合標準孔板測量的流量與ASME測量的流量偏差修正曲線，日后機組性能監督以修正后的孔板測量流量進行評判會更為準確：

Y= 0.0016X- 0.6256

式中X——孔板測量的凝結水流量，t/h；

Y——修正后的凝結水流量，t/h。

2.2 ASME流量噴嘴與超聲波流量計兩種測量方法試驗結果對比分析

對ASME流量噴嘴與超聲波流量計流量測量進行3個負荷試驗，每個工況進行2h，每個工況重復兩次平行試驗，得到的凝結水流量測量結果見表2。

表2 ASME流量噴嘴與超聲波流量計試驗結果比較

(續表2)

由表2可見，ASME流量噴嘴測量的凝結水流量比采用超聲波流量計測量的凝結水流量大，且隨著凝結水流量的增加，偏差增大?？梢?，超聲波流量計雖然在大流體實驗室進行了檢定，但在實際應用過程中，其偏差較大。

分析原因如下：實際生產過程中，管道表面為了防腐刷了一層油漆，影響到測量管道外徑周長或直徑準確測量，且管道內壁污垢的產生也會影響聲波的傳播；兩個探頭之間的距離對于聲波的傳播時間誤差較大，故采用超聲波流量計測量汽輪機凝結水流量時誤差較大。

超聲波流量計測量流體流量不必插入任何元件，對流體的流場不會產生任何影響，不會產生壓力損失，且便于攜帶，適合現場多個地方的測量，雖然實際測量精度較低，但對于電站不便安裝節流裝置或太細的管道仍有一定的優勢，可以定性判斷管道流量的增減，起到對現場的指導作用。

3 超聲波流量計、ASME流量噴嘴、標準孔板3種測量裝置綜合分析

ASME流量噴嘴自身攜帶整流板，受現場測量環境影響最小，在涉及設備考核時必須使用。ASME噴嘴由于結構特點長度在11m左右，不便于運輸、安裝，且檢定費用高，對于電站日常監督不切合實際。

標準孔板相對檢定便宜，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督。但由于受管道條件和流體條件影響，機組檢修時必須送檢，檢查取壓孔是否有毛刺等。

超聲波流量計便于攜帶，適用于現場多個地方的測量，進行定性判斷。但超聲波流量計的價格比較高，其標定與維修必須到專門的標定和維修部門才能得到解決。

4 結論

4.1 ASME流量噴嘴測量的凝結水流量比采用標準孔板測量的凝結水流量小；ASME流量噴嘴測量的凝結水流量比超聲波流量計測量的凝結水流量大。ASME流量噴嘴上游管段有整流板，保證了流體的穩定性，測量環境更接近于實驗檢定環境,故ASME試驗規程中在涉及考核時推薦采用ASME流量噴嘴。

4.2 采用ASME流量噴嘴、標準孔板、超聲波流量計測量凝結水流量，隨著流量的增加，偏差增大，標準孔板較ASME流量噴嘴偏差在0.5%左右，經過修正后可以用于日常機組性能的監督，而超聲波流量計在滿負荷測量時偏差達到11.5%。

4.3 電站熱力性能試驗時，上述3種方法均會用到。常規試驗，如修前修后對比試驗采用標準孔板測量凝結水流量等主要流量；在考核試驗時建議采用ASME流量噴嘴以提高試驗精度；在測量給水泵密封水流量、循環水流量等輔助流量時，或現場不具備安裝節流裝置條件時，可采用超聲波流量計來測量。

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

[2] 山西省電力局．熱工儀表及自動裝置[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及其優化工作，wangjiayong@cgnpc.com.cn。

TH814

A

1000-3932(2017)06-0538-05

2016-12-12，

2017-04-24)