大型火電廠凝汽器補(bǔ)水流量測(cè)量及其準(zhǔn)確性分析

唐 田， 金 晶

（廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽(yáng) 515223）

大型火電廠凝汽器補(bǔ)水流量測(cè)量及其準(zhǔn)確性分析

唐 田， 金 晶

（廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽(yáng) 515223）

火電廠凝補(bǔ)水流量測(cè)量的準(zhǔn)確性對(duì)于運(yùn)行人員日常監(jiān)視和火電廠經(jīng)濟(jì)性計(jì)算具有重要意義。為提高凝補(bǔ)水流量測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，某發(fā)電廠將1 000 MW機(jī)組凝汽器補(bǔ)水管道上原有的差壓式流量計(jì)更換為超聲波流量計(jì)，記錄并分析了不同工況下的測(cè)量結(jié)果。同時(shí)重點(diǎn)研究并解決了測(cè)量過(guò)程中凝汽器高真空對(duì)于凝補(bǔ)水流量測(cè)量的干擾問(wèn)題。結(jié)果表明，在測(cè)點(diǎn)選擇合理的情況下，超聲波流量計(jì)具有較高的準(zhǔn)確度。

凝補(bǔ)水流量；超聲波流量計(jì)；準(zhǔn)確性；凝汽器真空；干擾

1 凝補(bǔ)水系統(tǒng)及流量測(cè)量

機(jī)組在正常運(yùn)行過(guò)程中，由于吹灰、漏汽、抽汽、疏水等影響，給水流量會(huì)有不同程度的消耗損失，為了滿足汽輪機(jī)做功所需的蒸汽量，保證機(jī)組安全運(yùn)行，需要保持足夠的鍋爐給水流量和穩(wěn)定的凝汽器水位，在機(jī)組運(yùn)行階段要對(duì)凝汽器進(jìn)行補(bǔ)水，同時(shí)對(duì)補(bǔ)水流量進(jìn)行測(cè)量監(jiān)視。凝汽器補(bǔ)水具體分為機(jī)組正常運(yùn)行補(bǔ)水以及機(jī)組啟停階段補(bǔ)水2種工況。凝汽器補(bǔ)水（以下簡(jiǎn)稱凝補(bǔ)水）流程如圖1所示。

在機(jī)組啟停階段，凝補(bǔ)水箱中的補(bǔ)給水通過(guò)補(bǔ)給水泵打入凝汽器，同時(shí)再循環(huán)電動(dòng)門開啟，保證凝補(bǔ)水泵有足夠的流量，防止水泵發(fā)生汽蝕；機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，再循環(huán)電動(dòng)門關(guān)閉，為了控制廠用電率，提升機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益，停運(yùn)凝補(bǔ)水泵，凝汽器依靠凝補(bǔ)水箱中水的正壓頭（8 m）和凝汽器負(fù)壓之間的差壓進(jìn)行自然補(bǔ)水。各階段凝補(bǔ)水運(yùn)行參數(shù)見表1。

圖1 凝補(bǔ)水流程

2 原流量計(jì)運(yùn)行中的問(wèn)題

某發(fā)電廠原有的流量計(jì)為差壓式流量計(jì)，布置在圖1當(dāng)中的B-C段管道，取樣口位于管道中心線。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，凝補(bǔ)水泵停運(yùn)，凝補(bǔ)水壓力低、流量較小，由于管道較粗，管道中所測(cè)流體無(wú)法達(dá)到中心線位置，所以經(jīng)常測(cè)不到流量；在機(jī)組啟停階段，凝汽器水位調(diào)節(jié)閥一般開度較小，同時(shí)由于管道較粗，導(dǎo)致管道中的流體流速較慢，取樣點(diǎn)測(cè)得的差壓較小，經(jīng)常存在測(cè)量值不準(zhǔn)、波動(dòng)大、延遲高等問(wèn)題。

表1 凝補(bǔ)水運(yùn)行參數(shù)

3 超聲波流量計(jì)介紹及測(cè)點(diǎn)選取

超聲波流量計(jì)由于安裝方便、運(yùn)行穩(wěn)定、測(cè)量準(zhǔn)確等多種優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠各種流體流量的測(cè)量。為了提高凝補(bǔ)水流量測(cè)量值的準(zhǔn)確性和可靠性，方便運(yùn)行人員日常監(jiān)視、改善凝汽器水位調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)特性以及準(zhǔn)確計(jì)算機(jī)組補(bǔ)水率及經(jīng)濟(jì)效益，將原有差壓式流量計(jì)改為超聲波流量計(jì)并重新選取合適的測(cè)點(diǎn)。

3.1 裝置結(jié)構(gòu)

流量計(jì)主要由傳感器和變送器組成，如圖2所示。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)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(gè)超聲波振子，兼作為超聲波的發(fā)送和接收元件，通過(guò)壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)將超聲波脈沖轉(zhuǎn)換為電脈沖或?qū)㈦娒}沖轉(zhuǎn)換為機(jī)械伸縮而產(chǎn)生超聲波。

變送器在為傳感器提供電源的同時(shí)，接收傳感器傳回來(lái)的電脈沖信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行多項(xiàng)處理，處理后的信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換計(jì)算后送至變送器就地顯示屏，顯示為聲速、流量等信息，同時(shí)經(jīng)過(guò)處理后的信號(hào)再由變送器傳輸?shù)紻CS（分散控制系統(tǒng)）。

3.2 測(cè)量原理

流量的測(cè)量方法主要有速度式、質(zhì)量式、差壓式等，超聲波則屬于速度式中的一種，通過(guò)測(cè)量發(fā)射和接收信號(hào)的時(shí)間差、相位差和頻率差等參數(shù)來(lái)計(jì)算出所測(cè)流體的流速[1]，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用時(shí)差法。

如圖2所示，固定在管道側(cè)的第一個(gè)傳感器發(fā)出的超聲波信號(hào)，經(jīng)由另一側(cè)管壁反射，隨后被第二個(gè)傳感器接收。超聲波信號(hào)在管道中沿介質(zhì)流動(dòng)方向交替來(lái)回發(fā)射。

當(dāng)信號(hào)在管道內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)中傳播時(shí)，其在流速正方向的傳播速度小于負(fù)方向的傳播速度，因此2個(gè)傳感器接受到的信號(hào)就會(huì)有時(shí)間差，測(cè)出時(shí)間差ΔT，即可算出管道內(nèi)介質(zhì)的平均流速。

3.3 測(cè)點(diǎn)位置選取

測(cè)量點(diǎn)位置選取是否合適是決定測(cè)量結(jié)果誤差的關(guān)鍵因素，以圖1為例，對(duì)各項(xiàng)選址原則進(jìn)行具體說(shuō)明，圖中各段管道尺寸如表2所示。

表2 凝補(bǔ)水各段管道尺寸 mm

為了減小環(huán)境因素對(duì)流量測(cè)量的影響，測(cè)量點(diǎn)的選取應(yīng)該盡量遠(yuǎn)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(cè)點(diǎn)位置要盡量避開下降管道和在低負(fù)荷下可能不滿管的粗管道，如B-C段管道、C-D段管道；同時(shí)，由于再循環(huán)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(hù)方便的考慮，流量計(jì)的安裝位置不宜太高，排除F-G段管道（高度7 m）。所以經(jīng)過(guò)綜合考慮后，最后選取的測(cè)量點(diǎn)為E-F段管道，距離彎頭E處高度為3 m，如圖1中測(cè)點(diǎn)1所示。

4 運(yùn)行狀況及異常原因分析

為了分析測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量和可靠性，在機(jī)組啟停和運(yùn)行階段，分別記錄了閥門開度變化時(shí)流量的變化曲線和機(jī)組短期運(yùn)行周期內(nèi)的流量閥門特性曲線，與標(biāo)準(zhǔn)的手持式超聲波流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，并重點(diǎn)分析了機(jī)組正常運(yùn)行階段流量計(jì)工作異常的原因。

4.1 超聲波流量計(jì)運(yùn)行狀況

4.1.1 機(jī)組啟停階段流量計(jì)的運(yùn)行狀況

機(jī)組啟停期間，凝補(bǔ)水泵投運(yùn)，凝汽器內(nèi)壓力為大氣壓。在該階段中，凝汽器水位調(diào)節(jié)閥從全關(guān)到全開，再由全開回到全關(guān)，該過(guò)程凝補(bǔ)水流量隨閥門開度變化的測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

圖3 各閥門開度下的瞬時(shí)流量測(cè)量值

該階段中，凝汽器水位調(diào)節(jié)閥處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，記錄了2 h內(nèi)流量隨閥門開度的變化情況，如圖4所示。

圖4 調(diào)閥自動(dòng)狀態(tài)下2 h內(nèi)的瞬時(shí)流量測(cè)量值

4.1.2 機(jī)組運(yùn)行階段流量計(jì)的運(yùn)行狀況

在機(jī)組運(yùn)行期間，凝補(bǔ)水泵停運(yùn)，凝汽器內(nèi)形成高度真空。在測(cè)點(diǎn)1處測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，2種流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果均出現(xiàn)大幅波動(dòng)或者沒有數(shù)據(jù)等異?，F(xiàn)象，所測(cè)結(jié)果完全不可取。在整個(gè)E-F段管道上調(diào)整手持式流量計(jì)的測(cè)量位置，仍然無(wú)法獲取正常有效的測(cè)量值。

4.2 異常原因分析

由上述內(nèi)容可以看出，流量計(jì)在機(jī)組啟停階段能夠正常運(yùn)行，當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行以后，流量計(jì)測(cè)量異常，針對(duì)此異常狀況，進(jìn)行了原因分析。

機(jī)組從啟停階段過(guò)渡到正常運(yùn)行階段時(shí)，測(cè)點(diǎn)及測(cè)量參數(shù)設(shè)置并未發(fā)生改變，只有運(yùn)行工況發(fā)生了變化。在工況變化過(guò)程中，凝補(bǔ)水運(yùn)行參數(shù)主要有以下變化：凝補(bǔ)水流量的變化；凝補(bǔ)水泵停運(yùn)帶來(lái)的凝補(bǔ)水出口母管壓力的變化；凝汽器運(yùn)行引起的凝汽器壓力的變化。針對(duì)上述參數(shù)的變化進(jìn)行分析。

凝補(bǔ)水流量的變化并沒有超過(guò)流量計(jì)的量程，所以流量的變化不是引起流量計(jì)無(wú)法正常工作的原因。另外2個(gè)參數(shù)的變化可能會(huì)產(chǎn)生以下致使流量計(jì)工作異常的原因：凝補(bǔ)水泵的停運(yùn)及出口母管壓力的降低可能會(huì)導(dǎo)致管道中流體不滿管；機(jī)組運(yùn)行階段凝汽器的高真空可能會(huì)引起管道中的凝補(bǔ)水汽化產(chǎn)生汽泡，干擾流量計(jì)的正常工作。

與B-C段管道相比，從C點(diǎn)至F點(diǎn)，管道較細(xì)，并且E-F段管道是上升管道，且測(cè)點(diǎn)離彎管處較遠(yuǎn)（測(cè)點(diǎn)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(huì)引起管道中的水汽化。水的臨界狀態(tài)如表3所示。

表3 水的臨界狀態(tài)

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程[5]：

式中：P為壓強(qiáng)；T為絕對(duì)溫度；V為體積；R為理想氣體常數(shù)；n為物質(zhì)的量。

當(dāng)環(huán)境溫度為30℃，環(huán)境壓力為-97.07 kPa時(shí)，1 kg水完全汽化所需的體積為29 m3。當(dāng)管道流量為40 t/h時(shí)，每秒流過(guò)E-F管道截面的凝補(bǔ)水的質(zhì)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(bǔ)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(huán)水冷卻成液態(tài)，再由凝結(jié)水泵增壓后供給精處理系統(tǒng)，為凝補(bǔ)水的連續(xù)汽化創(chuàng)造了足夠的條件。

靠近凝汽器管道部分的凝補(bǔ)水的實(shí)際參數(shù)（30℃，-94.0 kPa）與臨界狀態(tài)參數(shù)已經(jīng)非常接近，接近于濕飽和狀態(tài)，所以在機(jī)組運(yùn)行階段時(shí)，凝補(bǔ)水在E-F管道中會(huì)劇烈汽化，是流量計(jì)測(cè)量異常的根本原因。

5 改進(jìn)措施和準(zhǔn)確性分析

5.1 改進(jìn)措施

當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，靠近凝汽器的補(bǔ)水管道中的凝補(bǔ)水由于凝汽器的高度真空發(fā)生劇烈汽化，進(jìn)而產(chǎn)生汽泡干擾流量計(jì)的測(cè)量。為了避開凝汽器對(duì)流量計(jì)的干擾，需要重新進(jìn)行測(cè)點(diǎn)位置的選取。根據(jù)3.3節(jié)的選址原則，整個(gè)凝補(bǔ)水管道上已經(jīng)沒有合適的測(cè)點(diǎn)，因此在原選址原則上進(jìn)行了調(diào)整。

C-D段管道雖然為下降管，但C-D段相對(duì)于B-C段較細(xì)，凝補(bǔ)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(gè)管道。為了驗(yàn)證猜測(cè)，用手持式流量計(jì)在C-D段上測(cè)量，發(fā)現(xiàn)流量計(jì)可以正常工作，于是將新的測(cè)點(diǎn)定于C-D段管道距彎管D高度為3 m處，如圖1中測(cè)點(diǎn)2所示，在該點(diǎn)處測(cè)得的機(jī)組運(yùn)行階段凝補(bǔ)水流量如圖5所示。在啟動(dòng)補(bǔ)水階段，凝補(bǔ)水泵運(yùn)行時(shí)，在測(cè)點(diǎn)2處測(cè)得的流量數(shù)據(jù)與測(cè)點(diǎn)1一致。

圖5 各閥門開度下的瞬時(shí)流量測(cè)量值

5.2 準(zhǔn)確性分析

由圖5可知，測(cè)點(diǎn)位置調(diào)整后，在機(jī)組運(yùn)行期間，測(cè)點(diǎn)2處的超聲波流量計(jì)能正常工作。在整個(gè)閥門開度變化范圍內(nèi)，固定安裝的超聲波流量計(jì)與手持式流量計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)非常接近，且與閥門開度的增減趨勢(shì)也一致，準(zhǔn)確度非常高。另外，在機(jī)組啟停期間，測(cè)點(diǎn)2測(cè)得的不同閥門開度下的瞬時(shí)流量以及調(diào)閥自動(dòng)狀態(tài)下2 h內(nèi)的瞬時(shí)流量值與測(cè)點(diǎn)1所測(cè)數(shù)據(jù)一致，如圖3、圖4所示。

在機(jī)組正常運(yùn)行和啟停期間，流量測(cè)量值對(duì)閥門開度變化的響應(yīng)及時(shí)，并且在閥門開度穩(wěn)定的情況下，流量測(cè)量值也很穩(wěn)定，靈敏度和穩(wěn)定度都很高。

6 結(jié)語(yǔ)

凝補(bǔ)水流量測(cè)點(diǎn)位置選取，在實(shí)際過(guò)程當(dāng)中，需要避開凝汽器真空對(duì)于流量計(jì)測(cè)量的干擾。在測(cè)點(diǎn)位置選擇合適的情況下，超聲波流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性高，同時(shí)具有較高的靈敏度和可靠的穩(wěn)定度，為運(yùn)行人員的日常監(jiān)視、機(jī)組的補(bǔ)水率和經(jīng)濟(jì)性運(yùn)算提供有效的參考。

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

[2]孫長(zhǎng)柏.便攜式超聲波流量計(jì)[J].管道技術(shù)與設(shè)備，1995（6）∶27-29.

[3]吳永生，方可人.熱工測(cè)量及儀表[M].北京：中國(guó)電力出版社，1995.

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

[5]嚴(yán)家騄，余曉福，王永青.水和水蒸氣的熱力學(xué)性質(zhì)[M].北京：高等教育出版社，2007.

[6]王修彥.工程熱力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)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(fā)電廠熱控工作。