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火电厂主蒸汽流量测量方法比较
发布时间：2019-12-16

摘要：火电厂机组的主蒸汽流量是机组进行准确的运行工况分析性能检测、开展良好的经济性分析和节能降耗工作的基础。从原理、应用、优缺点以及误差产生因素等方面对目前现有的两种主流测量方法直接测量法和间接测量法进行了详细比较分析。
　　火电厂机组的主蒸汽流量是否能实现准确测量关系到机组是否可以进行准确的运行工况分析性能检测、是否可以开展良好的经济性分析和节能降耗工作。目前对于火电厂主蒸汽流量的测量方法主要有两个大方向，直接测量和间接测量。
1直接法测量
　　蒸汽流量直接法计量的研究从差压式流量计发展到现今的超声波流量计已经有100多年的历史。蒸汽流量的计量仪表种类众多但却没有一种仪表可以适用所有工况下的蒸汽测量。目前主流的测试仪表主要有以孔板式流量计为代表的差压式流量计和以涡街流量计为代表的其它类型流量计。针对直接法测量仅对以下几种代表型的测量方法进行比较分析。
1.1孔板式流量计原理及特性分析
　　孔板流量计，即对蒸汽进行孔板节流之后利用蒸汽流过孔板前后所形成的压力差以及流动连续性方程（质量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）计算出蒸汽流量[2]。
　　孔板流量计具有以下优点：使用方便无需实流校准，经久耐用，应用范围广，价格较低。同时其使用上也有些缺点需要注意：测量精度有待提高；锐角磨损与积污问题不可避免；单个孔板的β=0.45～0.75，压损太大，可达最大差压的78%～47%；安装加工较困难，例如孔板的开孔边缘圆弧半径在国标规定中需不大于0.0004d但实际中很难操作；孔板流量计的流量系数对雷诺数的变化十分敏感因此其量程较小，一般常应用的量程为4:1～5:1，而火电厂蒸汽流量测量中流量上下限往往大于10:1偶尔高达20:1，这对于孔板流量计而言具有一定挑战；导压管易堵塞易泄漏易冻结等。
1.2标准喷嘴式流量计原理及特性分析
　　标准喷嘴式流量计的测量原理与孔板式类似，同样依靠测量流体节流形成的压差进而换算出流体的流量，与孔板式的不同点在于其喷嘴由于采用圆弧形结构因此相比于孔板式流量计压损较小测量精度更高。
　　同孔板式流量计一样，标准喷嘴式流量计具有结构简单使用方便无需实流校准的优点，其压损更小以及耐腐蚀性更高是较孔板式更优化的特点，同时由于其喷嘴圆弧化的构造特点，可进行更广范围的气体液体以及脏污介质测量。但其缺点与孔板式相比也是显而易见，即其加工工艺复杂整体造价较高，此外与孔板式流量计相同，喷嘴式流量计也存在导压管易堵塞易泄漏易冻结等问题。
1.3V锥式流量计原理及特性分析
　　V锥式流量计也是差压式流量计的一种，其主要结构形式有精密测量管型、维夫Wafer型以及插入式型三种，如图1所示[3]。
V锥式流量计的三种形式
　　V锥流量计的主要部件有V型锥体、导压管、差压变送器以及流量积算仪等。它的测量原理类似孔板和喷嘴流量计，利用其内流过的蒸汽流量与V型锥体前后蒸汽的压差的平方根成线性关系，测量流过V型锥体前后蒸汽的压差以及相应密度通过代入流量计算公式计算出蒸汽流量。
　　V锥流量计的主要优点有：测量稳定性好精度高；可测试介质种类多范围广；可适用的雷诺数范围较宽即量程大；压损小；和孔板与喷嘴式流量计相比需要的直管段短；具有自洁净能力，可测易污易堵流体。其缺点同孔板式和喷嘴式流量计一样，也存在法兰连接易泄漏，导压管易泄漏易冻结等问题。
1.4分流旋翼式流量计原理及特性分析
　　分流旋翼式流量计是利用分流相似原理和节流原理进行流体流量的测量。其组成部分有分流孔板、壳体、分流管、喷嘴、叶轮、磁钢和表头等部件。当进行蒸汽流量测量时，蒸汽会被分为两路：一路流经孔板形成压力差；另一路经喷嘴喷射到叶轮叶片上以使其转动。由流体相似原理可知在一定流量范围内两路流体流量之比固定即一定叶轮转速对应一定流体流量，由此便可得出待测蒸汽流量总量。分流旋翼式流量计结构简单使用方便、测量范围广，可自动跟踪补偿压力变动，造价较低。
1.5涡街流量计原理及特性分析
　　涡街流量计在20世纪60年代由日本研究者率先提出，其主要组成部分有传感器、连杆、漩涡发生器和表体。其工作原理是利用流体流经圆柱状物体时会形成卡门涡街，而卡门涡街的频率与流体流速成正比，实际测量时可根据检测出的卡门涡街频率由下式得出流体流速，继而由流速计算得出流体流量。
F=St·v／d(1)
式中：F——涡街频率；St——涡街流量计系数(斯特罗哈数)；v——蒸汽流速；d——圆柱体直径。
　　涡街流量计的优点是其结构简单可靠性高，测量精度高响应快；量程大（10:1～30:1）；输出结果为脉冲信号因此无零点漂移导致的误差。但其缺点是其测量结果易受信号干扰，主要有工业电磁波动造成的干扰和管道震动引起的干扰。
2间接法测量
　　直接测量虽然简单方便直观，但如今火电厂的机组容量日益扩大，相应的节流元件体积也随之增大，这不仅对制造安装和检修造成了一定困难，同时较大的节流元件应用于大型机组的主蒸汽流量测量时往往会引起压损较大的情况，从而导致测量结果与实际流量偏差较大，尤其是针对一些例如超临界机组之类的高参数机组实现直接测量非常困难，因此另一种测量方法在实际中应用更多，即间接测量。间接测量主蒸汽流量即利用汽轮机的有关参数进行间接换算最终得出结果。
2.1测量原理
　　目前间接测量主要有两种实现方法：调节级后压力温度间接测量法和利用压力级组前后压力、温度测量法。这两种方法都基于弗留格尔公式：

式中：G0（G1）——设计额定工况（变工况）下的蒸汽流量；P0，PZ（P01，PZ1）——在设计额定工况（变工况）下该级组前后的压力；T0（T01）——设计额定工况（变工况）下该级组前蒸汽温度。
　　对于n级的汽轮机在变工况状态下工作时如未达临界值则可直接应用上述弗留格尔公式但前提是整个汽轮机组级组叶片通流面积不变。
　　当机组级组较多且末级为凝汽式机组时,级组的排气压力（PZ）远小于级组进汽压力（P0），因此上式可简化为[4]：

　　式（3）是目前应用最广的间接测量流量计算方法。式（3）和式（4）和弗留格尔公式一样都需要保证在级数足够多；叶片流通面积不变；各级组流量相同；各级组级前温度变化率相同和不得有其他非线性元件干扰等前提条件下应用。
　　对于级数足够多这一条件目前大多数火电厂的汽轮发电机都可以满足。对于保持叶片流通面积不变这一条件，由于叶片流通面积会随着级组调节阀门开启状况不同而变化，当负荷降低时相应会减少阀门的开启数从而使实际流通面积减小因此会导致如图2所示的P1值偏大于实际值，测量结果也因此偏大。

2.2影响因素
　　除了上述叶片流通面积会对测量结果造成影响外还有以下几大影响因素。
1.再热减温水的影响
　　 再热减温水的注入会成为再热器压降和蒸汽流量两者关系中不可控的一个因素，此外这一部分减温水由于全部流入中、低压缸所以会对其压降造成影响，这一部分流量不算入主蒸汽流量但却会引起上图中P2和P1值的增加从而导致测量结果大于实际值。
2. 厂用汽及对外供热的影响
　　 火电厂发电汽轮机往往将其高压缸的排汽作为厂用汽的汽源同时利用其余热供热，这样会相应的减少再热器及中、低压缸的蒸汽流量从而导致其压力降低压差减小即图中P3、P2降低，P3、P2的降低最终致使P1值降低，测量结果将偏小。
3. 加热器、给水泵及暖风机的投、切影响
　　 各组加热器在机组运行中会由于不同原因进行投、切，其抽汽量也会因此而变化，而抽气量直接影响到P1值，例如高压加热器被切除后前段抽汽量将明显减少从而主蒸汽流量不变而P1值明显提高致使测量结果偏高。汽动给水泵和锅炉暖风器的气源都来自于中压缸排汽，当汽动给水泵部分停用时或其工作汽源改变时都会使抽汽量减少从而也会导致包括P1值在内的各级压力值提高,致使测量结果偏高。冬季暖风机的投入会引起抽汽量的增加，P1值因此降低，测量结果会偏低。
4.温度补偿的影响
　　主蒸汽经过调节级后在P1点会有一个明显的温降，而且该温降随阀门开度、机组运行方式的变化有所不同。但是到了P3点却由于再热器的存在因此P1点的温降对此点并没有太大的影响�？墒抢酶チ舾穸绞且愿骷蹲榧肚拔露缺浠氏嗤庖磺疤崽跫形露炔钩サ�，因此会有一定误差。
5. 动态特性的影响
　　 再热系统的中、低压缸动态运作时会有惯性环节特性呈现，这会导致P1和流量在机组变工况运行时呈非线性状态，便会产生动态偏差。
2.3特性分析
与直接测量方法相比，基于弗留格尔公式的间接测量法具有以下优点：
(1)无需安装特殊测量装置，只需读取汽轮机相关的运行参数进行间接换算便可得出主蒸汽流量，这一点上大大节省了初投资成本
(2)由于无需另外安装设备，因此不存在额外的压力损失，因此得出的蒸汽流量数据更可靠；
(3)同样由于无需另外安装设备，机组泄漏点减少，这将系统维护和检修成本大大降低。此外，间接测量无需直接检修机组，对于机组内部工况和问题缺陷可利用弗留格尔公式直接进行计算确定，具体有以下两方面应用：利用不同流量下推算出的机组各级级前压力，求得各级压差和比焓降，从而确定机组效率及内部零件受力；已知流量或功率的前提下，利用各级级前压力反向验证与弗留格尔公式是否相符判断汽轮机内部是否正常运作例如是否出现堵塞或泄漏引起的流通面积改变。
利用弗留格尔公式进行间接测量需注意以下几点：
(1)由于结垢、腐蚀等问题存在，因此为了将流量测量误差控制到最低，必须对机组进行定期试验，检查给水流量是否与主蒸汽流量示值相对应以确定是否有结垢、腐蚀等问题存在和严重程度，同时定期试验还可以做到对系统误差进行校对；
(2)不可以一成不变地对弗留格尔公式进行生搬硬套的计算，要灵活观察系统热力过程，根据过程特性不同选择不同形式的弗留格尔公式进行流量计算。
3结语
　　传统的直接测量蒸汽流量的方法虽然在二次仪表的配合下可以得到主蒸汽流量值，但由于节流装置本身存在的技术问题和测量精度等影响因素，如今在大容量高参数单元机组中越来越难以见其身影，与之相对应的间接测量法在可靠性、稳定性、经济性方面的表现更为优秀。但目前仍由于热力工况复杂多变往往需要对计算模型作不同修正，目前并未研究出一种十分完善的计算模型，因此该领域还有待研究工作者继续探索。

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