大型火电厂凝汽器补水流量测量及其准确性分析

唐 田， 金 晶

（广东粤电靖海发电有限公司，广东 揭阳 515223）

大型火电厂凝汽器补水流量测量及其准确性分析

唐 田， 金 晶

（广东粤电靖海发电有限公司，广东 揭阳 515223）

火电厂凝补水流量测量的准确性对于运行人员日常监视和火电厂经济性计算具有重要意义。为提高凝补水流量测量结果的准确性，某发电厂将1 000 MW机组凝汽器补水管道上原有的差压式流量计更换为超声波流量计，记录并分析了不同工况下的测量结果。同时重点研究并解决了测量过程中凝汽器高真空对于凝补水流量测量的干扰问题。结果表明，在测点选择合理的情况下，超声波流量计具有较高的准确度。

凝补水流量；超声波流量计；准确性；凝汽器真空；干扰

1 凝补水系统及流量测量

机组在正常运行过程中，由于吹灰、漏汽、抽汽、疏水等影响，给水流量会有不同程度的消耗损失，为了满足汽轮机做功所需的蒸汽量，保证机组安全运行，需要保持足够的锅炉给水流量和稳定的凝汽器水位，在机组运行阶段要对凝汽器进行补水，同时对补水流量进行测量监视。凝汽器补水具体分为机组正常运行补水以及机组启停阶段补水2种工况。凝汽器补水（以下简称凝补水）流程如图1所示。

在机组启停阶段，凝补水箱中的补给水通过补给水泵打入凝汽器，同时再循环电动门开启，保证凝补水泵有足够的流量，防止水泵发生汽蚀；机组正常运转时，再循环电动门关闭，为了控制厂用电率，提升机组的经济效益，停运凝补水泵，凝汽器依靠凝补水箱中水的正压头（8 m）和凝汽器负压之间的差压进行自然补水。各阶段凝补水运行参数见表1。

图1 凝补水流程

2 原流量计运行中的问题

某发电厂原有的流量计为差压式流量计，布置在图1当中的B-C段管道，取样口位于管道中心线。机组正常运行时，凝补水泵停运，凝补水压力低、流量较小，由于管道较粗，管道中所测流体无法达到中心线位置，所以经常测不到流量；在机组启停阶段，凝汽器水位调节阀一般开度较小，同时由于管道较粗，导致管道中的流体流速较慢，取样点测得的差压较小，经常存在测量值不准、波动大、延迟高等问题。

表1 凝补水运行参数

3 超声波流量计介绍及测点选取

超声波流量计由于安装方便、运行稳定、测量准确等多种优点，被广泛应用于发电厂各种流体流量的测量。为了提高凝补水流量测量值的准确性和可靠性，方便运行人员日常监视、改善凝汽器水位调节阀的调节特性以及准确计算机组补水率及经济效益，将原有差压式流量计改为超声波流量计并重新选取合适的测点。

3.1 装置结构

流量计主要由传感器和变送器组成，如图2所示。

图2 装置结构示意

超声波传感器是由声楔固定在流量管道壁面上的2个超声波振子，兼作为超声波的发送和接收元件，通过压电效应和电致伸缩效应将超声波脉冲转换为电脉冲或将电脉冲转换为机械伸缩而产生超声波。

变送器在为传感器提供电源的同时，接收传感器传回来的电脉冲信号，并对其进行多项处理，处理后的信号经转换计算后送至变送器就地显示屏，显示为声速、流量等信息，同时经过处理后的信号再由变送器传输到DCS（分散控制系统）。

3.2 测量原理

流量的测量方法主要有速度式、质量式、差压式等，超声波则属于速度式中的一种，通过测量发射和接收信号的时间差、相位差和频率差等参数来计算出所测流体的流速[1]，现场实际应用时差法。

如图2所示，固定在管道侧的第一个传感器发出的超声波信号，经由另一侧管壁反射，随后被第二个传感器接收。超声波信号在管道中沿介质流动方向交替来回发射。

当信号在管道内流动介质中传播时，其在流速正方向的传播速度小于负方向的传播速度，因此2个传感器接受到的信号就会有时间差，测出时间差ΔT，即可算出管道内介质的平均流速。

3.3 测点位置选取

测量点位置选取是否合适是决定测量结果误差的关键因素，以图1为例，对各项选址原则进行具体说明，图中各段管道尺寸如表2所示。

表2 凝补水各段管道尺寸 mm

为了减小环境因素对流量测量的影响，测量点的选取应该尽量远离有水泵、阀门、弯管的地方，如D-E段管道以及各段管道弯头附近；为了避免流体不满管，测点位置要尽量避开下降管道和在低负荷下可能不满管的粗管道，如B-C段管道、C-D段管道；同时，由于再循环流量的影响，A-B段管道也不可取；出于安装和日常巡视维护方便的考虑，流量计的安装位置不宜太高，排除F-G段管道（高度7 m）。所以经过综合考虑后，最后选取的测量点为E-F段管道，距离弯头E处高度为3 m，如图1中测点1所示。

4 运行状况及异常原因分析

为了分析测量结果的质量和可靠性，在机组启停和运行阶段，分别记录了阀门开度变化时流量的变化曲线和机组短期运行周期内的流量阀门特性曲线，与标准的手持式超声波流量计的测量结果进行了对比，并重点分析了机组正常运行阶段流量计工作异常的原因。

4.1 超声波流量计运行状况

4.1.1 机组启停阶段流量计的运行状况

机组启停期间，凝补水泵投运，凝汽器内压力为大气压。在该阶段中，凝汽器水位调节阀从全关到全开，再由全开回到全关，该过程凝补水流量随阀门开度变化的测量结果如图3所示。

图3 各阀门开度下的瞬时流量测量值

该阶段中，凝汽器水位调节阀处于自动状态时，记录了2 h内流量随阀门开度的变化情况，如图4所示。

图4 调阀自动状态下2 h内的瞬时流量测量值

4.1.2 机组运行阶段流量计的运行状况

在机组运行期间，凝补水泵停运，凝汽器内形成高度真空。在测点1处测量时发现，2种流量计的测量结果均出现大幅波动或者没有数据等异常现象，所测结果完全不可取。在整个E-F段管道上调整手持式流量计的测量位置，仍然无法获取正常有效的测量值。

4.2 异常原因分析

由上述内容可以看出，流量计在机组启停阶段能够正常运行，当机组正常运行以后，流量计测量异常，针对此异常状况，进行了原因分析。

机组从启停阶段过渡到正常运行阶段时，测点及测量参数设置并未发生改变，只有运行工况发生了变化。在工况变化过程中，凝补水运行参数主要有以下变化：凝补水流量的变化；凝补水泵停运带来的凝补水出口母管压力的变化；凝汽器运行引起的凝汽器压力的变化。针对上述参数的变化进行分析。

凝补水流量的变化并没有超过流量计的量程，所以流量的变化不是引起流量计无法正常工作的原因。另外2个参数的变化可能会产生以下致使流量计工作异常的原因：凝补水泵的停运及出口母管压力的降低可能会导致管道中流体不满管；机组运行阶段凝汽器的高真空可能会引起管道中的凝补水汽化产生汽泡，干扰流量计的正常工作。

与B-C段管道相比，从C点至F点，管道较细，并且E-F段管道是上升管道，且测点离弯管处较远（测点离弯管距离约为19倍管道直径），基本可以排除管道中流体不满管这一原因。

由于凝汽器距离E-F管道较近（小于5 m），所以凝汽器的高真空可能会引起管道中的水汽化。水的临界状态如表3所示。

表3 水的临界状态

根据理想气体状态方程[5]：

式中：P为压强；T为绝对温度；V为体积；R为理想气体常数；n为物质的量。

当环境温度为30℃，环境压力为-97.07 kPa时，1 kg水完全汽化所需的体积为29 m3。当管道流量为40 t/h时，每秒流过E-F管道截面的凝补水的质量约为11.11 kg，完全汽化所需的体积约为322 m3；而凝汽器的空间大于322 m3，并且凝补水汽化后的水蒸汽一部分被真空泵抽走，另一部分随低压缸排汽一起被循环水冷却成液态，再由凝结水泵增压后供给精处理系统，为凝补水的连续汽化创造了足够的条件。

靠近凝汽器管道部分的凝补水的实际参数（30℃，-94.0 kPa）与临界状态参数已经非常接近，接近于湿饱和状态，所以在机组运行阶段时，凝补水在E-F管道中会剧烈汽化，是流量计测量异常的根本原因。

5 改进措施和准确性分析

5.1 改进措施

当机组正常运行时，靠近凝汽器的补水管道中的凝补水由于凝汽器的高度真空发生剧烈汽化，进而产生汽泡干扰流量计的测量。为了避开凝汽器对流量计的干扰，需要重新进行测点位置的选取。根据3.3节的选址原则，整个凝补水管道上已经没有合适的测点，因此在原选址原则上进行了调整。

C-D段管道虽然为下降管，但C-D段相对于B-C段较细，凝补水由较粗的B-C段管道流至C-D段管道后有可能充满整个管道。为了验证猜测，用手持式流量计在C-D段上测量，发现流量计可以正常工作，于是将新的测点定于C-D段管道距弯管D高度为3 m处，如图1中测点2所示，在该点处测得的机组运行阶段凝补水流量如图5所示。在启动补水阶段，凝补水泵运行时，在测点2处测得的流量数据与测点1一致。

图5 各阀门开度下的瞬时流量测量值

5.2 准确性分析

由图5可知，测点位置调整后，在机组运行期间，测点2处的超声波流量计能正常工作。在整个阀门开度变化范围内，固定安装的超声波流量计与手持式流量计所测数据非常接近，且与阀门开度的增减趋势也一致，准确度非常高。另外，在机组启停期间，测点2测得的不同阀门开度下的瞬时流量以及调阀自动状态下2 h内的瞬时流量值与测点1所测数据一致，如图3、图4所示。

在机组正常运行和启停期间，流量测量值对阀门开度变化的响应及时，并且在阀门开度稳定的情况下，流量测量值也很稳定，灵敏度和稳定度都很高。

6 结语

凝补水流量测点位置选取，在实际过程当中，需要避开凝汽器真空对于流量计测量的干扰。在测点位置选择合适的情况下，超声波流量计的测量结果准确性高，同时具有较高的灵敏度和可靠的稳定度，为运行人员的日常监视、机组的补水率和经济性运算提供有效的参考。

[1]付光辉，龙立义，王亦敏.沿海百万超超临界燃煤火力发电机组降低补水率概述[J].浙江电力，2016，35（10）∶52-54.

[2]孙长柏.便携式超声波流量计[J].管道技术与设备，1995（6）∶27-29.

[3]吴永生，方可人.热工测量及仪表[M].北京：中国电力出版社，1995.

[4]冉志超，张宝，沈全义.汽轮机真空系统检漏方法及典型案例分析[J].浙江电力，2016，35（13）∶34-37.

[5]严家騄，余晓福，王永青.水和水蒸气的热力学性质[M].北京：高等教育出版社，2007.

[6]王修彦.工程热力学[M].北京：机械工业出版社，2007.

（本文编辑：张 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，硕士，从事火力发电厂热控工作。