巨型水电站流量计应用研究

2022-03-13周立成翟玉杰艾远高夏国强

水电与抽水蓄能 2022年1期

周立成，翟玉杰，艾远高，夏国强

（三峡水力发电厂，湖北省宜昌市 443000）

0 引言

在生产和科学研究试验中，流量是一个很重要的参数，流量检测的专用仪表是安全生产、节能降耗、提高经济效益和管理水平的重要工具。管道测流技术当前发展成熟，管道流量计测量原理多种，可满足不同生产工况需求[1]。

当前巨型水电站各类流量计种类繁多，流量计累计有1900多台，就流量计的测量原理分有电磁式、差压式、热导式、超声波多种，就测量的介质主要有油、水两种。其中油流量主要是测量水轮发电机机组上导、推导、水导轴承汽轮机油管道流量及机组高压油顶起系统的油流量，水流量主要是测量机组各部轴承和主变压器的冷却水（江水）、主轴密封水（清洁水）、发电机纯水（不导电介质）流量等。

因流量计随不同主机厂家机组配套，规格型号不同，差异化较大，所以有着流量计的功能不明确、配置存在不合理、安装不符合产品安装要求的诸多问题，导致流量检测的准确性有偏差，无法满足机组流量检测的要求。如测量机组冷却水的电磁式流量计管路的直管段较短，导致管路无法满管测量；测量机组水导外循环油的超声波流量计安装于油过滤器的后端，因油经过滤器后产生气泡，导致超声波流量计长时间无法检测到流量；测量机组推导轴承冷却水采用热导式流量计，因流量计的探头长期浸泡于江水中而结垢，导致流量计测量值远小于实际值[2]。

本文对主要流量计的测量原理进行深入分析，总结明确出各类流量计的功能选型、正确的安装方式等，打造出适用于巨型水电站的优化流量应用方案。

1 流量计测量原理探究

1.1 电磁流量计

电磁流量计的测量原理是基于法拉第电磁感应定律，当被测导电流体在磁场中沿垂直磁力线方向流动而切割磁力线时，在对称安装在流通管道两侧的电极上将产生感应电势，此电势与流体的流速成正比（见图1）。通过如下公式计算出流量：

图1 电磁流量计检测原理Figure 1 Detection principle of electromagnetic flowmeter

式中：E——感应电势；

K——与磁场分布及轴向相关的系数；

B——磁感应强度；

V——导电液体平均流速；

D——电极间距（流量计导管内径）[3]。

电磁流量计压力损失小、流量测量范围大，反应迅速。应用的局限性是只能测量导电介质的液体流量，在水电站可测量机组各部轴承和主变压器的冷却水（江水）和主轴密封水（清洁水），因水电站各部轴承冷却水都具有正反向供水功能，可选用具备正反向测量功能的电磁流量计，并且因江水杂质较多，易造成流量计的检测电极结垢污染，将对测量造成较大影响，可选用电极可清洗的流量计。

1.2 热导式流量计

热导式流量计采用热交换原理，流量计探头配置了发热模块和感热模块，根据示流器的热量传导与被测流体流速的比例关系，检测出流体的流速（见图2）[4]。

图2 热导式流量计检测原理Figure 2 Detection principle of thermal conductivity flowmeter

热导式流量计一般为插入式安装，适用于多种流量计质，使用范围较宽，量程比大于10：1。应用的局限性是测量的精度较难以保证，因测量的热导部分被结垢污染后对测量的精度影响加大，在水电站可测量机组各部轴承的油流量，作管路油流动的基本示流开关用，因测量精度难以达到要求，不建议采用为如循环油泵逻辑控制的油流条件，也不适用于测量机组高压油系统的高速油流[5]。

1.3 超声波流量计

超声波流量计的测量方法可分为：时差法、多谱勒效应法、波束偏移法、相关法、噪声法。当前用得最多的是时差法和多谱勒效应法[6]。

时差检测法原理为超声波脉冲在上下游的两侧传感器间来回传播，当有流体流动时，由于向下游方向的信号传播时间比向上游方向的短，根据时差与流体速度成正比关系，检测出流体的流速和方向，见图3。

图3 超声波流量计测量原理Figure 3 Principle of ultrasonic flowmeter measurement

图3和式2中：D——仪表口径；

L——声程；

Vm——介质流速；

Cm——介质中的声速；

α——传感器A/B间与管道水平中心线间的夹角；

TB-A——传感器B至A的时间；

TA-B——传感器A至B的时间。

超声波流量计为非接触式测量方式，传感器不与被测介质接触，无压损，使用寿命较长，设备维护量较小。既可管道固定式安装，也可移动便携式测量（必须为金属管道、塑料管道及其他透声材料的管道）。在水电厂可用作各类水、油管路的流量测量，超声波流量计不适用于测量管路中的流量介质有气泡的环境，所以不宜测量目数较细的油过滤器管路，同样也不适用于测量机组高压油系统的高速油流。

1.4 差压流量计

差压流量计的测量原理为在流量计的管道中部配置节流部件，当满管的流体流经节流件时，流束形成局部的收缩，流速增大，而静压力降低，在节流件前后产生一定的压力差。根据流体的流速与差压值的比例关系，检测出流体的流速。图4为差压流量计测量原理。

图4 差压流量计测量原理Figure 4 Measuring principle of differential pressure flowmeter

差压流量计运用最为广泛，性能稳定可靠，使用寿命长，其局限是压损大，不太适用于小流量的环境，范围度窄，仅3：1～4：1。在水电厂特别适用于有循环油泵管路的较大油流量测量，但也不适用于对机组高压油系统的几十兆帕的高速油流进行油流模拟量准确测量。

1.5 活塞式流量开关

活塞式流量开关的检测原理是当流体按指示方向流过管道时，推动弹簧支撑并安装有永久磁铁的活塞，从而驱动干簧管开关磁性开关在设定流量上动作，输出开关信号。

活塞式流量开关设定流量范围大、调整方便，广泛用于水、气、油等介质测量。有低压降、耐压高等优点，状态只取决于流量，而与压力无关，并且对压力的峰值不再敏感，在水电厂可解决于机组高压油的高速油流检测难点。

2 流量计的安装标准

当前巨型水电站流量计在低经济性和附加值下运行的原因除了功能不明确、配置不合理外，最主要就是安装不符合产品安装要求和相关标准，导致流量计故障率较高、测量不准确。

2.1 流量计的通径和量程选择

流量计首先需要确定它的通径和测量范围，即确定传感器内流体的流速范围，流量计量程范围的选择对提高流量计工作的可靠性及精度有较大关系，根据不低于预计的最大流量值的原则选择满量程，正常常用流量最好不超过满量程50%，这样可获得较高的测量精度[7]。

流量计通常选用与工艺相同的通径或者略小些，在流量选定的情况下，通径的选择是根据不同的测量对象以及流量计测量管内流速的大小来确定。流量计所测流体的流速，需考虑管路中流体的流速与压头损失的关系。在确定流速后，流量计的通径可根据如下关系式确定：

式中：d——流量计通径，mm；

Q——体积流量，m3/s。

2.2 流量计接地

流量计的正确可靠接地对流量计的正常运行至关重要：

（1）给信号源参考用的零电位；

（2）使被测流体与可靠的接地体相连通；

（3）满足相应的安全性要求（如雷击等）；

（4）抗外界干扰措施（如屏蔽等）。

接地点离传感器的距离尽可能短，必须与可靠接地体直接相连，不能与其他设备接地点相连接，接地电阻≤10Ω，电磁流量计的外壳、电缆屏蔽线、测量管路的两端都需单独可靠接地，绝不能接在电动机等公用地线或上下水管道上，准确接地如图5所示；如流量计的转换器部分已通过电缆线接地，就毋须再另行接地，以避免因电位差而造成干扰。流量计配备接地环的接地方法：如工艺管道为绝缘材质，则必须配置接地环可靠接地，来稳定边界条件，提高测量稳定性和精度，如图6所示。