引言

        在生產(chǎn)和科學(xué)研究試驗(yàn)中，流量是一個(gè)很重要的參數(shù)，流量檢測(cè)的專用儀表是安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟(jì)效益和管理水平的重要工具。管道測(cè)流技術(shù)當(dāng)前發(fā)展成熟，管道流量計(jì)測(cè)量原理多種，可滿足不同生產(chǎn)工況需求[1]。

 

        當(dāng)前巨型水電站各類流量計(jì)種類繁多，流量計(jì)累計(jì)有1900多臺(tái)，就流量計(jì)的測(cè)量原理分有電磁式、差壓式、熱導(dǎo)式、超聲波多種，就測(cè)量的介質(zhì)主要有油、水兩種。其中油流量主要是測(cè)量水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組上導(dǎo)、推導(dǎo)、水導(dǎo)軸承汽輪機(jī)油管道流量及機(jī)組高壓油頂起系統(tǒng)的油流量，水流量主要是測(cè)量機(jī)組各部軸承和主變壓器的冷卻水（江水）、主軸密封水（清潔水）、發(fā)電機(jī)純水（不導(dǎo)電介質(zhì)）流量等。因流量計(jì)隨不同主機(jī)廠家機(jī)組配套，規(guī)格型號(hào)不同，差異化較大，所以有著流量計(jì)的功能不明確、配置存在不合理、安裝不符合產(chǎn)品安裝要求的諸多問(wèn)題，導(dǎo)致流量檢測(cè)的準(zhǔn)確性有偏差，無(wú)法滿足機(jī)組流量檢測(cè)的要求。如測(cè)量機(jī)組冷卻水的電磁式流量計(jì)管路的直管段較短，導(dǎo)致管路無(wú)法滿管測(cè)量；測(cè)量機(jī)組水導(dǎo)外循環(huán)油的超聲波流量計(jì)安裝于油過(guò)濾器的后端，因油經(jīng)過(guò)濾器后產(chǎn)生氣泡，導(dǎo)致超聲波流量計(jì)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法檢測(cè)到流量；測(cè)量機(jī)組推導(dǎo)軸承冷卻水采用熱導(dǎo)式流量計(jì)，因流量計(jì)的探頭長(zhǎng)期浸泡于江水中而結(jié)垢，導(dǎo)致流量計(jì)測(cè)量值遠(yuǎn)小于實(shí)際值[2]。

 

        本文對(duì)主要流量計(jì)的測(cè)量原理進(jìn)行深入分析，總結(jié)明確出各類流量計(jì)的功能選型、正確的安裝方式等，打造出適用于巨型水電站的優(yōu)化流量應(yīng)用方案。

 

1　流量計(jì)測(cè)量原理探究

1.1　電磁流量計(jì)

        電磁流量計(jì)的測(cè)量原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)被測(cè)導(dǎo)電流體在磁場(chǎng)中沿垂直磁力線方向流動(dòng)而切割磁力線時(shí)，在對(duì)稱安裝在流通管道兩側(cè)的電極上將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，此電勢(shì)與流體的流速成正比（見(jiàn)圖1）。通過(guò)如下公式計(jì)算出流量：

式中：

        E——感應(yīng)電勢(shì)；

        K——與磁場(chǎng)分布及軸向相關(guān)的系數(shù)；

        B——磁感應(yīng)強(qiáng)度；

        V——導(dǎo)電液體平均流速；

        D——電極間距（流量計(jì)導(dǎo)管內(nèi)徑）[3]。

 

        電磁流量計(jì)壓力損失小、流量測(cè)量范圍大，反應(yīng)迅速。應(yīng)用的局限性是只能測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)的液體流量，在水電站可測(cè)量機(jī)組各部軸承和主變壓器的冷卻水（江水）和主軸密封水（清潔水），因水電站各部軸承冷卻水都具有正反向供水功能，可選用具備正反向測(cè)量功能的電磁流量計(jì)，并且因江水雜質(zhì)較多，易造成流量計(jì)的檢測(cè)電極結(jié)垢污染，將對(duì)測(cè)量造成較大影響，可選用電極可清洗的流量計(jì)。

 

1.2　熱導(dǎo)式流量計(jì)

        熱導(dǎo)式流量計(jì)采用熱交換原理，流量計(jì)探頭配置了發(fā)熱模塊和感熱模塊，根據(jù)示流器的熱量傳導(dǎo)與被測(cè)流體流速的比例關(guān)系，檢測(cè)出流體的流速（見(jiàn)圖2）[4]。

        熱導(dǎo)式流量計(jì)一般為插入式安裝，適用于多種流量計(jì)質(zhì)，使用范圍較寬，量程比大于10：1。應(yīng)用的局限性是測(cè)量的精度較難以保證，因測(cè)量的熱導(dǎo)部分被結(jié)垢污染后對(duì)測(cè)量的精度影響加大，在水電站可測(cè)量機(jī)組各部軸承的油流量，作管路油流動(dòng)的基本示流開(kāi)關(guān)用，因測(cè)量精度難以達(dá)到要求，不建議采用為如循環(huán)油泵邏輯控制的油流條件，也不適用于測(cè)量機(jī)組高壓油系統(tǒng)的高速油流[5]。

 

1.3　超聲波流量計(jì)

        超聲波流量計(jì)的測(cè)量方法可分為：時(shí)差法、多譜勒效應(yīng)法、波束偏移法、相關(guān)法、噪聲法。當(dāng)前用得非常多的是時(shí)差法和多譜勒效應(yīng)法[6]。

 

        時(shí)差檢測(cè)法原理為超聲波脈沖在上下游的兩側(cè)傳感器間來(lái)回傳播，當(dāng)有流體流動(dòng)時(shí)，由于向下游方向的信號(hào)傳播時(shí)間比向上游方向的短，根據(jù)時(shí)差與流體速度成正比關(guān)系，檢測(cè)出流體的流速和方向，見(jiàn)圖3。

 

圖3和式2中：D——儀表口徑；L——聲程；

        Vm——介質(zhì)流速；

        Cm——介質(zhì)中的聲速；

        α——傳感器A/B間與管道水平中心線間的夾角；

        TB-A——傳感器B至A的時(shí)間；

        TA-B——傳感器A至B的時(shí)間。

 

        超聲波流量計(jì)為非接觸式測(cè)量方式，傳感器不與被測(cè)介質(zhì)接觸，無(wú)壓損，使用壽命較長(zhǎng)，設(shè)備維護(hù)量較小。既可管道固定式安裝，也可移動(dòng)便攜式測(cè)量（必須為金屬管道、塑料管道及其他透聲材料的管道）。在水電廠可用作各類水、油管路的流量測(cè)量，超聲波流量計(jì)不適用于測(cè)量管路中的流量介質(zhì)有氣泡的環(huán)境，所以不宜測(cè)量目數(shù)較細(xì)的油過(guò)濾器管路，同樣也不適用于測(cè)量機(jī)組高壓油系統(tǒng)的高速油流。

 

1.4　差壓流量計(jì)

差壓流量計(jì)的測(cè)量原理為在流量計(jì)的管道中部配置節(jié)流部件，當(dāng)滿管的流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)，流束形成局部的收縮，流速增大，而靜壓力降低，在節(jié)流件前后產(chǎn)生一定的壓力差。根據(jù)流體的流速與差壓值的比例關(guān)系，檢測(cè)出流體的流速。

 

差壓流量計(jì)運(yùn)用非常為廣泛，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)，其局限是壓損大，不太適用于小流量的環(huán)境，范圍度窄，僅3：1～4：1。在水電廠特別適用于有循環(huán)油泵管路的較大油流量測(cè)量，但也不適用于對(duì)機(jī)組高壓油系統(tǒng)的幾十兆帕的高速油流進(jìn)行油流模擬量準(zhǔn)確測(cè)量。

 

1.5　活塞式流量開(kāi)關(guān)

        活塞式流量開(kāi)關(guān)的檢測(cè)原理是當(dāng)流體按指示方向流過(guò)管道時(shí)，推動(dòng)彈簧支撐并安裝有yongjiu磁鐵的活塞，從而驅(qū)動(dòng)干簧管開(kāi)關(guān)磁性開(kāi)關(guān)在設(shè)定流量上動(dòng)作，輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)。活塞式流量開(kāi)關(guān)設(shè)定流量范圍大、調(diào)整方便，廣泛用于水、氣、油等介質(zhì)測(cè)量。有低壓降、耐壓高等優(yōu)點(diǎn)，狀態(tài)只取決于流量，而與壓力無(wú)關(guān)，并且對(duì)壓力的峰值不再敏感，在水電廠可解決于機(jī)組高壓油的高速油流檢測(cè)難點(diǎn)。

 

2　流量計(jì)的安裝標(biāo)準(zhǔn)

        當(dāng)前巨型水電站流量計(jì)在低經(jīng)濟(jì)性和附加值下運(yùn)行的原因除了功能不明確、配置不合理外，非常主要就是安裝不符合產(chǎn)品安裝要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致流量計(jì)故障率較高、測(cè)量不準(zhǔn)確。

 

2.1　流量計(jì)的通徑和量程選擇

        流量計(jì)首先需要確定它的通徑和測(cè)量范圍，即確定傳感器內(nèi)流體的流速范圍，流量計(jì)量程范圍的選擇對(duì)提高流量計(jì)工作的可靠性及精度有較大關(guān)系，根據(jù)不低于預(yù)計(jì)的非常大流量值的原則選擇滿量程，正常常用流量非常好不超過(guò)滿量程50%，這樣可獲得較高的測(cè)量精度[7]。

 

        流量計(jì)通常選用與工藝相同的通徑或者略小些，在流量選定的情況下，通徑的選擇是根據(jù)不同的測(cè)量對(duì)象以及流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)流速的大小來(lái)確定。流量計(jì)所測(cè)流體的流速，需考慮管路中流體的流速與壓頭損失的關(guān)系。在確定流速后，流量計(jì)的通徑可根據(jù)如下關(guān)系式確定：

V=353.678Q÷d2（m/s）（3）

式中：d——流量計(jì)通徑，mm；

Q——體積流量，m3/s。

 

2.2　流量計(jì)接地

流量計(jì)的正確可靠接地對(duì)流量計(jì)的正常運(yùn)行至關(guān)重要：

（1）給信號(hào)源參考用的零電位；

（2）使被測(cè)流體與可靠的接地體相連通；

（3）滿足相應(yīng)的安全性要求（如雷擊等）；

（4）抗外界干擾措施（如屏蔽等）。

接地點(diǎn)離傳感器的距離盡可能短，必須與可靠接地體直接相連，不能與其他設(shè)備接地點(diǎn)相連接，接地電阻≤10Ω，電磁流量計(jì)的外殼、電纜屏蔽線、測(cè)量管路的兩端都需單獨(dú)可靠接地，絕不能接在電動(dòng)機(jī)等公用地線或上下水管道上，準(zhǔn)確接地如圖5所示；如流量計(jì)的轉(zhuǎn)換器部分已通過(guò)電纜線接地，就毋須再另行接地，以避免因電位差而造成干擾。流量計(jì)配備接地環(huán)的接地方法：如工藝管道為絕緣材質(zhì)，則必須配置接地環(huán)可靠接地，來(lái)穩(wěn)定邊界條件，提高測(cè)量穩(wěn)定性和精度，如圖6所示。

 

2.3　流量計(jì)的安裝管路標(biāo)準(zhǔn)

        流量計(jì)的精準(zhǔn)測(cè)量必須保證滿管測(cè)量狀態(tài)，在水電站中，導(dǎo)致非滿管的流量計(jì)管路常見(jiàn)錯(cuò)誤安裝位置示意圖如圖7所示。圖中A為流量計(jì)直接安裝在閘閥前后，圖中B為流量計(jì)安裝在放空管路的長(zhǎng)水平管路上，圖中C為流量計(jì)安裝在放空管路高處和垂直排放段。此三種都將導(dǎo)致管路內(nèi)介質(zhì)為非滿管狀態(tài)，從而影響測(cè)量的精度[8]。在GB/T18659—2002《封閉管道中導(dǎo)電液體流量的測(cè)量電磁流量計(jì)性能》中規(guī)定上游10D（D為流量計(jì)通徑），下游5D。

 

 

在DL/T1107—2009《水電廠自動(dòng)化元件基本技術(shù)條件》中規(guī)定：

（1）機(jī)械式流量開(kāi)關(guān)：上下游5D；

（2）熱導(dǎo)式流量開(kāi)關(guān)：上下游4D；

（3）電磁流量計(jì)：上游10D、下游5D。

 

        在ISO和鑒定規(guī)格號(hào)中對(duì)各類閥組、管路標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。流量計(jì)管路正確規(guī)范的管路如圖8所示，圖中A為保證流量計(jì)的上下游足夠的直管段；圖中B為在長(zhǎng)的水平放空管道上，在流量計(jì)的下游側(cè)設(shè)計(jì)略微上升的管道部分再放空；圖中C為敞開(kāi)式供水或排放，將流量計(jì)安裝在管道的較低或爬坡部分。三種安裝方式以確保通過(guò)流量計(jì)的管道完全充滿液體，從而達(dá)到測(cè)量的精確性。

 

3　結(jié)束語(yǔ)

        在水電廠中，流量信號(hào)是水輪發(fā)電機(jī)組重要的參考監(jiān)視量，流量計(jì)數(shù)量大，對(duì)各類型流量計(jì)進(jìn)行準(zhǔn)確選型和功能配置，按安裝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安裝，能保證流量計(jì)的運(yùn)行穩(wěn)定性，降低故障率，穩(wěn)定可信的流量信號(hào)可參與到設(shè)備的邏輯控制中，流量計(jì)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性較高，能保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

 

作者簡(jiǎn)介：

        周立成（1976—），男，工程師，主要研究方向：水電站調(diào)速器及水輪機(jī)輔助設(shè)備日常維護(hù)。

        翟玉杰（1986—），男，工程師，主要研究方向：水電站調(diào)速器及水輪機(jī)輔助設(shè)備日常維護(hù)。

        艾遠(yuǎn)高（1983—），男，工程師，主要研究方向：水電站調(diào)速器及水輪機(jī)輔助設(shè)備日常維護(hù)。

        夏國(guó)強(qiáng)（1986—），男，工程師，主要研究方向：水電站調(diào)速器及水輪機(jī)輔助設(shè)備日常維護(hù)。

 

本文由三峽水力發(fā)電廠，湖北省宜昌市，周立成，翟玉杰，艾遠(yuǎn)高，夏國(guó)強(qiáng)，幾位作者聯(lián)合發(fā)布，轉(zhuǎn)載必須注明來(lái)源和作者