摘要：通過汽輪機凝汽器冷卻水流量的測量，分析了采用超聲波流量計與凝汽器熱平衡方法測量冷卻水流量的精確度及均值。指出采用超聲波流量計測量冷卻水流量的方差值比較小，但超聲波流量計的投資及測量費用較大。從測量的精確度及測量經(jīng)濟性兩方面對兩種測量方法進行了討論，提出凝汽器冷卻水流量的測量應(yīng)該結(jié)合測量精確度及經(jīng)濟性二者綜合決定應(yīng)該采用何種測量方法。

凝汽器冷卻水流量的測量，是測定冷卻水泵性能以及實現(xiàn)冷卻水泵優(yōu)化調(diào)度的重要環(huán)節(jié)。尤其是近幾年來，隨著社會上水資源保護意識的提高，水資源管理部門對冷卻水開始收取費用，冷卻水流量的測量更受到了運行部門的普遍重視。

由于火電機組單機容量的逐漸增大，火電廠的耗水量也逐漸增大，使得冷卻水泵的容量以及輸送管路的直徑也相應(yīng)增加。例如，對于國產(chǎn)300MW汽輪機，額定工況下冷卻水流量為37512t/h，冷卻水管直徑通常在1.5～2.2m范圍內(nèi)。如此高的流量以及冷卻水管直徑為安裝孔板等流量測量裝置帶來了一定的困難，從而為冷卻水流量的測量帶來了一定的困難。

目前，在測定凝汽器的冷卻水時，通常采用超聲波流量計或者根據(jù)凝汽器的熱平衡推算冷卻水流量，這兩種方法各有特點。為此，本文對兩種測量方法進行了分析，并對測量結(jié)果進行了對比，為冷卻水流量測量方法的選擇，奠定了一定的基礎(chǔ)。

1、超聲波流量計測量方法及要求

超聲波流量計測量冷卻水流量，流體內(nèi)可以不必插入任何元件，對流體的流場不會產(chǎn)生任何影響，不會產(chǎn)生壓力損失。由于超聲波能穿透金屬，超聲波換能器只須裝在金屬管道外面，而不必對管道進行特殊加工。適用于測量任何流體，特別是具有高粘度、強腐蝕性、非導(dǎo)電等流體的測量。對于大直徑管道的測量，不會因為直徑的加大而增加測量的投資。同時，量程范圍比較寬，可以達到5：1，準確度等級是±2%，輸出與流量之間一般是線性的。由于超聲波流量計具有上述優(yōu)點，目前已經(jīng)在流體流量測量中取得了廣泛的應(yīng)用。

但是，超聲波流量計的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高。而且，當液體中含有氣泡或噪聲時，會影響聲波的傳播。另外，超聲波流量計實際上測量的是流體速度，其會受到流體速度分布的影響，雖然可以進行速度分布校正，但目前仍然不是十分準確，故測量時要求變送器前后分別有10和5倍管徑的直管段長度，以便保證流體流場的均勻性。亦即對于直徑為1.5m的冷卻水管道來說，要求變送器前后直管段長度分別為15m和7.5m。顯然，汽輪機廠房內(nèi)冷卻水管道的直管段無法滿足這樣的要求。而廠房外的冷卻水管路又通常埋在地下，為測量帶來一定的困難，從而導(dǎo)致冷卻水流量的測量費用較大。

2、凝汽器熱平衡方法測量冷卻水流量的原理及方法

在汽輪機凝汽器中，除汽輪機排汽外，還有低壓加熱器的疏水在凝汽器中放熱。放出的熱量被冷卻水吸收。由于疏水量較小，而且其在凝汽器中放熱量也較少，故忽略各種疏水在凝汽器中的放熱量。則由凝汽器的熱平衡，蒸汽凝結(jié)所放出的熱量等于冷卻水吸收的熱量，即

Dc(hc-h′c) =DwcpΔt   (1)

則，冷卻水流量可以表示為

其中，Dw為冷卻水流量，t/s；Dc為汽輪機的排汽量，t/s；hc-h′c為1kg排汽在凝汽器中的放熱量，kJ/kg，其數(shù)值大小可由汽輪機的熱力試驗確定。通常，按照實用精確度的原則，hc-h′c可以認為是常量，對于中間再熱式汽輪機為2300kJ/kg，非中間再熱式汽輪機為2200kJ/kg；cp為冷卻水的比熱，kJ/kg·℃；Δt為冷卻水在凝汽器中的溫升，℃，其數(shù)值可以冷卻水入口及出口的溫度表記直接得到。

由于凝汽式汽輪機*末級處于超臨界流動狀態(tài)，故運行中汽輪機排汽量與汽輪機*末段回熱抽汽壓力成正比，即

式中，Dc0,為汽輪機設(shè)計工況下的汽輪機排汽量，t/s；pe0為設(shè)計工況下汽輪機*末段回熱抽汽壓力，MPa；pel為運行過程中實測的汽輪機*末段回熱抽汽壓力，MPa。Dc0 、pe0可以根據(jù)汽輪機制造廠家提供的汽輪機熱力特性說明書中得到。

3、兩種測量方法的比較

在對不同測量方法進行比較時，不僅應(yīng)該對其測量結(jié)果的精確度進行比較，還應(yīng)該考慮到測量方法的經(jīng)濟性，亦即測量的投資及費用情況，并在此基礎(chǔ)上對測量方法進行綜合評價。

3.1 兩種測量方法測量結(jié)果的比較

評價測量結(jié)果好壞的指標是其觀測數(shù)據(jù)精度的大小，亦即要求觀測結(jié)果的離散程度應(yīng)該盡可能小。圖1、圖2分別表示對同樣運行工況下同時采用超聲波流量計和凝汽器熱平衡方法得到的冷卻水流量測量值及其相應(yīng)的均值。其中，k為測量點數(shù)。

衡量觀測數(shù)據(jù)離散程度大小的指標是觀測值的方差，其可以表示為

通過對上述工況下兩種測量方法測量結(jié)果的整理與計算，得到采用超聲波流量計得到的均值及方差分別為x1=9.894,S21=0.085；而采用凝汽器熱平衡方法得到的均值及方差分別為x2=9.547，S22=0.401。顯然，采用超聲波流量計得到的冷卻水流量測量值的精確度較高。二者均值之間的相對誤差為3.51%。為了進一步比較超聲波流量計與凝汽器熱平衡方法測量冷卻水流量的精度，對不同運行工況下采用兩種方法得到的冷卻水流量均值及方差進行了比較，如表1所示。

由表1可見，超聲波流量計測量冷卻水的流量，其測量方差比采用凝汽器熱平衡得到的冷卻水流量方差小，從而說明采用超聲波流量計得到的冷卻水流量值的離散程度較小。同時，由表1還可以發(fā)現(xiàn)，采用凝汽器熱平衡方法測量冷卻水流量與采用超聲波流量計相比，其均值間的*小誤差為0.47%，*大誤差為8.80%，其誤差平均值為4.21%。3.2 兩種測量方法測量經(jīng)濟性的比較

所謂測量的經(jīng)濟性，就是指測量儀表的投資、測量的方便程度以及實現(xiàn)測量所需要的測量費用。

由于凝汽器冷卻水管徑較大，采用超聲波流量計測量汽輪機凝汽器的冷卻水流量，要求變送器前后的直管段較長，通常只能在廠房外進行測量。而由于冷卻水管通常埋在地下，測量時需要根據(jù)直管段的情況選擇測量點，并在該處將土層挖開，形成測量井，測量時運行人員進入井下進行測量，從而造成測量工作*為不便。同時，超聲波流量計的價格比較高。而且，超聲波流量計的標定與維修，必須到專門的標定及維修部門才能得到解決。這就決定了采用超聲波流量計的測量經(jīng)濟性較差。

而采用凝汽器熱平衡方法測量凝汽器的冷卻水流量，可以利用汽輪機的常規(guī)測點及表計，根據(jù)運行溫度、壓力表記讀數(shù)很方便地通過計算得到。由于是常規(guī)的測量儀表，儀表的標定與維修在本廠的實驗室中即可以進行。當然，凝汽器熱平衡方法所需要的測點為凝汽器冷卻水的入口溫度、出口溫度、汽輪機*末段回熱抽汽壓力及大氣壓力，與采用超聲波流量計相比，測點數(shù)略有增加，但從總體上說，采用凝汽器熱平衡方法測量冷卻水流量的經(jīng)濟性要比采用超聲波流量計高。

4、結(jié)論

(1)采用超聲波流量計測量凝汽器冷卻水流量時，測量數(shù)據(jù)的離散度較小，而采用凝汽器熱平衡測量得到冷卻水流量的離散度較大，因此，超聲波流量計測量的精確度較高。

(2)超聲波流量計測量凝汽器冷卻水流量需要直管段的長度較大，給測量帶來了一定的困難。而采用凝汽器熱平衡方法測量冷卻水流量較容易實現(xiàn)，而且測量成本及費用較低。

(3)采用凝汽器熱平衡與采用超聲波流量計測量的冷卻水流量之間的平均相對誤差為4.21%，冷卻水流量的測量應(yīng)該根據(jù)測量的精確度與經(jīng)濟性綜合決定采用何種方法。