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凝汽器冷卻水流量測(cè)量方法分析及其比較
發(fā)布時(shí)間：2020-08-22 08:58:58??點(diǎn)擊次數(shù)：1145次
摘要：通過汽輪機(jī)凝汽器冷卻水流量的測(cè)量，分析了采用超聲波流量計(jì)與凝汽器熱平衡方法測(cè)量冷卻水流量的精確度及均值。指出采用超聲波流量計(jì)測(cè)量冷卻水流量的方差值比較小，但超聲波流量計(jì)的投資及測(cè)量費(fèi)用較大。從測(cè)量的精確度及測(cè)量經(jīng)濟(jì)性兩方面對(duì)兩種測(cè)量方法進(jìn)行了討論，提出凝汽器冷卻水流量的測(cè)量應(yīng)該結(jié)合測(cè)量精確度及經(jīng)濟(jì)性二者綜合決定應(yīng)該采用何種測(cè)量方法。
凝汽器冷卻水流量的測(cè)量，是測(cè)定冷卻水泵性能以及實(shí)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(huì)上水資源保護(hù)意識(shí)的提高，水資源管理部門對(duì)冷卻水開始收取費(fèi)用，冷卻水流量的測(cè)量更受到了運(yùn)行部門的普遍重視。
由于火電機(jī)組單機(jī)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(duì)于國產(chǎn)300MW汽輪機(jī)，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(cè)量裝置帶來了一定的困難，從而為冷卻水流量的測(cè)量帶來了一定的困難。
目前，在測(cè)定凝汽器的冷卻水時(shí)，通常采用超聲波流量計(jì)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(diǎn)。為此，本文對(duì)兩種測(cè)量方法進(jìn)行了分析，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，為冷卻水流量測(cè)量方法的選擇，奠定了一定的基礎(chǔ)。
1、超聲波流量計(jì)測(cè)量方法及要求
超聲波流量計(jì)測(cè)量冷卻水流量，流體內(nèi)可以不必插入任何元件，對(duì)流體的流場不會(huì)產(chǎn)生任何影響，不會(huì)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(duì)管道進(jìn)行特殊加工。適用于測(cè)量任何流體，特別是具有高粘度、強(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電等流體的測(cè)量。對(duì)于大直徑管道的測(cè)量，不會(huì)因?yàn)橹睆降募哟蠖黾訙y(cè)量的投資。同時(shí)，量程范圍比較寬，可以達(dá)到5：1，準(zhǔn)確度等級(jí)是±2%，輸出與流量之間一般是線性的。由于超聲波流量計(jì)具有上述優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)在流體流量測(cè)量中取得了廣泛的應(yīng)用。
但是，超聲波流量計(jì)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高。而且，當(dāng)液體中含有氣泡或噪聲時(shí)，會(huì)影響聲波的傳播。另外，超聲波流量計(jì)實(shí)際上測(cè)量的是流體速度，其會(huì)受到流體速度分布的影響，雖然可以進(jìn)行速度分布校正，但目前仍然不是十分準(zhǔn)確，故測(cè)量時(shí)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(duì)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(jī)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(cè)量帶來一定的困難，從而導(dǎo)致冷卻水流量的測(cè)量費(fèi)用較大。
2、凝汽器熱平衡方法測(cè)量冷卻水流量的原理及方法
在汽輪機(jī)凝汽器中，除汽輪機(jī)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(jī)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(jī)的熱力試驗(yàn)確定。通常，按照實(shí)用精確度的原則，hc-h′c可以認(rèn)為是常量，對(duì)于中間再熱式汽輪機(jī)為2300kJ/kg，非中間再熱式汽輪機(jī)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(jī)*末級(jí)處于超臨界流動(dòng)狀態(tài)，故運(yùn)行中汽輪機(jī)排汽量與汽輪機(jī)*末段回?zé)岢槠麎毫Τ烧龋?/div>
式中，Dc0,為汽輪機(jī)設(shè)計(jì)工況下的汽輪機(jī)排汽量，t/s；pe0為設(shè)計(jì)工況下汽輪機(jī)*末段回?zé)岢槠麎毫Γ琈Pa；pel為運(yùn)行過程中實(shí)測(cè)的汽輪機(jī)*末段回?zé)岢槠麎毫Γ琈Pa。Dc0 、pe0可以根據(jù)汽輪機(jī)制造廠家提供的汽輪機(jī)熱力特性說明書中得到。
3、兩種測(cè)量方法的比較
在對(duì)不同測(cè)量方法進(jìn)行比較時(shí)，不僅應(yīng)該對(duì)其測(cè)量結(jié)果的精確度進(jìn)行比較，還應(yīng)該考慮到測(cè)量方法的經(jīng)濟(jì)性，亦即測(cè)量的投資及費(fèi)用情況，并在此基礎(chǔ)上對(duì)測(cè)量方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。
3.1 兩種測(cè)量方法測(cè)量結(jié)果的比較
評(píng)價(jià)測(cè)量結(jié)果好壞的指標(biāo)是其觀測(cè)數(shù)據(jù)精度的大小，亦即要求觀測(cè)結(jié)果的離散程度應(yīng)該盡可能小。圖1、圖2分別表示對(duì)同樣運(yùn)行工況下同時(shí)采用超聲波流量計(jì)和凝汽器熱平衡方法得到的冷卻水流量測(cè)量值及其相應(yīng)的均值。其中，k為測(cè)量點(diǎn)數(shù)。
衡量觀測(cè)數(shù)據(jù)離散程度大小的指標(biāo)是觀測(cè)值的方差，其可以表示為
通過對(duì)上述工況下兩種測(cè)量方法測(cè)量結(jié)果的整理與計(jì)算，得到采用超聲波流量計(jì)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(jì)得到的冷卻水流量測(cè)量值的精確度較高。二者均值之間的相對(duì)誤差為3.51%。為了進(jìn)一步比較超聲波流量計(jì)與凝汽器熱平衡方法測(cè)量冷卻水流量的精度，對(duì)不同運(yùn)行工況下采用兩種方法得到的冷卻水流量均值及方差進(jìn)行了比較，如表1所示。
由表1可見，超聲波流量計(jì)測(cè)量冷卻水的流量，其測(cè)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(jì)得到的冷卻水流量值的離散程度較小。同時(shí)，由表1還可以發(fā)現(xiàn)，采用凝汽器熱平衡方法測(cè)量冷卻水流量與采用超聲波流量計(jì)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(cè)量方法測(cè)量經(jīng)濟(jì)性的比較
所謂測(cè)量的經(jīng)濟(jì)性，就是指測(cè)量儀表的投資、測(cè)量的方便程度以及實(shí)現(xiàn)測(cè)量所需要的測(cè)量費(fèi)用。
由于凝汽器冷卻水管徑較大，采用超聲波流量計(jì)測(cè)量汽輪機(jī)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(jìn)行測(cè)量。而由于冷卻水管通常埋在地下，測(cè)量時(shí)需要根據(jù)直管段的情況選擇測(cè)量點(diǎn)，并在該處將土層挖開，形成測(cè)量井，測(cè)量時(shí)運(yùn)行人員進(jìn)入井下進(jìn)行測(cè)量，從而造成測(cè)量工作*為不便。同時(shí)，超聲波流量計(jì)的價(jià)格比較高。而且，超聲波流量計(jì)的標(biāo)定與維修，必須到專門的標(biāo)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(jì)的測(cè)量經(jīng)濟(jì)性較差。
而采用凝汽器熱平衡方法測(cè)量凝汽器的冷卻水流量，可以利用汽輪機(jī)的常規(guī)測(cè)點(diǎn)及表計(jì)，根據(jù)運(yùn)行溫度、壓力表記讀數(shù)很方便地通過計(jì)算得到。由于是常規(guī)的測(cè)量儀表，儀表的標(biāo)定與維修在本廠的實(shí)驗(yàn)室中即可以進(jìn)行。當(dāng)然，凝汽器熱平衡方法所需要的測(cè)點(diǎn)為凝汽器冷卻水的入口溫度、出口溫度、汽輪機(jī)*末段回?zé)岢槠麎毫按髿鈮毫Γc采用超聲波流量計(jì)相比，測(cè)點(diǎn)數(shù)略有增加，但從總體上說，采用凝汽器熱平衡方法測(cè)量冷卻水流量的經(jīng)濟(jì)性要比采用超聲波流量計(jì)高。
4、結(jié)論
(1)采用超聲波流量計(jì)測(cè)量凝汽器冷卻水流量時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)的離散度較小，而采用凝汽器熱平衡測(cè)量得到冷卻水流量的離散度較大，因此，超聲波流量計(jì)測(cè)量的精確度較高。
(2)超聲波流量計(jì)測(cè)量凝汽器冷卻水流量需要直管段的長度較大，給測(cè)量帶來了一定的困難。而采用凝汽器熱平衡方法測(cè)量冷卻水流量較容易實(shí)現(xiàn)，而且測(cè)量成本及費(fèi)用較低。
(3)采用凝汽器熱平衡與采用超聲波流量計(jì)測(cè)量的冷卻水流量之間的平均相對(duì)誤差為4.21%，冷卻水流量的測(cè)量應(yīng)該根據(jù)測(cè)量的精確度與經(jīng)濟(jì)性綜合決定采用何種方法。
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