火电机组主蒸汽流量测量方法对比及发展趋势.pdf

1 4 工业仪表与自动化装置 2 0 1 2年第 6期 火 电机 组主蒸汽流量测量方法对 比 及 发展趋 势 张辉 华电新疆发电有限公司苇湖梁电厂 ， 乌鲁木齐 8 3 0 0 1 7 摘要 通过对 目前火电发电机组主蒸汽流量测量方法对比分析 ， 阐述随着机组容量不断扩大和 参数的提高， 大型发电机组在系统设计时， 为了减少压力损失， 主蒸汽流量计通常不设， 而是利用汽 轮机的有关参数间接换算得出主蒸汽流量 也称计算法测量 ， 该方法是大型火电机组主蒸汽流量 测量方法的发展趋势。 关键词 火电机组 ； 主蒸汽流量； 测量； 发展趋势 中图分类号 T K 3 1 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 2 0 6 0 0 1 4 0 4 Co n t r a s t a n d de v e l o p me n t t r e nd o f me a s u r e me n t me t ho d f 0 r ma i n s t e a m flO W o f t h e r ma I po we r u ni t ZHANG Hui H u a d i a n X i a j i a n g P o w e r C o ． L t d ．We i h u l i a n g P o w e r P l a n t ， U r u m q i 8 3 0 0 1 7， C h i n a Ab s t r a c t Wi t h g r o wi n g e x p a ns e o f u n i t c a p a c i t y a n d e n h a n c e me n t o f p a r a me t e r ， fl o w me t e r i s u s u a l l y n o t d e s i g n e d f o r r e d u c i n g p r e s s u r e l o s s d ur i n g s y s t e m d e s i g n for l a r g e g e n e r a t o r s e t b u t ma k i n g u s e o f r e l a t i v e p a r a me t e r o f s t e a m t u r b i n e t o g e t ma i n s t e a m fl o w b y i n d i r e c t c o n v e r s i o n c a l l e d c a l c u l a t i o n m e a s u r e m e n t a s w e l 1 t h r o u g h c o n t r a s t i v e a n a l y s i s o f m e a s u r e me n t m e t h o d fo r c u r r e n t m a i n s t e a m fl o w o f t h e r ma l p o we r u n i t ，wh i c h i s t h e d e v e l o p me n t t r e n d for me a s u r i n g ma i n s t e a m flo w o f t h e r ma l p o we r un i t ． Ke y wo r ds t he r ma l p o we r u n i t ；ma i n s t e a m flo w；me a s ur e me n t ；d e v e l o p me n t t r e n d 0 引言 主蒸汽流量作为火电机组的关键参数之一 ， 其准 确测量对机组的在线性能监测 、 过程控制 、 运行优化 、 经济分析以及开展节能降耗等都有着至关重要的意 义。目前 ， 火电发电机组主蒸汽流量采用的方法按照 测量原理可分 2类 1 有节流元件主蒸汽流量测量技 术 也称差压法测量 ； 2 无节流元件主蒸汽流量测 量技术 也称计算法测量 。下面就这 2种测量方法 的原理 、 特点 、 优缺点和应用范围进行对比介绍。 1 差压法测量 基本原理 充满管道的流体 ， 当它流经管道 内的 节流装置时 ， 流束将在节流装置处形成局部收缩 ， 从 而使流速增加， 静压力降低， 于是在节流装置前后便 收稿 日期 2 0 1 2 0 7 2 4 作者简介 张辉 ， 男 ， 高级工程师 ， 从事火力发电厂检修管理工作 。 产生了压力降 或压差 。流体介质 的流量愈大 。 在 节流装置前后产生的压差也愈大， 所以， 可通过测量 压差来衡量流体的流量的大小。这种测量方法是 以 能量守恒定律和流动连续性定律为基 础的， 压差大 小不仅决定于流量 ， 而且还与其他许多因素有关 ， 如 当节流装置型式或管道内流动介质的物理性质 重 度 、 黏度等 不同时， 在同样 大小流量下产生的压差 也是不同的。目前 ， 中、 小型火电发电机组广泛采用 的有标准孔板 、 标准喷嘴 、 V锥型流量计。 1 ． 1 标准孑 L 板流量计 1 ． 1 ． 1 测 量原 理 当充满管道的流体流经管道内的孔板时， 流线 将在孔板处形成局部收缩 ， 因而流速增加 ， 静压力降 低 ， 于是在孑 L 板前后便产生了压差。流体流量愈大 ， 产生的压差愈大， 这样可依据压差来衡量流量的大 小 。这种计量 方法是 以流动性 方程 质量 守恒定 律 和伯努利方程 能量守恒定律 为基础 j 。在已 知有关参数的条件下 ， 根据流动性原理 和伯努利方 2 0 1 2年第 6期 工业仪表与自动化装置 1 5 程推导 出差压与流量之间的关 系从而求得流量。 1 ． 1 ． 2 优点 1 无需实流校准 ， 即可投用 ； 2 结构易复制， 简单、 牢固， 性能稳定可靠； 3 应用范围广， 包括全部单相流体 液、 气、 蒸 汽 、 部分混流 ； 4 检测件 和差 压显示仪表可分开不 同厂家生 产， 便于专业化规模生产。 1 ． 1 ． 3 缺点 1 测量的重复性、 精确度在流量计 中属于中等水 平 ， 由于众多错综复杂因素的影响， 精确度难于提高； 2 范围度窄， 由于流量系数与雷诺数有关， 一 般范围度仅 3 1～ 4 1 ； 3 有较长 的直 管段 长度要求 ， 一般难 于满足。 尤其对较大管径 ， 问题更加突出 ； 4 压力损失大 ； 5 孔板 以内孔锐角线来 保证精度 ， 因此 ， 对 腐 蚀、 磨损、 结垢、 脏污较敏感， 长期使用精度难以保 证 ， 需每年拆下强检一次 ； 6 采用法兰连接 ， 易产生跑 、 冒、 滴 、 漏问题 ， 大 大增加了维护工作量； 7 导压管堵管 ； 8 正 、 负压侧的阀门或导压管泄漏 ； 9 天气太冷时导压管易冻结 。 1 ． 2标准喷嘴流量计 1 ． 2 ． 1 测量原理 喷嘴的测量原理是依据流体力学的节流原理， 充满管道的流体 ， 当它们流经管道 内的喷嘴时， 流速 将在喷嘴形成局部收缩， 从而使流速加快， 静压力降 低， 于是在喷嘴前后便产生了压力降或叫压差。介 质流动的流量愈大 ， 在 喷嘴前后产生的压差也就愈 大 ， 所以可通过测量压差来测量流体流量的大小 。 由于 喷嘴采用 圆弧形轮廓结构 ， 因而相 比孔板 它的压损较小 ， 所需直管段短 ， 精度高 。 1 ． 2 ． 2 优点 1 结构简单 ， 安装方便 ； 2 喷嘴I； L L 板 的压力损失小 ， 要求直管段长度 也 短 ； 3 无需实流校验 ， 性能稳定 ； 4 可耐高温高压， 耐冲击； 5 耐腐蚀性能I； IL 板好 ， 寿命长 ； 6 精度高， 重复性好， 流出系数稳定； 7 圆弧形结构设计可i贝 0 量各种液体、 气体、 蒸 汽以及各种脏污介质。 1 ． 2 ． 3 缺 点 1 整体锻造加工技术， 造价较高； 2 采用法兰连接时， 易产生跑 、 冒、 滴 、 漏问题 ， 大大增加了维护工作量 ； 3 导压管堵管 ； 4 正、 负压侧 的阀门或导压管泄漏； 5 天气太冷时导压管易冻结。 1 ． 3 V型锥流量计 1 ． 3 ． 1 测量原理 V型锥流量计源 于美 国 Mc C R O ME T E R公司 ， 是一种极具优势 的新型差压式流量仪表。从它诞生 开始， 就以其他常规差压仪表无法相比的诸多优点， 迅速在流量测量领域得到了广泛的应用和好评。V 型锥流量计是一种全新的差压流量计量装置 ， 它 以 独特的边壁逐步收缩节流方式 ， 一改传统节 流装置 的几乎所有 的缺点 ， 是差压流量计革命性成果。其 原理与其他差压式流量计一 洋， 是经典的密封管道 中能量守恒原理和流动连续性原理 ， 并具有 自整流、 自清洗 、 自保护 功能； 直管段要求极短 ， 无 积垢 、 堵 塞， 可保持长期稳定性； 锥体后端高频低幅的小噪声 使测量下限相对很低， 从而使量程比为 1 5 1 ； 其永 久压损只及孔板 的 1 ／ 3 ， 和文丘里 管相似 ， 因此 ， V 型锥流量计可广泛应用于石 油、 化工 、 电力、 供热等 国民经济各领域。 V型锥流量计属高精度 、 高稳定 的新型差压式 流量仪表。和其他差压式仪表一样， 也是基于流动 连续性原理和伯努利方程来计算流体工况流量的。 当流体流过流量计时， 锥体直接和流体高速的中心 与接近管壁的低速流体均匀化， 从而产生正确的差 压， 流体的流量与其流经 V型锥前后所产生的差压 的平方根成线性关系 ， 这是基于封闭管道 中能量相 互转换的伯努利定理 。 V型锥流量计 由 V锥传感器和差压变送器组 成 ， 有分体型安装和一体型安装 2种结构。 1 ． 3 ． 2 优点 1 具有良好 的准确度 ≤0 ． 5 ％ 和重复性 ≤ 0 ． 1 ％ ； 2 具有较宽的量程比 1 0 1 ～1 5 1 ； 3 自整流功能， 只需要极短的直管段 前 1～ 3 D、 后 0～1 D ； 4 自 清洁功能， 可测脏污和易结垢流体， 引压 管不易堵塞 ； 5 自保护功能 ， 节流件关键部位不磨损 ， 能保 持长期稳定地工作； 1 6 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 2年第 6期 6 耐高温、 高压， 耐腐蚀， 不怕震动； 7 可测流体的种类非常广泛 液、 气 、 蒸汽 ， 流 量测量范 围宽 微 小流量 ～大流量 ， 适应 的管 道 DN1 5～DN3 0 00； 8 无可动部件 ； 9 当流体流经具有特殊廓形的内锥体时， 会在 其周边形成边界层并疏导流体离开锥体尾部 的边 缘 ， 从而减少它被磨损 的可能性。 1 ． 3 ． 3 缺点 1 采用法兰连接 时， 易产生跑 、 冒、 滴、 漏 问题 ， 大大增加了维护工作量 ； 2 正 、 负压侧 的阀门或导压管泄漏 ； 3 天气太冷时导压管易冻结。 2 计算法测量 除了上述 的差压法测量蒸汽流量的方法以外 ， 弗 留格尔流量计算公式是 目前应用于主蒸汽流量计 算 中较为普遍 的方法。 2 ． 1 测量原理 2 ． 1 ． 1 测量原理 应用汽轮机理论中著名的弗留格尔流量计算公 式对蒸汽流量进行计算 。弗留格尔公式的测量原理 是 多级汽轮机当机组 内的级数足够多时 ， 在通流面 积 蒸汽流道截面积 不变 的情况下 ， 工况变 化时， 利用级组前后蒸汽压力 与级组蒸 汽流量 的关 系 ， 计 算出汽轮机主蒸汽流量的方法。 级组前后蒸汽压力与级组蒸汽流量的关系 弗 留格尔公式 1 变工况前后级组均未达临界状态 若级组中级数无限大 ， 且 同一 级组 内， 级数不 变 ， 通流面积不变 ， 级组前后压力与流量的关系为 G} p G 。 一 √e 2,。 一 e 22 。 式 1 表明 当变工况前后级组均未达到 临界 状态时 ， 级组的流量 与级组前后压力平方差的平方 根成正 比。式 1 的推导是在级组前 的温度保持不 变的条件下求得的， 若变工况前后级组前温度变化 较大时， 则应考虑温度修正， 即 一／ 盟．压 G o 一 √e 21o 一 尸 ； 0 T 1 式 中 下标 0表示 已知的标 准工况 额定工况 参 数 ， 下标 1 表 示级组前参数 ， 下标 2表示级组后参 数 ； G表示新工况下级组 内的蒸汽流量 t ／ h ； P表 示新工况调节级后压力 MP a ； T表示新工况调节 级后温度 K 。 2 变工况前后级组均为临界状态 若级组中某一级始终处在临界状态， 这种情况 一 般是末级首先到达临界状态 ， 因为末级的设计 比 焓降是各级中最大的， 此时， 级组的流量与级组前的 蒸汽压力成正 比， 即 ． 3 G P T 0 1 o l 2 ． 1 ． 2 弗 留格尔公式 的应用条件 1 多级汽轮机当机组 内的级数足够多 ； 2 级 组中各级 的通流面积不变 ； 3 级组 内各级流量相 同； 4 级组 内各级前温度变化率相同； 5 级组 内 不得串有其他非线性元件。 对于条件 1 大 型的汽轮发 电机组一般都 能 满足 ； 对 中小型的汽轮发 电机组若在一定 的负荷变 化范围内， 级组中的级数不小于 3～ 4级时 ， 亦可得 到比较满意的结果。 对于条件 2 对于喷管调节汽轮机， 其调节级的 通流面积随调节阀的开启数 目变化， 故不能取在一个 级组内； 但变工况前后， 阀门开启数 目相同， 则可将调 节级和压力级取在一个级组内； 若不得已必须将调节 级和压力级取在一个级组内， 则公式需做如下修正 G P P ； ⋯ 一G o √ e 2,o _ e 2o ‘ ／＼ ／ 式中 n为变工况前后调节级通流面积之比， 。 A ／ A 对于条件 3 则情况较为复杂。通常 回热式 机组各级 回热抽汽量在相当范围内与机组的进汽量 近似的成正比， 且其量与进汽总量相 比较小 ， 故应用 式 1 ～ 3 也能获得较高 的准确性 。但 对于再热 机组 ， 由于再热器的存在 ， 以及再热器喷水和对外供 汽等因素， 如果将高压缸 的第一级压力级至低压缸 的末级作为一个级组 ， 这样却将中间再热器等及相 应 的管道均作为汽轮机的压力级 或线性元件 一 并对待 ， 必然会产生许多 问题并 导致 相应 的误差。 因为再热器及冷 、 热再热管道均为阻力元件 ， 其特性 很难与汽轮机的级组相似； 再者 ， 如今大型机组较多 的还是采用喷水减温的方法控制再热器出口汽温， 由 于该流量的注人， 使再热器的压降与蒸汽流量的关系 中出现了不相关且不可控因素 ； 此外 ， 还有厂用汽和 对外供热， 以及加热器、 汽动给水泵、 暖风器的投、 切、 通流部分结垢， 抽汽工况变化等因素都会造成主蒸汽 流量的误差 ， 故条件 3 ～ 5 均不能得到满足 。对 于调整抽汽的汽轮机 供热抽汽汽轮机 ， 只能将两 抽汽之间的各级取为一个级组 ， 即将高压缸全体压力 2 0 1 2年第 6期 工业仪表与自动化装置 l 7 级作为一个级组 ] 。通常， 高压缸只有一级抽汽， 供 高压加热器， 因此， 要考虑高压加热器运行方式。 在高压加热器投入时运行工况时弗留格尔公式 G ／ P 一 P ／ T o ， G 。 一 √P 。 一 P T 在高压加热器切除时运行工况时应对弗留格尔 公式采用修正项的方法 G √ T ㈩ 。 一 √ P 一 P ；。 式中 k 为高压加热器运行状态修正系数， 高加投入 时为零 ， 可通过试验或计算求出。 2 ． 2 弗留格尔公式应用注意事项 1 由于通 流部分 可能 出现结垢 、 腐蚀 问题 ， 为 最大限度的控制测量误差 ， 必须定期进行试验 ， 比较 给水流量与主蒸汽流量示值间的关系， 以确定是否 存在结垢、 腐蚀等程度， 同时还可以检查系统误差， 若有问题 ， 应采用相应的措施并进行误差修正。 2 要根据汽轮机热力过程特性应 用不 同形式 的弗留格尔公式 。 2 ． 3特点 采用弗留格尔公式计算主蒸汽流量相 比差压测 量法测量主蒸汽流量具有 以下特点 1 简单、 直观， 无需专门的测量装置， 只是利用 汽轮机的有关参数间接换算得出主蒸汽流量， 从而 节省投资费用。 2 由于计算流量所用只涉及压力、 温度参数， 故不会产生 因测量而造成 的压力损失。 3 泄漏点大大减少， 降低维护工作量和检修费用。 此外 ， 在汽轮机运行中可利用弗 留格尔公式计 算确定其内部工况以及判断其内部缺陷， 从而判断 运行的经济性和安全性， 具体应用在2 个方面 1 可 以用来推算 出不 同流量下各级级前压力 ， 求得各级的压差、 比焓降， 从而确定相应的功率、 效 率及零件的受力情况。 2 监视汽轮机通流部分是否正常 ， 即在 已知流 量或功率的条件下， 根据运行时各级前压力是否符 合弗留格尔公式， 从而判断通流部分面积是否改变。 3 结束语 采用差压法测量主蒸汽流量虽然有简单 、 直观、 便于操作的优点 ， 但是随着机组容量扩大 ， 标准节流 元件体积也相应增大， 使制造安装要求高， 检修检查 困难。同时， 标准节流元件造成的压力损失会使机组 热耗增加。因此， 目 前的大型发电机组在系统设计时， 主蒸汽流量计通常不设， 而是利用计算法测量， 此方法 是大型火电机组主蒸汽流量测量方法的发展趋势。 参考文献 [ 1 ] 岳桂杰， 保承军． 孔板流量计的使用与维护[ J ] ． 自动 化与仪器仪表， 2 0 1 1 0 4 8 8 9 3 ． [ 2 ] 许晴雪． V型锥流量计的原理及应用[ J ] ， 自动化与仪 器仪表， 2 0 0 8 0 5 5 55 7 ． [ 3 ] 江军， 周建新， 司风琪， 等． 汽轮机主蒸汽流量在线计 算方法及应用[ J ] ． 热力发电， 2 0 1 0 1 0 4 2 4 5 ． [ 4 ] 冯伟忠． 大机组主蒸汽流量测量刍议[ J ] ． 华东电力， 2 0 0 0 1 2 1 41 7． 十八大会议 改变 了仪表行业的发展 十八大会议重点对仪表行业作 出了提议 ， 同时也提高了 自动化控制系统的要求 ， 7 了 求大力发展装备 自动 化， 提升装备制造业的整体水平。随着经济的发展和社会的进步， 用户对仪器仪表需求模式也发生了很大变 化。以环保行业为例， 正以人工采样和实验分析 向自动化 、 智能化、 网络化监测方向发展。仪器仪表是提升装 备制造水平的关键， 国内仪表企业要紧紧围绕汽车装备、 新能源装备、 节能环保装备等方向发展装备自 动化。 仪器仪表行业高技术、 高投入、 高产出、 低能耗、 低污染的特点将在低碳经济和新兴产业的发展下带动仪 器仪表需求的上升。国内仪器仪表行业一直以来都是应用在传统的服务市场， 如冶金、 火电等行业。随着市 场需求的改变 ， 越来越多的新型产业开始兴起 ， 物联 网、 智能 电网等新技术发展快速 。食品、 药品安全领域备 受人们关注。国家对能源的综合利用 、 环境保护提出了更加严格的要求 ， 同时也为我国仪器仪表行业提供 了 广阔的市场发展空间和新的发展方向。 “ 十二五” 期间我国自 动化仪表行业市场需求将持续稳定增长， 年复合增长率为2 0 ％左右， “ 十二五” 末 期， 市场容量或将超过 3 5 0 0 亿元。据发布的4 2 0 1 2年 自 动化仪表及系统产品投资价值分析报告 显示， 随 着经济和技术的发展 ， 对 自动化控制和检测技术的关注越来越高 ， 出现了大量 自动化控制和检测 的新技术和 新产品， 如功能安全仪表系统 ， 无线仪表等技术和产品。 信息来源 中国仪器仪表网