超聲波流量計在發電機組內冷卻系統管路流量測量中的應用分析

超聲波流量測量技術因為其獨特的優勢，即無需測量介質直接接觸，無需破管；測量過程與流體的壓力、溫度、流速無關，無機械損傷，無壓力損失，在工業生產流量測量中牢牢占據了一席，并且隨著研發技術的不斷提高，其測量的適應性和準確度也逐年提高，目前已成為市場上熱門的流量計選型之一。本文針對于發電機組內冷去除供水系統的流量監測對超聲波流量計的使用作出介紹。發電機在工作過程中會產生大量的熱量，目前一般都是采用內置循環水路冷卻系統進行冷卻，因為發電機組工作時產生的熱量很大，所以發電機定子線圈水路堵塞而引起發電設備損壞的重大事故屢有發生，經濟損失巨大。為保證發電設備的安全、經濟、穩定運行，國家電網公司印發的（2000）589號文，《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》中強調了發電機檢修中，必須進行各定子線棒的水流量測試。

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以前，為了確定冷卻系統的水量是否保持系統設置的正確的范圍之，需要通過在機組大修過程中，人工拆開發電機的絕緣引水管與匯水管的接管頭，用量杯測量單位時間內的水的流量。但是這種測量方法的劣勢也是顯而易見的，因為需要我們拆開發電機端部幾十根絕緣引水管，耗時耗力不說，還會嚴重地影響檢修工期。并且由于對原先良好的手包絕緣重新拆開再包裹，如此反復，損壞密封和絕緣的事情也時有發生，造成新的事故隱患。
 
在采用超聲波流量計之后，所有的問題迎刃而解，這個都得益于超聲波流量測量具有的得天獨厚的優點，因為無需拆開被測的絕緣引水管，無機械損傷，無壓力損失，管外測量時不接觸被測流體；可以在發電機大修時測量與正常運行時相同條件下各個絕緣引水管的水流量，較真實地反映水管的實際流量。

　　一、超聲波流量計測量原理
　　1.1時差法原理
　　時差法測量流體流量的原理如圖1所示。它利用聲波在流體中傳播時因流體流動方向不同而傳播速度不同的特點，測量它的頁流傳播時間t1和逆流傳播時間t2的差值，從而計算流體流動的速度和流量。
　　

         設靜止流體中聲速為c，流體流動速度為ν，把一組換能器A1、A2安裝在管子的兩側，兩換能器軸向距離為d，其連線與管渠軸線安裝成角，換能器的距離為L。
　　從A1到A2順流發射時，聲波的傳播時間t1為：
　　1.2超聲波的分辨及檢測技術原理
　　超聲波在液體中傳播，受管道材質、壁厚、管徑及流體的影響，當從管道一側傳播到另一側時，信號不可避免的衰減，發生形變。同時現場的電噪聲、電磁干擾等干擾信號與超聲波信號一起被超聲波流量計的換能器所接收，這樣，準確的分辨和檢測超聲波信號便成為超聲波流量計的關鍵技術。一般超聲波流量計采用跟蹤聲波大峰值來檢測聲波信號并進行流量測量。在超聲波流量計初始化時，超聲波流量計根據從換能器接受到的信號給出流體中聲速的參考值，如果這個參考值與聲波在該流體當前溫度下傳播速度接近（如對20℃下純凈水中聲速大約為1480m/s，50℃下純凈水中聲速大約為1530m/s），表示此換能器接受的是正確的、所需的超聲波信號;如果參考值與實際聲速相差較遠，說明此時換能器接受的可能是干擾信號，需要人工的輸入實際聲速，重新初始化，使換能器在2L/c時間間隔附近搜索超聲波信號。實際證明，當超聲波給出的參考聲速與實際聲速接近時，測量數據很快能達到穩定點，精度較高。

　　二、發電機定子內冷水流量測量的技術特點
以上海汽輪發電機廠生產的QFSS-330-2型雙水內冷機組為例，其定子線圈端部絕緣引水管結構如圖2所示。


 
　從圖2中可以看出，此發電機共有48根定子線圈絕緣引水管和12根發電機定子引線絕緣引水管。這48根定子線圈絕緣引水管分別與對應的上層線棒和下層線棒聯接，其編號跟所聯接的上層線棒的槽號一致;12根發電機定子引線絕緣引水管編號以所聯接的定子引線的相別一致。
　　從圖2中可以看出，在一周直徑2m左右的空間分布了60根絕緣引水管，管與管之間間隔較小，水管直管部分大都比較短，尤其是12根定子引線的絕緣引水管，幾乎完全是彎曲狀態，這些都給超聲波流量測量帶來一些困難。

　　三、換能器的安裝方式及安裝間距
　　換能器的安裝分為Z型安裝、V型安裝、W法安裝，如圖3所示。

 
　　其中Z型安裝，即直射式，主要特點是聲波傳播時間短，效果好，主要適用于流體沿管軸平行流動的情形;V型安裝，即反射式，主要適用于流體方向與管軸不平行，存在著沿半徑方向流動的速度分量時的情形。用V型法安裝換能器可以將此分量相互抵消。
　　對于發電機絕緣引水管，直管部分比較短，盡管液體可能存在徑向方向的流動，但如果用反射式法信號捕捉困難，帶來更大誤差，甚至捕捉不到信號。發電機定子內冷水流量檢測主要是檢測水路是否堵塞，著重于相互比較，因此宜采用直射式測量。
　　管徑及測量方式確定后，流量計會計算出2個換能器佳間距、小間距相大間距，在佳間距中，換能器能夠更準確的接受到超聲波信號。根據佳間距，調整換能器專用支架，安裝完后，在換能器上涂上藕合劑，夾在絕緣引水管水平兩側，就可以進行流量計初始化并開始測量了，測量要等數據穩定時再讀數。進行下一個絕緣引水管測量時，由于測量條件一致，不必重新初始化，但要觀察流量計給出的參考聲速是否在對應溫度下參考值附近，若相差太大就需要重新初始化。

　　四、實例分析
　　4.1超聲波流量計的技術指標
　　本文選用的是10l0WDPTR-TlGZ型便攜式時差式超聲波流量計，它主要技術指標如下：測量精度為1.0級;流體靈敏度為0.015m/s;流速范圍為±12m/s;零點漂移《0.015m/s;線性度為0.00lm/s。
　　4.2測量結果及分析
　
　淮安常熟發電有限公司4號發電機為上海汽輪發電機廠生產的QFSS-330-2型雙水內冷機組，大修期間，對其進行了超聲波流量檢測，測量數據如表1、2所示。同時在分散控制系統（DCS）屏上監測到總進水管流量：60t/h=l000L/min。
　　從表1、2中數據可看出，實際測量申定子勵側60根絕緣引水管總流量為： 
910.6+136.2=1046.8L/min，此時從DCS監測到總進水量為：1000L/min，總誤差為4.68%，對于如此多的彎管流量測量和復雜的現場條件，此誤差是在接受范圍內的。通過同類型水管橫向比較，發現定子線圈絕緣引水管平均流量為18.97L/min，小流量為17.7L/min，相對誤差為-6.7%，大流量為20.5L/min郴對誤差為8.06%;定子線圈引線絕緣引水管平均流量為11.35L/min，小流量10.2L/mmn，相對誤差-10.13%，大流量12.3L/min，相對誤差8.37%。從測量結果看，此發電機水管正常，末發現堵塞現象。
　　目前機組已檢修完并投人運行，運行中各線圈、定子出水等溫度測點的溫度一切正常。

　　五、結束語
　　采用超聲波流量計測量發電機定子內冷水流量，無需破壞線圈的絕緣和出廠機械結構，無需斷開線圈與絕緣引水管的軟聯接頭，較真實的再現發電機正常運行時額定水壓下流量，檢測結果真實可靠。超聲波測量技術能夠為發電機大修縮短工期，為發電企業創造了巨大的經濟效益，同時減少了解開手包絕緣帶來的隱患。使用超聲波流量計在發電機內冷水測量需注意以下幾點。
　　（1）要消除被測絕緣引水管中的氣泡，氣泡將減弱超聲波的傳導，并增大信號的衰減，信號減弱，換能器不能接受正確的超聲波信號，使得測量不準或測量失敗。所以在超聲波流量測量之前，定子內冷水必須在額定壓力運行24h，并進行相關排氣操作，同時測量盡量保持水平方向，減小氣泡的影響。
　　（2）測量絕緣引水管流量時應盡可能在直管部分測量，只能彎管部分測量時應將換能器置于彎曲部分平面的兩側，也就是盡量使換能器與管壁充分接觸。
　　（3）管道參數設置正確，測量前檢查換能器間距與管徑是否配合。
　　（4）夾裝式換能器與管壁之間保持有足夠的藕合劑。

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