超聲波流量計及其在火力發(fā)電廠(chǎng)中的應用

    1 引言

    超聲波流量計具有不擾亂流場(chǎng)、無(wú)可動(dòng)部件、無(wú)壓力損失、測量精度高、性能穩定可靠、測量范圍寬等特點(diǎn)，并且攜帶方便，安裝簡(jiǎn)單，不影響管路系統及設備的正常運行，因此廣泛地應用于液體和氣體的計量。

    大型汽輪發(fā)電機組循環(huán)冷卻水的正常流通，是保證汽輪發(fā)電機組安全、經(jīng)濟運行的前提條件。循環(huán)水系統管道直徑大，水流速度較低（約2m/s），采用傳統的孔板流量計進(jìn)行流量測量尚有諸多問(wèn)題，而且測量準確性較低，增加了循環(huán)水泵的電耗。如今，許多大型火電廠(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始采用超聲波流量計進(jìn)行凝汽器循環(huán)冷卻水的測量，本文擬對目前應用較多的時(shí)差法超聲波流量計進(jìn)行分析及對其在火電廠(chǎng)中的應用進(jìn)行初步探討。

    2 超聲波流量計的工作原理

    對角傳播時(shí)差法測量流體流量的原理如圖1所示。超聲波傳感器A、B成對地安裝在管道的兩側，交替地發(fā)射和接受超聲波信號。若傳感器B沿順流方向發(fā)射超聲波，超聲信號從B順流傳播到A所需時(shí)間設為t₁；再從傳感器A沿逆流方向發(fā)射超聲波，超聲波傳播到B所需時(shí)間設為t₂，則有：

      （1）

因此有：  （2）

式中：L—聲波傳播路徑的長(cháng)度；
　　c—聲波在靜止液體中的傳播速度；
    μ—流體沿管道軸向的速度；
    μ_p—流體在聲道方向的速度分量；
    θ—聲波傳播方向與管軸線(xiàn)之間的夾角。

圖1 對角傳播時(shí)差法流量計

    由公式（2）可知，只要測出t₁、t₂就可計算出μ，然后計算出管道截面上的平均流速，從而求得流體的瞬時(shí)流量和累積流量。由公式（2）還可以看出超聲波正反向傳送的時(shí)間t₁、t₂的測量精度直接影響著(zhù)流速μ的測量精度和測量范圍。

    3 時(shí)差法超聲波流量計的特點(diǎn)

    （1）超聲波流量計的流量測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、密度、電導率等參數的影響，可制成非接觸及便攜式測量?jì)x表。

    （2）超聲波流量計可適應多種管徑測量和多種流量范圍測量，同其它原理的流量計相比，超聲波流量計一般量程比可達300：1，不產(chǎn)生壓損，全線(xiàn)性測量范圍以及低維護量的特點(diǎn)。

    （3）超聲波流量計由內置電池操作，適合在無(wú)外接電源條件的場(chǎng)合使用。

    （4）超聲波流量計對管道材質(zhì)要求較低，管道材料可以是金屬、塑料、玻璃等材質(zhì)制成的。

    4 注意事項

    1）參數的準確測量

    根據超聲波的測量原理可以看出，管道的外徑和壁厚的測量值都與流速有關(guān)，所以測量時(shí)應保證外徑和壁厚準確。測量外徑應選擇游標卡尺，測量壁厚時(shí)應多選擇幾個(gè)測量點(diǎn)，然后取其平均值作為壁厚參數輸入。

    2）探頭的正確安裝

    （1）探頭的安裝位置應滿(mǎn)足直管段的要求，前10D，后5D。

    （2）確定探頭正確的安裝方式。超聲波流量計應用最多的二種探頭安裝方式，即z法和V法。z法一般用于大口徑的管道測量，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是信號損失小，缺點(diǎn)是聲程短不適用于小口徑管道測量；V法一般適用于小口徑管道測量，優(yōu)點(diǎn)是聲程較長(cháng)，可得較佳時(shí)間分辨能力。在水平管道上傳感器最好裝在管道截面積“9點(diǎn)或3點(diǎn)鐘”的位置，這樣可避免其他安裝方式位置時(shí)氣泡集于頂部、顆粒沉于底部流動(dòng)給測量帶來(lái)的影響。

    （3）探頭安裝處管線(xiàn)表面應光滑，并涂有適量的超聲波專(zhuān)用耦合劑，保證探頭和管壁之間沒(méi)有縫隙。耦合劑太少或太稀都會(huì )造成測量的數據不準確。

    （4）探頭應捆綁牢固使其與管道外壁緊緊接觸并保證其不會(huì )移動(dòng)，否則會(huì )造成聲波的衰減導致數據的不準確。

    3）定期去除測量管段內壁的結垢。

    由于污水計量中管道內壁長(cháng)時(shí)間形成的污垢很容易影響超聲波測量的準確性，所以對于安裝了不銹鋼測量管段的用戶(hù)，可以定期拆卸不銹鋼測量管段進(jìn)行清洗，這樣可以保證用超聲波流量計測量管道流量時(shí)的準確，最大限度地降低由于管道內壁結垢等原因所帶來(lái)的影響。

    4）超聲波流量計常見(jiàn)的故障原因及排除故障的方法如表1所示。

    5　應用實(shí)例

    工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行流量測量時(shí)，在正確掌握超聲流量計測量原理及使用方法的基礎上，只要根據現場(chǎng)條件，正確選擇安裝地點(diǎn)和安裝方式，精心調整，就能準確、快速地得到測量結果。如某電廠(chǎng)在對一循環(huán)水母管水量進(jìn)行測量時(shí)，原測點(diǎn)選在循環(huán)泵房?jì)鹊难�環(huán)水母管上，依據管道規格（1800mm×8mm鋼管），儀器推薦探頭使用Z安裝方式。儀器安裝后，不能通過(guò)自檢，反復調整探頭安裝方式和探頭間隔，仍不成功�？紤]到循環(huán)泵房?jì)�，探頭安裝位置距大功率電機較近，電磁強度較大，可能對測量產(chǎn)生影響，將測量點(diǎn)移到室外的較長(cháng)平直管段上。由于直管段長(cháng)，水流比較穩定，探頭選用了V安裝方式，探頭間隔為A11，儀器自檢一次通過(guò)，信號強度達到50.16％，流量測量順利，其數據如表2所示。

    6 結論

    火力發(fā)電廠(chǎng)循環(huán)冷卻水流量的測量，是電廠(chǎng)節能降耗工作中的一大難題。時(shí)差法超聲波流量計具有慣性小、頻帶寬、測量范圍廣等特點(diǎn)，而且對介質(zhì)無(wú)特殊要求，可較好地解決這一問(wèn)題。超聲流量計屬非接觸測量，不破壞初始的流動(dòng)狀態(tài)，不引入誤差，無(wú)壓損，是現代科學(xué)技術(shù)在工業(yè)中的具體運用。與常規儀表相比，它的智能化更高，應用的技術(shù)更先進(jìn)，給用戶(hù)帶來(lái)了更大的方便。實(shí)際應用表明，選用時(shí)差式超聲波流量計，對相應流體的測量都可以得到滿(mǎn)意的結果。