凝汽器冷却水流量测量方法分析及其比较

摘要：通过汽轮机凝汽器冷却水流量的测量，分析了采用超声波流量计与凝汽器热平衡方法测量冷却水流量的精确度及均值。指出采用超声波流量计测量冷却水流量的方差值比较小，但超声波流量计的投资及测量费用较大。从测量的精确度及测量经济性两方面对两种测量方法进行了讨论，提出凝汽器冷却水流量的测量应该结合测量精确度及经济性二者综合决定应该采用何种测量方法。

凝汽器冷却水流量的测量，是测定冷却水泵性能以及实现冷却水泵优化调度的重要环节。尤其是近几年来，随着社会上水资源保护意识的提高，水资源管理部门对冷却水开始收取费用，冷却水流量的测量更受到了运行部门的普遍重视。

由于火电机组单机容量的逐渐增大，火电厂的耗水量也逐渐增大，使得冷却水泵的容量以及输送管路的直径也相应增加。例如，对于国产300MW汽轮机，额定工况下冷却水流量为37512t/h，冷却水管直径通常在1.5～2.2m范围内。如此高的流量以及冷却水管直径为安装孔板等流量测量装置带来了一定的困难，从而为冷却水流量的测量带来了一定的困难。

目前，在测定凝汽器的冷却水时，通常采用超声波流量计或者根据凝汽器的热平衡推算冷却水流量，这两种方法各有特点。为此，本文对两种测量方法进行了分析，并对测量结果进行了对比，为冷却水流量测量方法的选择，奠定了一定的基础。

1、超声波流量计测量方法及要求

超声波流量计测量冷却水流量，流体内可以不必插入任何元件，对流体的流场不会产生任何影响，不会产生压力损失。由于超声波能穿透金属，超声波换能器只须装在金属管道外面，而不必对管道进行特殊加工。适用于测量任何流体，特别是具有高粘度、强腐蚀性、非导电等流体的测量。对于大直径管道的测量，不会因为直径的加大而增加测量的投资。同时，量程范围比较宽，可以达到5：1，准确度等级是±2%，输出与流量之间一般是线性的。由于超声波流量计具有上述优点，目前已经在流体流量测量中取得了广泛的应用。

但是，超声波流量计的结构较复杂，成本较高。而且，当液体中含有气泡或噪声时，会影响声波的传播。另外，超声波流量计实际上测量的是流体速度，其会受到流体速度分布的影响，虽然可以进行速度分布校正，但目前仍然不是十分准确，故测量时要求变送器前后分别有10和5倍管径的直管段长度，以便保证流体流场的均匀性。亦即对于直径为1.5m的冷却水管道来说，要求变送器前后直管段长度分别为15m和7.5m。显然，汽轮机厂房内冷却水管道的直管段无法满足这样的要求。而厂房外的冷却水管路又通常埋在地下，为测量带来一定的困难，从而导致冷却水流量的测量费用较大。

2、凝汽器热平衡方法测量冷却水流量的原理及方法

在汽轮机凝汽器中，除汽轮机排汽外，还有低压加热器的疏水在凝汽器中放热。放出的热量被冷却水吸收。由于疏水量较小，而且其在凝汽器中放热量也较少，故忽略各种疏水在凝汽器中的放热量。则由凝汽器的热平衡，蒸汽凝结所放出的热量等于冷却水吸收的热量，即

Dc(hc-h′c) =DwcpΔt   (1)

则，冷却水流量可以表示为

其中，Dw为冷却水流量，t/s；Dc为汽轮机的排汽量，t/s；hc-h′c为1kg排汽在凝汽器中的放热量，kJ/kg，其数值大小可由汽轮机的热力试验确定。通常，按照实用精确度的原则，hc-h′c可以认为是常量，对于中间再热式汽轮机为2300kJ/kg，非中间再热式汽轮机为2200kJ/kg；cp为冷却水的比热，kJ/kg·℃；Δt为冷却水在凝汽器中的温升，℃，其数值可以冷却水入口及出口的温度表记直接得到。

由于凝汽式汽轮机最末级处于超临界流动状态，故运行中汽轮机排汽量与汽轮机最末段回热抽汽压力成正比，即

式中，Dc0,为汽轮机设计工况下的汽轮机排汽量，t/s；pe0为设计工况下汽轮机最末段回热抽汽压力，MPa；pel为运行过程中实测的汽轮机最末段回热抽汽压力，MPa。Dc0 、pe0可以根据汽轮机制造厂家提供的汽轮机热力特性说明书中得到。

3、两种测量方法的比较

在对不同测量方法进行比较时，不仅应该对其测量结果的精确度进行比较，还应该考虑到测量方法的经济性，亦即测量的投资及费用情况，并在此基础上对测量方法进行综合评价。

3.1 两种测量方法测量结果的比较

评价测量结果好坏的指标是其观测数据精度的大小，亦即要求观测结果的离散程度应该尽可能小。图1、图2分别表示对同样运行工况下同时采用超声波流量计和凝汽器热平衡方法得到的冷却水流量测量值及其相应的均值。其中，k为测量点数。

衡量观测数据离散程度大小的指标是观测值的方差，其可以表示为

通过对上述工况下两种测量方法测量结果的整理与计算，得到采用超声波流量计得到的均值及方差分别为x1=9.894,S21=0.085；而采用凝汽器热平衡方法得到的均值及方差分别为x2=9.547，S22=0.401。显然，采用超声波流量计得到的冷却水流量测量值的精确度较高。二者均值之间的相对误差为3.51%。为了进一步比较超声波流量计与凝汽器热平衡方法测量冷却水流量的精度，对不同运行工况下采用两种方法得到的冷却水流量均值及方差进行了比较，如表1所示。

由表1可见，超声波流量计测量冷却水的流量，其测量方差比采用凝汽器热平衡得到的冷却水流量方差小，从而说明采用超声波流量计得到的冷却水流量值的离散程度较小。同时，由表1还可以发现，采用凝汽器热平衡方法测量冷却水流量与采用超声波流量计相比，其均值间的最小误差为0.47%，最大误差为8.80%，其误差平均值为4.21%。3.2 两种测量方法测量经济性的比较

所谓测量的经济性，就是指测量仪表的投资、测量的方便程度以及实现测量所需要的测量费用。

由于凝汽器冷却水管径较大，采用超声波流量计测量汽轮机凝汽器的冷却水流量，要求变送器前后的直管段较长，通常只能在厂房外进行测量。而由于冷却水管通常埋在地下，测量时需要根据直管段的情况选择测量点，并在该处将土层挖开，形成测量井，测量时运行人员进入井下进行测量，从而造成测量工作极为不便。同时，超声波流量计的价格比较高。而且，超声波流量计的标定与维修，必须到专门的标定及维修部门才能得到解决。这就决定了采用超声波流量计的测量经济性较差。

而采用凝汽器热平衡方法测量凝汽器的冷却水流量，可以利用汽轮机的常规测点及表计，根据运行温度、压力表记读数很方便地通过计算得到。由于是常规的测量仪表，仪表的标定与维修在本厂的实验室中即可以进行。当然，凝汽器热平衡方法所需要的测点为凝汽器冷却水的入口温度、出口温度、汽轮机最末段回热抽汽压力及大气压力，与采用超声波流量计相比，测点数略有增加，但从总体上说，采用凝汽器热平衡方法测量冷却水流量的经济性要比采用超声波流量计高。

4、结论

(1)采用超声波流量计测量凝汽器冷却水流量时，测量数据的离散度较小，而采用凝汽器热平衡测量得到冷却水流量的离散度较大，因此，超声波流量计测量的精确度较高。

(2)超声波流量计测量凝汽器冷却水流量需要直管段的长度较大，给测量带来了一定的困难。而采用凝汽器热平衡方法测量冷却水流量较容易实现，而且测量成本及费用较低。

(3)采用凝汽器热平衡与采用超声波流量计测量的冷却水流量之间的平均相对误差为4.21%，冷却水流量的测量应该根据测量的精确度与经济性综合决定采用何种方法。