超聲波流量計在汽輪發電機冷卻系統中的應用

程春霖，張文彬

（重慶市計量質量檢測研究院，重慶 401100）

0 引言

隨著現代工業技術的不斷發展，流量計對于汽輪發電機冷卻系統的安全和質量保證具有不可替代的作用。超聲波流量計是非接觸式設備，其傳感器不與被測介質直接接觸，具有安裝方便、測量精度高、不影響設備正常運轉等特點[1]。因此，超聲波流量計在現代工業的各種計量測試中得到廣泛應用。

由于超聲波流量計主要用于實驗室計量檢測，在現場進行檢測時，缺乏對實際情況的了解，特別是在發電廠復雜環境下，現場會出現很多問題，影響其計量準確性甚至沒有信號[2]。

1 超聲波流量計原理

本文現場使用德國弗萊克森公司生產的手持式超聲波液體流量計F601 作為計量檢測儀器，該設備配有分別測量大管徑和小管徑管道的兩種傳感器，測量管徑范圍為DN6 ～DN6500。經重慶市計量質量研究院檢定，符合現場使用要求。

圖1 傳感器信號示意圖Fig.1 Schematic diagram of sensor signal

F601 流量計為時間差法超聲波流量計，如圖1 所示超聲波信號由安裝在管路一側的第一個傳感器發出，經過對面側的反射，由第二個傳感器接收。這些信號是選擇順流或者逆流的方向發出的[3,4]。

因為信號是在流動的介質中傳播，聲信號的傳播在順流動方向的傳播時間將短于逆流動方向上的傳輸時間。傳輸時間差?t 是可以測量到的，從而可以確定超聲波信號傳播路徑上的平均流速。根據管路的橫截面對所獲得的平均流速進行修正，就能得到與管路中體積流速成正比的數據[5-7]。

2 測試中應注意的問題

2.1 測試現場環境問題

圖2 為汽輪發電機冷卻系統流量測試現場，總共有42根冷卻管需要測試流量，在理想情況下，每根冷卻管的流量大小一致，如果流量數值有較大差異，水冷管有可能存在堵塞情況[8]。在開始測量前應讓工作人員加大冷卻系統的水壓，保證每個冷卻管的流量達到滿載。

在現場若存在高壓電纜，其產生的強磁場會干擾傳感器發收的信號，造成傳感器無法正常運行工作，為避免類似情況，需要遠離磁場發生體的位置。

2.2 傳感器的安裝位置問題

流量測試成功的關鍵在于聲波在無衰減的情況下，通過流體介質到達接收傳感器的信號強度。F601 流量計是通過測量聲波傳播路徑上流體的線平均速度來反應流量的，所以應盡可能地保證傳感器前的流體沿管軸做平行流動，并遠離流動紊亂的地方，傳感器安裝的地方必須要有一段直管道。

2.3 傳感器安裝方式的選擇

超聲波傳感器的正確安裝對測量結果的準確度十分重要[12]。其步驟如下：

1）首先觀察安裝位置，應滿足儀器推薦的安裝間距。

2）清潔冷卻管道表面。

圖2 現場測試圖Fig.2 Field test diagram

圖3 傳感器聲程的選擇Fig.3 Selection of sensor sound path

3）給傳感器接觸面均勻涂上耦合劑。

4）傳感器聲程的選擇，如圖3 所示，A 為探頭間距，當為偶數聲程時，傳感器必須同側安裝；當為奇數聲程，傳感器必須對側安裝。倘若流體對聲波信號有很大的衰減，不易獲得穩定的信號，聲程宜設置為2，才能獲得較強的檢測信號，確保測量數據的穩定性。

圖4 傳感器安裝方向Fig.4 Sensor installation direction

5）傳感器的安裝需使其頂上的印記擺成一個箭頭的圖案，如圖4 所示。

安裝完畢后，如果有必要可以稍微移動傳感器以獲得最大的信號強度，但移動后，需在下一步將移動后的準備的探頭間距輸入儀器。

2.4 輸入參數不準造成的測量偏差

2.4.1 管道壁厚以及直徑

輸入管道壁厚和直徑參數會直接影響流量測量結果的準確度[9]。由于冷卻管的實際工作環境會和設計參數有一定的出入，管道壁厚會由于腐蝕等原因也會發生一定的變化。所以，測試現場常使用超聲波厚度儀得到管道壁厚，卷尺測量管道周長并計算出直徑。

2.4.2 管道材質以及內襯

輸入管道的材質和內襯是否正確會直接導致傳感器安裝間距計算錯誤，導致測量精度變低甚至測量失敗[10]。在現場的實際應用中，管道的材質和內襯對測量的影響直接反映在超聲波在不同介質中傳播速度的差異上，若材質聲速大于實際聲速，測量結果則會偏大；若材質聲速小于實際聲速，測量結果則會偏小。

2.4.3 流體溫度

流體溫度會影響聲速的變化[11]，間接影響傳感器之間的間距，影響測量精度。汽輪發電機冷卻系統中的流體一般為50℃左右的蒸餾水，測試現場常用手持紅外測溫儀得到流體溫度參數。

3 測量結果的處理

在現場的流量測量中，需要得到每個冷卻管的瞬時流量大小，但即使在信號穩定的情況下，瞬時流量數據也會存在較小波動，所以每個冷卻管每間隔5s 取一次瞬時流量數據，取10 次數據，最后取其平均值。部分冷卻管測量結果見表1。

表1 部分冷卻管測量結果Table 1 Measurement results of some cooling pipes

4 結束語

綜上所述，使用超聲波流量計對發電廠汽輪發電機水冷管開展現場測量時，需要工作人員具備較高的技術，掌握超聲波流量計工作原理，并結合自身經驗，正確選擇安裝位置和安裝方式，以及輸入正確的參數，以便準確地獲得測量結果，對于其他應用場合更是如此。