巨型水電站流量計應用研究

周立成，翟玉杰，艾遠高，夏國強

（三峽水力發電廠，湖北省宜昌市 443000）

0 引言

在生產和科學研究試驗中，流量是一個很重要的參數，流量檢測的專用儀表是安全生產、節能降耗、提高經濟效益和管理水平的重要工具。管道測流技術當前發展成熟，管道流量計測量原理多種，可滿足不同生產工況需求[1]。

當前巨型水電站各類流量計種類繁多，流量計累計有1900多臺，就流量計的測量原理分有電磁式、差壓式、熱導式、超聲波多種，就測量的介質主要有油、水兩種。其中油流量主要是測量水輪發電機機組上導、推導、水導軸承汽輪機油管道流量及機組高壓油頂起系統的油流量，水流量主要是測量機組各部軸承和主變壓器的冷卻水（江水）、主軸密封水（清潔水）、發電機純水（不導電介質）流量等。

因流量計隨不同主機廠家機組配套，規格型號不同，差異化較大，所以有著流量計的功能不明確、配置存在不合理、安裝不符合產品安裝要求的諸多問題，導致流量檢測的準確性有偏差，無法滿足機組流量檢測的要求。如測量機組冷卻水的電磁式流量計管路的直管段較短，導致管路無法滿管測量；測量機組水導外循環油的超聲波流量計安裝于油過濾器的后端，因油經過濾器后產生氣泡，導致超聲波流量計長時間無法檢測到流量；測量機組推導軸承冷卻水采用熱導式流量計，因流量計的探頭長期浸泡于江水中而結垢，導致流量計測量值遠小于實際值[2]。

本文對主要流量計的測量原理進行深入分析，總結明確出各類流量計的功能選型、正確的安裝方式等，打造出適用于巨型水電站的優化流量應用方案。

1 流量計測量原理探究

1.1 電磁流量計

電磁流量計的測量原理是基于法拉第電磁感應定律，當被測導電流體在磁場中沿垂直磁力線方向流動而切割磁力線時，在對稱安裝在流通管道兩側的電極上將產生感應電勢，此電勢與流體的流速成正比（見圖1）。通過如下公式計算出流量：

圖1 電磁流量計檢測原理Figure 1 Detection principle of electromagnetic flowmeter

式中：E——感應電勢；

K——與磁場分布及軸向相關的系數；

B——磁感應強度；

V——導電液體平均流速；

D——電極間距（流量計導管內徑）[3]。

電磁流量計壓力損失小、流量測量范圍大，反應迅速。應用的局限性是只能測量導電介質的液體流量，在水電站可測量機組各部軸承和主變壓器的冷卻水（江水）和主軸密封水（清潔水），因水電站各部軸承冷卻水都具有正反向供水功能，可選用具備正反向測量功能的電磁流量計，并且因江水雜質較多，易造成流量計的檢測電極結垢污染，將對測量造成較大影響，可選用電極可清洗的流量計。

1.2 熱導式流量計

熱導式流量計采用熱交換原理，流量計探頭配置了發熱模塊和感熱模塊，根據示流器的熱量傳導與被測流體流速的比例關系，檢測出流體的流速（見圖2）[4]。

圖2 熱導式流量計檢測原理Figure 2 Detection principle of thermal conductivity flowmeter

熱導式流量計一般為插入式安裝，適用于多種流量計質，使用范圍較寬，量程比大于10：1。應用的局限性是測量的精度較難以保證，因測量的熱導部分被結垢污染后對測量的精度影響加大，在水電站可測量機組各部軸承的油流量，作管路油流動的基本示流開關用，因測量精度難以達到要求，不建議采用為如循環油泵邏輯控制的油流條件，也不適用于測量機組高壓油系統的高速油流[5]。

1.3 超聲波流量計

超聲波流量計的測量方法可分為：時差法、多譜勒效應法、波束偏移法、相關法、噪聲法。當前用得最多的是時差法和多譜勒效應法[6]。

時差檢測法原理為超聲波脈沖在上下游的兩側傳感器間來回傳播，當有流體流動時，由于向下游方向的信號傳播時間比向上游方向的短，根據時差與流體速度成正比關系，檢測出流體的流速和方向，見圖3。

圖3 超聲波流量計測量原理Figure 3 Principle of ultrasonic flowmeter measurement

圖3和式2中：D——儀表口徑；

L——聲程；

Vm——介質流速；

Cm——介質中的聲速；

α——傳感器A/B間與管道水平中心線間的夾角；

TB-A——傳感器B至A的時間；

TA-B——傳感器A至B的時間。

超聲波流量計為非接觸式測量方式，傳感器不與被測介質接觸，無壓損，使用壽命較長，設備維護量較小。既可管道固定式安裝，也可移動便攜式測量（必須為金屬管道、塑料管道及其他透聲材料的管道）。在水電廠可用作各類水、油管路的流量測量，超聲波流量計不適用于測量管路中的流量介質有氣泡的環境，所以不宜測量目數較細的油過濾器管路，同樣也不適用于測量機組高壓油系統的高速油流。

1.4 差壓流量計

差壓流量計的測量原理為在流量計的管道中部配置節流部件，當滿管的流體流經節流件時，流束形成局部的收縮，流速增大，而靜壓力降低，在節流件前后產生一定的壓力差。根據流體的流速與差壓值的比例關系，檢測出流體的流速。圖4為差壓流量計測量原理。

圖4 差壓流量計測量原理Figure 4 Measuring principle of differential pressure flowmeter

差壓流量計運用最為廣泛，性能穩定可靠，使用壽命長，其局限是壓損大，不太適用于小流量的環境，范圍度窄，僅3：1～4：1。在水電廠特別適用于有循環油泵管路的較大油流量測量，但也不適用于對機組高壓油系統的幾十兆帕的高速油流進行油流模擬量準確測量。

1.5 活塞式流量開關

活塞式流量開關的檢測原理是當流體按指示方向流過管道時，推動彈簧支撐并安裝有永久磁鐵的活塞，從而驅動干簧管開關磁性開關在設定流量上動作，輸出開關信號。

活塞式流量開關設定流量范圍大、調整方便，廣泛用于水、氣、油等介質測量。有低壓降、耐壓高等優點，狀態只取決于流量，而與壓力無關，并且對壓力的峰值不再敏感，在水電廠可解決于機組高壓油的高速油流檢測難點。

2 流量計的安裝標準

當前巨型水電站流量計在低經濟性和附加值下運行的原因除了功能不明確、配置不合理外，最主要就是安裝不符合產品安裝要求和相關標準，導致流量計故障率較高、測量不準確。

2.1 流量計的通徑和量程選擇

流量計首先需要確定它的通徑和測量范圍，即確定傳感器內流體的流速范圍，流量計量程范圍的選擇對提高流量計工作的可靠性及精度有較大關系，根據不低于預計的最大流量值的原則選擇滿量程，正常常用流量最好不超過滿量程50%，這樣可獲得較高的測量精度[7]。

流量計通常選用與工藝相同的通徑或者略小些，在流量選定的情況下，通徑的選擇是根據不同的測量對象以及流量計測量管內流速的大小來確定。流量計所測流體的流速，需考慮管路中流體的流速與壓頭損失的關系。在確定流速后，流量計的通徑可根據如下關系式確定：

式中：d——流量計通徑，mm；

Q——體積流量，m3/s。

2.2 流量計接地

流量計的正確可靠接地對流量計的正常運行至關重要：

（1）給信號源參考用的零電位；

（2）使被測流體與可靠的接地體相連通；

（3）滿足相應的安全性要求（如雷擊等）；

（4）抗外界干擾措施（如屏蔽等）。

接地點離傳感器的距離盡可能短，必須與可靠接地體直接相連，不能與其他設備接地點相連接，接地電阻≤10Ω，電磁流量計的外殼、電纜屏蔽線、測量管路的兩端都需單獨可靠接地，絕不能接在電動機等公用地線或上下水管道上，準確接地如圖5所示；如流量計的轉換器部分已通過電纜線接地，就毋須再另行接地，以避免因電位差而造成干擾。流量計配備接地環的接地方法：如工藝管道為絕緣材質，則必須配置接地環可靠接地，來穩定邊界條件，提高測量穩定性和精度，如圖6所示。

圖5 流量計金屬管路接地Figure 5 Metal pipeline grounding of flowmeter

圖6 流量計絕緣材料管路接地Figure 6 Pipeline grounding of insulating material for flowmeter

2.3 流量計的安裝管路標準

流量計的精準測量必須保證滿管測量狀態，在水電站中，導致非滿管的流量計管路常見錯誤安裝位置示意圖如圖7所示。圖中A為流量計直接安裝在閘閥前后，圖中B為流量計安裝在放空管路的長水平管路上，圖中C為流量計安裝在放空管路高處和垂直排放段。此三種都將導致管路內介質為非滿管狀態，從而影響測量的精度[8]。

圖7 流量計管路安裝錯誤圖Figure 7 Flow meter pipeline installation error diagram

在GB/T 18659—2002《封閉管道中導電液體流量的測量電磁流量計性能》中規定上游10D（D為流量計通徑），下游5D。

在DL/T 1107—2009 《水電廠自動化元件基本技術條件》中規定：

（1）機械式流量開關：上下游5D；

（2）熱導式流量開關：上下游4D；

（3）電磁式流量計：上游10D、下游5D。

在ISO和鑒定規格號中對各類閥組、管路標準如表1所示。

表1 ISO和鑒定規格號中的流量計安裝標準Table 1 Installation standards for flow meters in ISO and qualification specifications

流量計管路正確規范的管路如圖8所示，圖中A為保證流量計的上下游足夠的直管段；圖中B為在長的水平放空管道上，在流量計的下游側設計略微上升的管道部分再放空；圖中C為敞開式供水或排放，將流量計安裝在管道的較低或爬坡部分。三種安裝方式以確保通過流量計的管道完全充滿液體，從而達到測量的精確性。

圖8 流量計標準規范管路安裝示意圖Figure 8 Pipeline installation diagram of Flowmeter Standard Specification

3 結束語

在水電廠中，流量信號是水輪發電機組重要的參考監視量，流量計數量大，對各類型流量計進行準確選型和功能配置，按安裝標準進行安裝，能保證流量計的運行穩定性，降低故障率，穩定可信的流量信號可參與到設備的邏輯控制中，流量計運行的穩定性和經濟性較高，能保證機組安全穩定運行。