超声波流量计在发电机组内冷却系统管路流量测量中的应用分析

超声波流量测量技术因为其独特的优势，即无需测量介质直接接触，无需破管；测量过程与流体的压力、温度、流速无关，无机械损伤，无压力损失，在工业生产流量测量中牢牢占据了一席，并且随着研发技术的不断提高，其测量的适应性和准确度也逐年提高，目前已成为市场上热门的流量计选型之一。本文针对于发电机组内冷去除供水系统的流量监测对超声波流量计的使用作出介绍。发电机在工作过程中会产生大量的热量，目前一般都是采用内置循环水路冷却系统进行冷却，因为发电机组工作时产生的热量很大，所以发电机定子线圈水路堵塞而引起发电设备损坏的重大事故屡有发生，经济损失巨大。为保证发电设备的安全、经济、稳定运行，国家电网公司印发的（2000）589号文，《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中强调了发电机检修中，必须进行各定子线棒的水流量测试。

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以前，为了确定冷却系统的水量是否保持系统设置的正确的范围之，需要通过在机组大修过程中，人工拆开发电机的绝缘引水管与汇水管的接管头，用量杯测量单位时间内的水的流量。但是这种测量方法的劣势也是显而易见的，因为需要我们拆开发电机端部几十根绝缘引水管，耗时耗力不说，还会严重地影响检修工期。并且由于对原先良好的手包绝缘重新拆开再包裹，如此反复，损坏密封和绝缘的事情也时有发生，造成新的事故隐患。
 
在采用超声波流量计之后，所有的问题迎刃而解，这个都得益于超声波流量测量具有的得天独厚的优点，因为无需拆开被测的绝缘引水管，无机械损伤，无压力损失，管外测量时不接触被测流体；可以在发电机大修时测量与正常运行时相同条件下各个绝缘引水管的水流量，较真实地反映水管的实际流量。

　　一、超声波流量计测量原理
　　1.1时差法原理
　　时差法测量流体流量的原理如图1所示。它利用声波在流体中传播时因流体流动方向不同而传播速度不同的特点，测量它的页流传播时间t1和逆流传播时间t2的差值，从而计算流体流动的速度和流量。
　　

         设静止流体中声速为c，流体流动速度为ν，把一组换能器A1、A2安装在管子的两侧，两换能器轴向距离为d，其连线与管渠轴线安装成角，换能器的距离为L。
　　从A1到A2顺流发射时，声波的传播时间t1为：
　　1.2超声波的分辨及检测技术原理
　　超声波在液体中传播，受管道材质、壁厚、管径及流体的影响，当从管道一侧传播到另一侧时，信号不可避免的衰减，发生形变。同时现场的电噪声、电磁干扰等干扰信号与超声波信号一起被超声波流量计的换能器所接收，这样，准确的分辨和检测超声波信号便成为超声波流量计的关键技术。一般超声波流量计采用跟踪声波大峰值来检测声波信号并进行流量测量。在超声波流量计初始化时，超声波流量计根据从换能器接受到的信号给出流体中声速的参考值，如果这个参考值与声波在该流体当前温度下传播速度接近（如对20℃下纯净水中声速大约为1480m/s，50℃下纯净水中声速大约为1530m/s），表示此换能器接受的是正确的、所需的超声波信号;如果参考值与实际声速相差较远，说明此时换能器接受的可能是干扰信号，需要人工的输入实际声速，重新初始化，使换能器在2L/c时间间隔附近搜索超声波信号。实际证明，当超声波给出的参考声速与实际声速接近时，测量数据很快能达到稳定点，精度较高。

　　二、发电机定子内冷水流量测量的技术特点
以上海汽轮发电机厂生产的QFSS-330-2型双水内冷机组为例，其定子线圈端部绝缘引水管结构如图2所示。


 
　从图2中可以看出，此发电机共有48根定子线圈绝缘引水管和12根发电机定子引线绝缘引水管。这48根定子线圈绝缘引水管分别与对应的上层线棒和下层线棒联接，其编号跟所联接的上层线棒的槽号一致;12根发电机定子引线绝缘引水管编号以所联接的定子引线的相别一致。
　　从图2中可以看出，在一周直径2m左右的空间分布了60根绝缘引水管，管与管之间间隔较小，水管直管部分大都比较短，尤其是12根定子引线的绝缘引水管，几乎完全是弯曲状态，这些都给超声波流量测量带来一些困难。

　　三、换能器的安装方式及安装间距
　　换能器的安装分为Z型安装、V型安装、W法安装，如图3所示。

 
　　其中Z型安装，即直射式，主要特点是声波传播时间短，效果好，主要适用于流体沿管轴平行流动的情形;V型安装，即反射式，主要适用于流体方向与管轴不平行，存在着沿半径方向流动的速度分量时的情形。用V型法安装换能器可以将此分量相互抵消。
　　对于发电机绝缘引水管，直管部分比较短，尽管液体可能存在径向方向的流动，但如果用反射式法信号捕捉困难，带来更大误差，甚至捕捉不到信号。发电机定子内冷水流量检测主要是检测水路是否堵塞，着重于相互比较，因此宜采用直射式测量。
　　管径及测量方式确定后，流量计会计算出2个换能器佳间距、小间距相大间距，在佳间距中，换能器能够更准确的接受到超声波信号。根据佳间距，调整换能器专用支架，安装完后，在换能器上涂上藕合剂，夹在绝缘引水管水平两侧，就可以进行流量计初始化并开始测量了，测量要等数据稳定时再读数。进行下一个绝缘引水管测量时，由于测量条件一致，不必重新初始化，但要观察流量计给出的参考声速是否在对应温度下参考值附近，若相差太大就需要重新初始化。

　　四、实例分析
　　4.1超声波流量计的技术指标
　　本文选用的是10l0WDPTR-TlGZ型便携式时差式超声波流量计，它主要技术指标如下：测量精度为1.0级;流体灵敏度为0.015m/s;流速范围为±12m/s;零点漂移《0.015m/s;线性度为0.00lm/s。
　　4.2测量结果及分析
　
　淮安常熟发电有限公司4号发电机为上海汽轮发电机厂生产的QFSS-330-2型双水内冷机组，大修期间，对其进行了超声波流量检测，测量数据如表1、2所示。同时在分散控制系统（DCS）屏上监测到总进水管流量：60t/h=l000L/min。
　　从表1、2中数据可看出，实际测量申定子励侧60根绝缘引水管总流量为： 
910.6+136.2=1046.8L/min，此时从DCS监测到总进水量为：1000L/min，总误差为4.68%，对于如此多的弯管流量测量和复杂的现场条件，此误差是在接受范围内的。通过同类型水管横向比较，发现定子线圈绝缘引水管平均流量为18.97L/min，小流量为17.7L/min，相对误差为-6.7%，大流量为20.5L/min郴对误差为8.06%;定子线圈引线绝缘引水管平均流量为11.35L/min，小流量10.2L/mmn，相对误差-10.13%，大流量12.3L/min，相对误差8.37%。从测量结果看，此发电机水管正常，末发现堵塞现象。
　　目前机组已检修完并投人运行，运行中各线圈、定子出水等温度测点的温度一切正常。

　　五、结束语
　　采用超声波流量计测量发电机定子内冷水流量，无需破坏线圈的绝缘和出厂机械结构，无需断开线圈与绝缘引水管的软联接头，较真实的再现发电机正常运行时额定水压下流量，检测结果真实可靠。超声波测量技术能够为发电机大修缩短工期，为发电企业创造了巨大的经济效益，同时减少了解开手包绝缘带来的隐患。使用超声波流量计在发电机内冷水测量需注意以下几点。
　　（1）要消除被测绝缘引水管中的气泡，气泡将减弱超声波的传导，并增大信号的衰减，信号减弱，换能器不能接受正确的超声波信号，使得测量不准或测量失败。所以在超声波流量测量之前，定子内冷水必须在额定压力运行24h，并进行相关排气操作，同时测量尽量保持水平方向，减小气泡的影响。
　　（2）测量绝缘引水管流量时应尽可能在直管部分测量，只能弯管部分测量时应将换能器置于弯曲部分平面的两侧，也就是尽量使换能器与管壁充分接触。
　　（3）管道参数设置正确，测量前检查换能器间距与管径是否配合。
　　（4）夹装式换能器与管壁之间保持有足够的藕合剂。

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