超声波流量计在汽轮发电机冷却系统中的应用

程春霖，张文彬

（重庆市计量质量检测研究院，重庆 401100）

0 引言

随着现代工业技术的不断发展，流量计对于汽轮发电机冷却系统的安全和质量保证具有不可替代的作用。超声波流量计是非接触式设备，其传感器不与被测介质直接接触，具有安装方便、测量精度高、不影响设备正常运转等特点[1]。因此，超声波流量计在现代工业的各种计量测试中得到广泛应用。

由于超声波流量计主要用于实验室计量检测，在现场进行检测时，缺乏对实际情况的了解，特别是在发电厂复杂环境下，现场会出现很多问题，影响其计量准确性甚至没有信号[2]。

1 超声波流量计原理

本文现场使用德国弗莱克森公司生产的手持式超声波液体流量计F601 作为计量检测仪器，该设备配有分别测量大管径和小管径管道的两种传感器，测量管径范围为DN6 ～DN6500。经重庆市计量质量研究院检定，符合现场使用要求。

图1 传感器信号示意图Fig.1 Schematic diagram of sensor signal

F601 流量计为时间差法超声波流量计，如图1 所示超声波信号由安装在管路一侧的第一个传感器发出，经过对面侧的反射，由第二个传感器接收。这些信号是选择顺流或者逆流的方向发出的[3,4]。

因为信号是在流动的介质中传播，声信号的传播在顺流动方向的传播时间将短于逆流动方向上的传输时间。传输时间差∆t 是可以测量到的，从而可以确定超声波信号传播路径上的平均流速。根据管路的横截面对所获得的平均流速进行修正，就能得到与管路中体积流速成正比的数据[5-7]。

2 测试中应注意的问题

2.1 测试现场环境问题

图2 为汽轮发电机冷却系统流量测试现场，总共有42根冷却管需要测试流量，在理想情况下，每根冷却管的流量大小一致，如果流量数值有较大差异，水冷管有可能存在堵塞情况[8]。在开始测量前应让工作人员加大冷却系统的水压，保证每个冷却管的流量达到满载。

在现场若存在高压电缆，其产生的强磁场会干扰传感器发收的信号，造成传感器无法正常运行工作，为避免类似情况，需要远离磁场发生体的位置。

2.2 传感器的安装位置问题

流量测试成功的关键在于声波在无衰减的情况下，通过流体介质到达接收传感器的信号强度。F601 流量计是通过测量声波传播路径上流体的线平均速度来反应流量的，所以应尽可能地保证传感器前的流体沿管轴做平行流动，并远离流动紊乱的地方，传感器安装的地方必须要有一段直管道。

2.3 传感器安装方式的选择

超声波传感器的正确安装对测量结果的准确度十分重要[12]。其步骤如下：

1）首先观察安装位置，应满足仪器推荐的安装间距。

2）清洁冷却管道表面。

图2 现场测试图Fig.2 Field test diagram

图3 传感器声程的选择Fig.3 Selection of sensor sound path

3）给传感器接触面均匀涂上耦合剂。

4）传感器声程的选择，如图3 所示，A 为探头间距，当为偶数声程时，传感器必须同侧安装；当为奇数声程，传感器必须对侧安装。倘若流体对声波信号有很大的衰减，不易获得稳定的信号，声程宜设置为2，才能获得较强的检测信号，确保测量数据的稳定性。

图4 传感器安装方向Fig.4 Sensor installation direction

5）传感器的安装需使其顶上的印记摆成一个箭头的图案，如图4 所示。

安装完毕后，如果有必要可以稍微移动传感器以获得最大的信号强度，但移动后，需在下一步将移动后的准备的探头间距输入仪器。

2.4 输入参数不准造成的测量偏差

2.4.1 管道壁厚以及直径

输入管道壁厚和直径参数会直接影响流量测量结果的准确度[9]。由于冷却管的实际工作环境会和设计参数有一定的出入，管道壁厚会由于腐蚀等原因也会发生一定的变化。所以，测试现场常使用超声波厚度仪得到管道壁厚，卷尺测量管道周长并计算出直径。

2.4.2 管道材质以及内衬

输入管道的材质和内衬是否正确会直接导致传感器安装间距计算错误，导致测量精度变低甚至测量失败[10]。在现场的实际应用中，管道的材质和内衬对测量的影响直接反映在超声波在不同介质中传播速度的差异上，若材质声速大于实际声速，测量结果则会偏大；若材质声速小于实际声速，测量结果则会偏小。

2.4.3 流体温度

流体温度会影响声速的变化[11]，间接影响传感器之间的间距，影响测量精度。汽轮发电机冷却系统中的流体一般为50℃左右的蒸馏水，测试现场常用手持红外测温仪得到流体温度参数。

3 测量结果的处理

在现场的流量测量中，需要得到每个冷却管的瞬时流量大小，但即使在信号稳定的情况下，瞬时流量数据也会存在较小波动，所以每个冷却管每间隔5s 取一次瞬时流量数据，取10 次数据，最后取其平均值。部分冷却管测量结果见表1。

表1 部分冷却管测量结果Table 1 Measurement results of some cooling pipes

4 结束语

综上所述，使用超声波流量计对发电厂汽轮发电机水冷管开展现场测量时，需要工作人员具备较高的技术，掌握超声波流量计工作原理，并结合自身经验，正确选择安装位置和安装方式，以及输入正确的参数，以便准确地获得测量结果，对于其他应用场合更是如此。