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摘要：火電廠機組的主蒸汽流量是機組進行準確的運行工況分析性能檢測、開展良好的經(jīng)濟性分析和節(jié)能降耗工作的基礎(chǔ)。從原理、應(yīng)用、優(yōu)缺點以及誤差產(chǎn)生因素等方面對目前現(xiàn)有的兩種主流測量方法直接測量法和間接測量法進行了詳細比較分析。
　　火電廠機組的主蒸汽流量是否能實現(xiàn)準確測量關(guān)系到機組是否可以進行準確的運行工況分析性能檢測、是否可以開展良好的經(jīng)濟性分析和節(jié)能降耗工作。目前對于火電廠主蒸汽流量的測量方法主要有兩個大方向，直接測量和間接測量。
1直接法測量
　　蒸汽流量直接法計量的研究從差壓式流量計發(fā)展到現(xiàn)今的超聲波流量計已經(jīng)有100多年的歷史。蒸汽流量的計量儀表種類眾多但卻沒有一種儀表可以適用所有工況下的蒸汽測量。目前主流的測試儀表主要有以孔板式流量計為代表的差壓式流量計和以渦街流量計為代表的其它類型流量計。針對直接法測量僅對以下幾種代表型的測量方法進行比較分析。
1.1孔板式流量計原理及特性分析
　　孔板流量計，即對蒸汽進行孔板節(jié)流之后利用蒸汽流過孔板前后所形成的壓力差以及流動連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）計算出蒸汽流量[2]。
　　孔板流量計具有以下優(yōu)點：使用方便無需實流校準，經(jīng)久耐用，應(yīng)用范圍廣，價格較低。同時其使用上也有些缺點需要注意：測量精度有待提高；銳角磨損與積污問題不可避免；單個孔板的β=0.45～0.75，壓損太大，可達最大差壓的78%～47%；安裝加工較困難，例如孔板的開孔邊緣圓弧半徑在國標規(guī)定中需不大于0.0004d但實際中很難操作；孔板流量計的流量系數(shù)對雷諾數(shù)的變化十分敏感因此其量程較小，一般常應(yīng)用的量程為4:1～5:1，而火電廠蒸汽流量測量中流量上下限往往大于10:1偶爾高達20:1，這對于孔板流量計而言具有一定挑戰(zhàn)；導(dǎo)壓管易堵塞易泄漏易凍結(jié)等。
1.2標準噴嘴式流量計原理及特性分析
　　標準噴嘴式流量計的測量原理與孔板式類似，同樣依靠測量流體節(jié)流形成的壓差進而換算出流體的流量，與孔板式的不同點在于其噴嘴由于采用圓弧形結(jié)構(gòu)因此相比于孔板式流量計壓損較小測量精度更高。
　　同孔板式流量計一樣，標準噴嘴式流量計具有結(jié)構(gòu)簡單使用方便無需實流校準的優(yōu)點，其壓損更小以及耐腐蝕性更高是較孔板式更優(yōu)化的特點，同時由于其噴嘴圓弧化的構(gòu)造特點，可進行更廣范圍的氣體液體以及臟污介質(zhì)測量。但其缺點與孔板式相比也是顯而易見，即其加工工藝復(fù)雜整體造價較高，此外與孔板式流量計相同，噴嘴式流量計也存在導(dǎo)壓管易堵塞易泄漏易凍結(jié)等問題。
1.3V錐式流量計原理及特性分析
　　V錐式流量計也是差壓式流量計的一種，其主要結(jié)構(gòu)形式有精密測量管型、維夫Wafer型以及插入式型三種，如圖1所示[3]。

　　V錐流量計的主要部件有V型錐體、導(dǎo)壓管、差壓變送器以及流量積算儀等。它的測量原理類似孔板和噴嘴流量計，利用其內(nèi)流過的蒸汽流量與V型錐體前后蒸汽的壓差的平方根成線性關(guān)系，測量流過V型錐體前后蒸汽的壓差以及相應(yīng)密度通過代入流量計算公式計算出蒸汽流量。
　　V錐流量計的主要優(yōu)點有：測量穩(wěn)定性好精度高；可測試介質(zhì)種類多范圍廣；可適用的雷諾數(shù)范圍較寬即量程大；壓損小；和孔板與噴嘴式流量計相比需要的直管段短；具有自潔凈能力，可測易污易堵流體。其缺點同孔板式和噴嘴式流量計一樣，也存在法蘭連接易泄漏，導(dǎo)壓管易泄漏易凍結(jié)等問題。
1.4分流旋翼式流量計原理及特性分析
　　分流旋翼式流量計是利用分流相似原理和節(jié)流原理進行流體流量的測量。其組成部分有分流孔板、殼體、分流管、噴嘴、葉輪、磁鋼和表頭等部件。當進行蒸汽流量測量時，蒸汽會被分為兩路：一路流經(jīng)孔板形成壓力差；另一路經(jīng)噴嘴噴射到葉輪葉片上以使其轉(zhuǎn)動。由流體相似原理可知在一定流量范圍內(nèi)兩路流體流量之比固定即一定葉輪轉(zhuǎn)速對應(yīng)一定流體流量，由此便可得出待測蒸汽流量總量。分流旋翼式流量計結(jié)構(gòu)簡單使用方便、測量范圍廣，可自動跟蹤補償壓力變動，造價較低。
1.5渦街流量計原理及特性分析
　　渦街流量計在20世紀60年代由日本研究者率先提出，其主要組成部分有傳感器、連桿、漩渦發(fā)生器和表體。其工作原理是利用流體流經(jīng)圓柱狀物體時會形成卡門渦街，而卡門渦街的頻率與流體流速成正比，實際測量時可根據(jù)檢測出的卡門渦街頻率由下式得出流體流速，繼而由流速計算得出流體流量。
F=St·v／d(1)
式中：F——渦街頻率；St——渦街流量計系數(shù)(斯特羅哈數(shù))；v——蒸汽流速；d——圓柱體直徑。
　　渦街流量計的優(yōu)點是其結(jié)構(gòu)簡單可靠性高，測量精度高響應(yīng)快；量程大（10:1～30:1）；輸出結(jié)果為脈沖信號因此無零點漂移導(dǎo)致的誤差。但其缺點是其測量結(jié)果易受信號干擾，主要有工業(yè)電磁波動造成的干擾和管道震動引起的干擾。
2間接法測量
　　直接測量雖然簡單方便直觀，但如今火電廠的機組容量日益擴大，相應(yīng)的節(jié)流元件體積也隨之增大，這不僅對制造安裝和檢修造成了一定困難，同時較大的節(jié)流元件應(yīng)用于大型機組的主蒸汽流量測量時往往會引起壓損較大的情況，從而導(dǎo)致測量結(jié)果與實際流量偏差較大，尤其是針對一些例如超臨界機組之類的高參數(shù)機組實現(xiàn)直接測量非常困難，因此另一種測量方法在實際中應(yīng)用更多，即間接測量。間接測量主蒸汽流量即利用汽輪機的有關(guān)參數(shù)進行間接換算最終得出結(jié)果。
2.1測量原理
　　目前間接測量主要有兩種實現(xiàn)方法：調(diào)節(jié)級后壓力溫度間接測量法和利用壓力級組前后壓力、溫度測量法。這兩種方法都基于弗留格爾公式：

式中：G0（G1）——設(shè)計額定工況（變工況）下的蒸汽流量；P0，PZ（P01，PZ1）——在設(shè)計額定工況（變工況）下該級組前后的壓力；T0（T01）——設(shè)計額定工況（變工況）下該級組前蒸汽溫度。
　　對于n級的汽輪機在變工況狀態(tài)下工作時如未達臨界值則可直接應(yīng)用上述弗留格爾公式但前提是整個汽輪機組級組葉片通流面積不變。
　　當機組級組較多且末級為凝汽式機組時,級組的排氣壓力（PZ）遠小于級組進汽壓力（P0），因此上式可簡化為[4]：

　　式（3）是目前應(yīng)用最廣的間接測量流量計算方法。式（3）和式（4）和弗留格爾公式一樣都需要保證在級數(shù)足夠多；葉片流通面積不變；各級組流量相同；各級組級前溫度變化率相同和不得有其他非線性元件干擾等前提條件下應(yīng)用。
　　對于級數(shù)足夠多這一條件目前大多數(shù)火電廠的汽輪發(fā)電機都可以滿足。對于保持葉片流通面積不變這一條件，由于葉片流通面積會隨著級組調(diào)節(jié)閥門開啟狀況不同而變化，當負荷降低時相應(yīng)會減少閥門的開啟數(shù)從而使實際流通面積減小因此會導(dǎo)致如圖2所示的P1值偏大于實際值，測量結(jié)果也因此偏大。

2.2影響因素
　　除了上述葉片流通面積會對測量結(jié)果造成影響外還有以下幾大影響因素。
1.再熱減溫水的影響
　　 再熱減溫水的注入會成為再熱器壓降和蒸汽流量兩者關(guān)系中不可控的一個因素，此外這一部分減溫水由于全部流入中、低壓缸所以會對其壓降造成影響，這一部分流量不算入主蒸汽流量但卻會引起上圖中P2和P1值的增加從而導(dǎo)致測量結(jié)果大于實際值。
2. 廠用汽及對外供熱的影響
　　 火電廠發(fā)電汽輪機往往將其高壓缸的排汽作為廠用汽的汽源同時利用其余熱供熱，這樣會相應(yīng)的減少再熱器及中、低壓缸的蒸汽流量從而導(dǎo)致其壓力降低壓差減小即圖中P3、P2降低，P3、P2的降低最終致使P1值降低，測量結(jié)果將偏小。
3. 加熱器、給水泵及暖風(fēng)機的投、切影響
　　 各組加熱器在機組運行中會由于不同原因進行投、切，其抽汽量也會因此而變化，而抽氣量直接影響到P1值，例如高壓加熱器被切除后前段抽汽量將明顯減少從而主蒸汽流量不變而P1值明顯提高致使測量結(jié)果偏高。汽動給水泵和鍋爐暖風(fēng)器的氣源都來自于中壓缸排汽，當汽動給水泵部分停用時或其工作汽源改變時都會使抽汽量減少從而也會導(dǎo)致包括P1值在內(nèi)的各級壓力值提高,致使測量結(jié)果偏高。冬季暖風(fēng)機的投入會引起抽汽量的增加，P1值因此降低，測量結(jié)果會偏低。
4.溫度補償?shù)挠绊?br /> 　　主蒸汽經(jīng)過調(diào)節(jié)級后在P1點會有一個明顯的溫降，而且該溫降隨閥門開度、機組運行方式的變化有所不同。但是到了P3點卻由于再熱器的存在因此P1點的溫降對此點并沒有太大的影響。可是利用弗留格爾公式是以各級組級前溫度變化率相同這一前提條件進行溫度補償?shù)模�因此會有一定誤差。
5. 動態(tài)特性的影響
　　 再熱系統(tǒng)的中、低壓缸動態(tài)運作時會有慣性環(huán)節(jié)特性呈現(xiàn)，這會導(dǎo)致P1和流量在機組變工況運行時呈非線性狀態(tài)，便會產(chǎn)生動態(tài)偏差。
2.3特性分析
與直接測量方法相比，基于弗留格爾公式的間接測量法具有以下優(yōu)點：
(1)無需安裝特殊測量裝置，只需讀取汽輪機相關(guān)的運行參數(shù)進行間接換算便可得出主蒸汽流量，這一點上大大節(jié)省了初投資成本
(2)由于無需另外安裝設(shè)備，因此不存在額外的壓力損失，因此得出的蒸汽流量數(shù)據(jù)更可靠；
(3)同樣由于無需另外安裝設(shè)備，機組泄漏點減少，這將系統(tǒng)維護和檢修成本大大降低。此外，間接測量無需直接檢修機組，對于機組內(nèi)部工況和問題缺陷可利用弗留格爾公式直接進行計算確定，具體有以下兩方面應(yīng)用：利用不同流量下推算出的機組各級級前壓力，求得各級壓差和比焓降，從而確定機組效率及內(nèi)部零件受力；已知流量或功率的前提下，利用各級級前壓力反向驗證與弗留格爾公式是否相符判斷汽輪機內(nèi)部是否正常運作例如是否出現(xiàn)堵塞或泄漏引起的流通面積改變。
利用弗留格爾公式進行間接測量需注意以下幾點：
(1)由于結(jié)垢、腐蝕等問題存在，因此為了將流量測量誤差控制到最低，必須對機組進行定期試驗，檢查給水流量是否與主蒸汽流量示值相對應(yīng)以確定是否有結(jié)垢、腐蝕等問題存在和嚴重程度，同時定期試驗還可以做到對系統(tǒng)誤差進行校對；
(2)不可以一成不變地對弗留格爾公式進行生搬硬套的計算，要靈活觀察系統(tǒng)熱力過程，根據(jù)過程特性不同選擇不同形式的弗留格爾公式進行流量計算。
3結(jié)語
　　傳統(tǒng)的直接測量蒸汽流量的方法雖然在二次儀表的配合下可以得到主蒸汽流量值，但由于節(jié)流裝置本身存在的技術(shù)問題和測量精度等影響因素，如今在大容量高參數(shù)單元機組中越來越難以見其身影，與之相對應(yīng)的間接測量法在可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性方面的表現(xiàn)更為優(yōu)秀。但目前仍由于熱力工況復(fù)雜多變往往需要對計算模型作不同修正，目前并未研究出一種十分完善的計算模型，因此該領(lǐng)域還有待研究工作者繼續(xù)探索。

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