姜志军2 周珏2 聂晓冬2 郭振宇2 帅志明1
1.江苏省电力试验研究所 南京 210029 2.东南大学动力系 南京 210096
在现代大型火力发电厂热经济分析中，为了准确确定汽轮机组性能，主凝结水流量测量十分重要。当按照ASME PTC6标准进行试验时，主凝结水流量的精确测量更为关键，其测量值精度对汽轮机热耗率计算结果精度的影响比例关系约为1∶1；在大型汽轮机组现代化改造中，对缸内部的考核更能够反映改造的效果，而主凝结水流量测量值精度对低压缸内效率计算结果精度的影响比例关系约为1∶3，因而主凝结水测量对缸效率的影响更大。为了提高性能试验结果的可靠性，必须精确测量主凝结水流量，而流量喷嘴的准确标定是关键。根据ASME标准，流量的高精度测量采用高精度的差压元件，从工程应用方面规定采用ASME标准流量喷嘴。本文就ASME流量喷嘴标定的全过程作较全面的探讨。
1 ASME喷嘴的标定方法介绍
主流量喷嘴的标定一般是在一标准的试验台上进行，流量测量装置包括上游管段、下游管段、稳流栅和流量喷嘴及4个标准取压孔。标定时采用高精度容积水箱测量流量，用高精度的差压传感器测量差压，高精度的温度传感器测温。然后将试验数据整理、计算得出喷嘴喉部雷诺数和流出系数的对应关系，最后拟合成关系曲线供热力性能试验采用。
1.1 标准流量测量
标准流量测量采用容积法，水在一恒定压头驱动下流过测量装置进入一标准体积的容器，用高精度计量器记录下水流满容器的持续时间，从而得出标准流量qa。
1.2 流出系数计算
用高精度差压传感器配合精密数采系统在整个试验时间段内采集4个差压取压口差压值，获取差压平均值，结合式(1)中标准流量用下式计算可得流出系数Cd。
 (1)
式中 Cd——流出系数；
qa——标准体积流量，m3/s；
d——喷嘴喉部直径，m;
p——试验水温下水体积质量，kg/m3；
β——d/D;
ε——热膨胀系数；
D——试验管段直径，m;
ΔP——压差，Pa。
1.3 喉部雷诺数Reh
 (2)
式中 Reh——喉部雷诺数；
Ah——喉部横截面积，m2；
υ——试验温度下水的动力粘度，m2/s。
1.4 标定数据处理及误差分析
在以上过程中测量所得的数据一般都整理成流出系数C-喉部雷诺数Reh的对应关系，并根据试验数据拟合出标定曲线供性能试验时使用。另外，对式(1)作泰勒展开得到误差传递公式如下：
 (3)
式(3)中后面4项误差对具体的标定装置通过分析可知，所以根据上式可得标定的流出系数C的误差。从式(3)可见流量测量精度对标定精度影响最大。
2 标定方法的分析探讨
在上面介绍的标定过程的每一步中，都应该十分仔细，任何细微的偏差都将导致最后结果的不确定。下面就目前使用的标定方法，以及如何使标定过程更符合国际最新标准，结合实际工程应用，对流量喷嘴标定的几个方面作一分析探讨。
2.1 喷嘴标定试验装置的分析
国内目前采用的试验标定装置普遍存在试验温度低，流量低的问题。流量和雷诺数直接相关，而试验水温也和流体雷诺数有一函数关系。在国内标定试验多在常温下进行。我们知道在火力发电厂实际使用中，主凝结水温一般都在100 ℃以上，这就导致了标定试验的试验条件和实际电厂应用时的差异。同时由于标定试验水温偏低，使得标定曲线的雷诺数取值范围偏低，一般难于达到应用时的要求值(实际电厂运行中雷诺数达到7×105～9×106)，直接导致标定曲线外推误差。在喷嘴标定的实践过程中发现在不同季节下标定对标定结果有较大影响，以谏壁电厂300 MW机组主凝水流量喷嘴标定为例，表1给出了不同季节水温变化范围内，标定所能达到的雷诺数。
表1 不同季节水温下所能达到的标定雷诺数
水温/℃
20
25
30
35
40
雷诺数
2.79×106
3.11×106
3.51×106
3.86×106
4.30×106
另外，在国内目前现有的试验标定装置中，受恒压水箱高度的限制，水压仅能达到一定程度，从而限制了流量的进一步提高。在试验中测量仪器应避免采用有较大读数误差的U型管水银差压计，采用高精度的数据采集仪，可以同时标定几组取压装置，从而提高了标定精度和自动化水平。
综合上述，为了使标定方法符合最新 ASME 标准并和国际先进方法接轨，应注意如下一些方面：(1)对最新的ASME标准ASME PTC6—1996应有足够了解，理解其本质含义。(2)提高差压测量的精度，采用高精度的差压传感器，数据采集仪。(3)在标定装置中加装加热器，提高水温，从而扩大标定雷诺数范围，使标定结果更加可靠。(4)提高恒压水箱高度，从而提高压头扩大流量标定范围。(5)在标定过程中，应该注意充水水箱内水温的准确测量，应在水箱内的水混合均匀后进行测量，同时采用精度较高的温度计。
2.2 试验数据处理方法的分析探讨
工程应用中，标定试验后的数据处理十分重要，如何准确的获得标定曲线非常关键。国内普遍较常用的方法或是将标定曲线假定为直线进行拟合，或是根据ASME PTC6—1976作为特定方式的曲线拟合，对标定曲线没有进行可靠判断的情况下就将曲线应用于性能试验中，这种标定曲线的误差将直接导致性能试验的不准确。同时由于雷诺数范围的限制势必产生曲线外推使用情况，从而导致较大的流量测量误差。在最新的ASME PTC6—1996标准中对标定曲线的获得作出了严格的规定，从而规范了标定试验数据的处理。
ASME PTC6—1996 标准规定，如果在同一雷诺数下，两次重复试验的测量数据相差超过0.1%，需要在同一雷诺数下再作一次获得一个额外试验点。同时对喷嘴最终标定曲线的获取规定了一种标准方法，规定标定曲线必须平行于给定的参考曲线，并且拟合成如下型式的方程式：
Cd=Cx-0.185Reh-0.2(1-361 239/Reh)0.8 (4)
通过将试验获得数据代入上式，计算出平均的Cx，判定标定结果是否符合ASME PTC6—1996的要求，还必须确定下面3个基准是否满足：(1)Cx的平均值在1.005 4±0.002 5范围内，即1.007 9≥Cx≥1.002 9。(2)Cx独立于雷诺数Reh。(3)为了使Cx的计算值达到95%的可信度，每个试验点的Cx偏离平均值不得超过±0.000 3，并且确保满足要求的点数达到性能试验使用要求。
采用如上方法的优点在于，当实际性能试验工况的雷诺数超过标定雷诺数范围时，可以将实际雷诺数代入标定曲线直接计算出流出系数Cd,由于以上严格的规定和合理的计算方法，这样处理减小了标定曲线外推误差，从而提高了流量测量精度。
3 工程应用
江苏省电力试验研究所配合有关国家标准计量单位在技改项目：谏壁电厂7号机组(300 MW)和徐州发电厂4号机(125 MW)及7号机(200 MW)的改造后热力性能鉴定试验主凝水流量喷嘴标定中，结合目前国内试验台现状，采用0.075精度的4组差压变送器，数据采集系统采用电站DA&RA网络系统，同时考虑季节的影响选择高温季节进行标定，在标定方法上尽量符合最新的ASME PTC6—1996标准，取得了比较好的标定结果。这是ASME PTC6—1996标准在国内的首次应用，它为该标准在国内的推广应用作了尝试。下面部分给出得到的应用结果。
3.1 新海电厂11号机改造后热力性能鉴定试验主流量喷嘴的标定
新海电厂11号机改造后性能鉴定试验主凝结水流量喷嘴标定的试验条件及喷嘴特征尺寸如下：在图1、2中给出了第1、3组的取压口的标定曲线。
标定时间：1998年10月15日
管径：0.259 08 m
喉部直径：0.105 14 m
热膨胀系数：1
流体压力：0.3 MPa
当地重力加速度：9.806 m/s2
体积质量：997.37 kg/m3
β：0.405 820 596
从图1、2可见，标定数据及标定曲线符合ASME PTC6—1996标准的要求，其中第1组取压口Cx=1.005 84，第2组取压口Cx=1.007 22，而且从实际试验数据点的分布可见重复性及分散性均满足标准要求，证明标定结果可靠、确定，标定结果能够使用。
图1 新海11号机第1组取压口标定曲线
图2 新海11号机第3组取压口标定曲线
3.2 谏壁电厂7号机改造后热力性能鉴定试验主流量喷嘴标定结果
谏壁电厂7号机改造后性能鉴定试验主凝结水流量喷嘴标定的试验条件及喷嘴特征尺寸如下。在图3、4中给出了第2、4组取压口的标定曲线。
标定时间：1998年9月28日
管径：0.304 72 m
喉部直径：0.136 51 m
热膨胀系数：1
流体压力：0.3 MPa
当地重力加速度：9.806 m/s2
流体体积质量：997.108 kg/m3
β：0.447 985 035
从图3、4可见，标定数据及标定曲线符合 ASME PTC6—1996标准的要求，其中第2组取压口Cx=1.006 899，第2组取压口Cx=1.006 66，而且从实际试验数据点的分布可见重复性及分散性均满足标准要求，证明标定结果可靠、确定，标定结果能够使用。
图3 谏壁7号机第2组取压口标定曲线
图4 谏壁7号机第4组取压口标定曲线
3.3 标定误差分析
对标定所用装置进行误差分析，流量测量误差Eq=±0.125%，差压测量误差Ep=±0.075%；根据式(3)可得流出系数标定误差为0.16%。
4 结束语
本文针对大型火力发电厂热力性能试验的重要环节(主流量喷嘴的试验标定)的目前国内现状、国内国际接轨存在的问题以及如何使标定方法更好地符合国际最新标准(ASME PTC6—1996)等几个方面的问题作了较仔细深入的探讨；对国内现有的试验标定装置提出了一些从工作实践中得出的改进意见；较详细地阐述了ASME PTC6—1996标准中关于试验标定方法的一些最新成果，仔细分析了这些规定的本质含义；同时，结合工程应用实例，将ASME PTC6—1996标准成功地应用于电厂的热力性能试验中，为该最新标准在国内的首先应用和推广应用做了有益尝试，进一步提高了我国火电厂流量测量精度。
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