cpr1000核岛仪用压缩空气流量测量仪表换型研究及实践

第４０卷第１０期２０１９年１０月
自㊀动㊀化㊀仪㊀表
ＰＲＯＣＥＳＳＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ
Ｖｏｌ ４０Ｎｏ １０
Ｏｃｔ.２０１９
收稿日期:２０１９￣０３￣２９
作者简介:徐颖(１９８８ )ꎬ男ꎬ学士ꎬ工程师ꎬ主要从事核电站仪控系统调试㊁维修以及ＤＣＳ数字化升级改造工作ꎬ
Ｅ￣ｍａｉｌ:ｘｕｙｉｎｇ２０８１１９＠１６３.ｃｏｍ
ＣＰＲ１０００核岛仪用压缩空气流量测量仪表换型研究及实践
徐㊀颖ꎬ许金泉ꎬ杨宗伟ꎬ于㊀航
(中广核工程有限公司ꎬ广东深圳５１８０００)
摘㊀要:ＣＰＲ１０００核电站(ＮＰＰ)核岛仪用压缩空气流量测量值是安全壳泄漏率计算的重要输入ꎮ测量仪表(ＳＡＲ００１ＭＤ)初始选型为涡轮流量计ꎮ受涡轮流量计量程比限制ꎬ在核岛仪用压缩空气小流量的运行特点下ꎬ会出现测量值波动幅度大㊁频繁归零等现象ꎮ通过对流量测量领域应用广泛的差压式流量计㊁涡街流量计㊁超声波流量计㊁热式质量流量计的换型研究ꎬ综合比较仪表连接方式的匹配㊁量程比及精度㊁管道布置的改动量㊁温压补偿等多方面因素ꎬ最终恒温差热式质量流量计以其小流量测量精度高㊁量程比高㊁压损小㊁安装简单㊁无需温压补偿等显著优势而被确定为换型仪表ꎮ换型后的热式质量流量计大大简化了测量系统结构及仪表和管道布置ꎬ同时运行稳定㊁测量值波动幅度大幅减小㊁归零现象未再发生ꎬ有效保障了安全壳泄漏率监测的准确性和稳定性ꎬ为操作员对机组判断提供了良好保障ꎬ也为三代核电站的仪表选型提供了借鉴ꎮ
关键词:核电站ꎻＣＰＲ１０００ꎻＳＡＲ００１ＭＤꎻ换型ꎻ涡轮流量计ꎻ热式质量流量计
中图分类号:ＴＨ￣８６㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀ＤＯＩ:１０.１６０８６/ｊ.ｃｎｋｉ.ｉｓｓｎ１０００￣０３８０.２０１９０３００９９
ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＰｒａｃｔｉｃｅｏｎＴｙｐｅＣｈａｎｇｅｏｆＣｏｍｐｒｅｓｓｅｄＡｉｒＦｌｏｗｍｅｔｅｒ
ｆｏｒＣＰＲ１０００ＮｕｃｌｅａｒＩｓｌａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
ＸＵＹｉｎｇꎬＸＵＪｉｎｑｕａｎꎬＹＡＮＧＺｏｎｇｗｅｉꎬＹＵＨａｎｇ
(ＣｈｉｎａＮｕｃｌｅａｒＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＳｈｅｎｚｈｅｎ５１８０００ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＴｈｅｎｕｃｌｅａｒｉｓｌａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄａｉｒｆｌｏｗｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｖａｌｕｅｏｆＣＰＲ１０００ｎｕｃｌｅａｒｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ(ＮＰＰ)ｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｎｐｕｔｏｆｃｏｎｔａｉｎｍｅｎｔｌｅａｋｒａｔｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎꎬｔｕｒｂｉｎｅｆｌｏｗｍｅｔｅｒｗａｓｉｎｉｔｉａｌｌｙｓｅｌｅｃｔｅｄｔｏｂｅｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ(ＳＡＲ００１ＭＤ)ꎬｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄｂｙｒａｎｇｅｒａｔｉｏｏｆｔｕｒｂｉｎｅｆｌｏｗｍｅｔｅｒꎬｗｈｅｎｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄａｉｒｉｓｏｐｅｒａｔｉｎｇｉｎｓｍａｌｌｆｌｏｗｒａｔｅꎬｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｖａｌｕｅｆｌｕｃｔｕａｔｅｓｇｒｅａｔｌｙａｎｄｒｅｔｕｒｎｓｔｏｚｅｒｏｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ.Ｔｈｅｔｙｐｅｃｈａｎｇｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｆｌｏｗｍｅｔｅｒ㊁ｖｏｒｔｅｘｆｌｏｗｍｅｔｅｒ㊁ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｆｌｏｗｍｅｔｅｒａｎｄｔｈｅｒｍａｌｍａｓｓｆｌｏｗｍｅｔｅｒｉｓｓｔｕｄｉｅｄꎬｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｓｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｍａｔｃｈｉｎｇ㊁ｒａｎｇｅｒａｔｉｏａｎｄｐｒｅｃｉｓｉｏｎ㊁ｐｉｐｅｌｉｎｅｌａｙｏｕｔｃｈａｎｇｅ㊁ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎａｎｄｏｔｈｅｒｆａｃｔｏｒｓꎬｔｈｅｃｏｎｓｔａｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｔｈｅｒｍａｌｍａｓｓｆｌｏｗｍｅｔｅｒｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｔｏｂｅｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｏｂｖｉｏｕｓａｄｖａｎｔａｇｅｓꎬｓｕｃｈａｓｓｍａｌｌｆｌｏｗｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙ㊁ｈｉｇｈｒａｎｇｅｒａｔｉｏ㊁ｓｍａｌｌｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓ㊁ｓｉｍｐｌｅｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎａｎｄｎｏｎｅｅｄｆｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ.Ｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｍａｓｓｆｌｏｗｍｅｔｅｒｇｒｅａｔｌｙｓｉｍｐｌｉｆｉｅｓｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｏｆｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄｐｉｐｅｓꎬａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅꎬｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｓｓｔａｂｌｅꎬｔｈｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｒａｎｇｅｏｆｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｖａｌｕｅｉｓ
ｇｒｅａｔｌｙｒｅｄｕｃｅｄꎬａｎｄｔｈｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｏｆｒｅｔｕｒｎｉｎｇｚｅｒｏｄｏｅｓｎｏｔｏｃｃｕｒａｇａｉｎ.Ｉｔｅｎｓｕｒｅｓｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｆｏｒｃｏｎｔａｉｎｍｅｎｔｌｅａｋａｇｅｒａｔｅａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓｇｕａｒａｎｔｅｅｆｏｒｔｈｅｏｐｅｒａｔｏｒｔｏｊｕｄｇｅｔｈｅｐｏｗｅｒｕｎｉｔ.ＩｔａｌｓｏｐｒｏｖｉｄｅｓｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｈｉｒｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎＮＰＰ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:Ｎｕｃｌｅａｒｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ(ＮＰＰ)ꎻＣＰＲ１０００ꎻＳＡＲ００１ＭＤꎻＴｙｐｅｃｈａｎｇｅꎻＴｕｒｂｉｎｅｆｌｏｗｍｅｔｅｒꎻＴｈｅｒｍａｌｍａｓｓｆｌｏｗｍｅｔｅｒ０㊀引言
安全壳是核电厂防止一回路放射性物质外泄的最后一道安全屏障ꎬ其泄漏率监测及完整性判断对机组安全运行非常重要ꎮＣＰＲ１０００核电厂通过安全壳泄漏
率监测系统(ｃｏｎｔａｉｎｍｅｎｔｌｅａｋａｇｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍꎬＥＰＰ)ꎬ在线监测安全壳泄漏率ꎮ泄漏率计算模型遵循安全壳内气体质量守恒原理ꎮ其中ꎬ核岛仪用压缩空气流量测量值是泄漏率计算模型的重要输入ꎮＣＰＲ１０００核电厂核岛仪用压缩空气系统(ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
自㊀动㊀化㊀仪㊀表第４０卷
ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄａｉｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍꎬＳＡＲ)流量计ＳＡＲ００１ＭＤ初始选型为涡轮流量计ꎬ在使用过程中仪表本体故障率高㊁测量值波动幅度大㊁频繁归零等异常严重影响安全壳的泄漏率监测ꎬ同时带来了较高的运行和维修成本ꎮ综合ＳＡＲ系统运行工况㊁原始仪表连接方式的匹配㊁各类型仪表的应用特点㊁数字化仪控系统(ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍꎬＤＣＳ)信号接口等多方面因素考虑ꎬ最终选用恒温差热式质量流量计对其进行换型改造ꎮ换型后的热式质量流量计运行稳定㊁测量值波动幅度明显减小ꎬ有效保障了安全壳泄漏率监测的准确性和稳定性ꎮ１㊀ＳＡＲ００１ＭＤ初始选型及应用情况
ＳＡＲ系统分为核岛㊁常规岛㊁核电厂配套设施(ｂａｌａｎｃｅｏｆｐｌａｎｔꎬＢＯＰ)三部分ꎮ其中ꎬ核岛部分为岛内气动阀提供动力气源ꎮ其压缩空气管网通过空压机自动带卸载功能将压力维持在７６００００~９０００００Ｐａꎮ因此ꎬ在核岛入口管线设置１台流量计ＳＡＲ００１ＭＤꎬ以监测岛内用气量ꎮ
１.１㊀涡轮流量计测量原理及仪表布置
ＣＰＲ１０００核电站ＳＡＲ００１ＭＤ初始选型为法国福尔赫曼(ＦＡＵＲＥＨＥＲＭＡＮ)双螺旋气体涡轮流量计ꎬ型号为ＴＧＮ２５Ｇ６.５(１５０＃)ꎮ其仪表管径尺寸(ＤＮ)为２５ｍｍꎬ最大测量流量为６.５ｍ３/ｈꎬ压力等级为１０３４ｋＰａꎬ量程比为１０ʒ１ꎬ操作温度为－３０~＋１８０ħꎬ测量精度可以达到ʃ０.１５％ꎬ重复性为ʃ０.０２％ꎬ可承受暂时的超量程流量ꎮ
涡轮流量计是典型的速度式流量计ꎬ具有压力损失小㊁精度高㊁抗干扰能力强等优点ꎬ在气体和液体流量测量领域应用非常广泛ꎮ其测量原理是以动量矩守恒原理为基础的ꎮ当流体流经涡轮流量计时ꎬ产生驱动力矩克服摩擦力矩和流体阻力后带动涡轮旋转ꎬ在力矩平衡后转速稳定ꎮ其转速与管道流体流速成正比ꎮ由于带导磁性的旋转叶片周期性地改变检测线圈的磁通量ꎬ从而通过电磁感应原理产生周期性的感应电势ꎬ经仪表自带的前置放大器放大整形后ꎬ最终以脉冲信号进行远距离传输ꎮ脉冲信号的频率与被测流体的流量成正比ꎬ涡轮流量计实用流量方程为:
Ｑ
ｖ
＝ｆＫ(１)式中:Ｑｖ为被测流体体积流量ꎬｍ３/ｓꎻｆ为脉冲信号频率ꎬＨｚꎻＫ为流量计仪表系数ꎬＰ/ｍ３ꎮ
仪表系数Ｋ通过流量校验装置校验得出ꎬ与涡轮的材料㊁结构㊁流体性质等有关ꎮ涡轮流量计运行区间分线性段和非线性段ꎮ当气体流量低于涡轮流量计始动流量Ｑｍｉｎ时ꎬ受轴承摩擦力㊁流体粘性阻力影响ꎬ气体不具备足够能量吹动涡轮ꎬ即无法准确测量出Ｑｍｉｎ以下的流量值[１]ꎮ由于涡轮流量计受上游流体流动状态影响很大ꎬ为减少上游局部阻力件的影响ꎬ涡轮流量
计的安装严格要求上㊁下游保持一定长度的等径直管
段ꎮ根据福尔赫曼涡轮流量计设备运行维修手册ꎬ要
求仪表在水平安装的情况下:上游直管段大于１０Ｄ(Ｄ
表示仪表管径为２５ｍｍ)ꎬ即２５０ｍｍꎻ下游直管段大于５Ｄꎬ即１２５ｍｍꎮ换型前ꎬＣＰＲ１０００核电站ＳＡＲ００１ＭＤ安装图如图１所示ꎮ仪表采用水平法兰连接方式ꎬ上游直管段(ＣＤ)和下游直管段(ＡＢ)均为３００ｍｍ左右ꎬ满足设备运行维修手册要求
ꎮ
图１㊀ＳＡＲ００１ＭＤ安装图(换型前)
Ｆｉｇ.１㊀ＩｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｏｆＳＡＲ００１ＭＤ(ｂｅｆｏｒｅｔｙｐｅｃｈａｎｇｅ)１.２㊀温压补偿及测量系统整体结构
根据式(２)ꎬ其直接测量值Ｑｖ为体积流量ꎮ由于气体体积流量受温度和压力影响较大ꎬ故必须将气体体积流量通过温压补偿转换为质量流量ꎮ温度和压力值通过核岛仪用压缩空气注入管线上的温度传感器ＳＡＲ００１ＭＴ和压力变送器ＳＡＲ００１ＭＰ测得ꎬ补偿后的质量流量单位为Ｎｍ３/ｈꎮ标准立方米(Ｎｍ３)看似体积单位ꎬ实则为质量单位ꎬ与使用地点的压力㊁温度无任何关系ꎮ国内外对气体标准状态的压力定义均采用标准大气压ꎬ即１０１.３２５ｋＰａꎬ但对温度定义却不尽相同ꎮ当前ꎬ国际上较常见的气体标准状态定义主要有以下三种ꎮ
①１９５４年第十届国际计量大会(ＣＧＰＭ)协议的标准状态是:温度２７３.１５Ｋ(０ħ)㊁压力１０１.３２５ｋＰａꎮ世界各国科技领域广泛采用这一标态ꎮ
②国际标准化组织和美国国家标准规定以温度２８８.１５Ｋ(１５ħ)㊁压力１０１.３２５ｋＰａ作为计量气体体积流量的标态ꎮ
③我国«天然气流量的标准孔板计算方法»规定以温度２９３.１５Ｋ(２０ħ)㊁压力１０１.３２５ｋＰａ作为计量气体体积流量的标准状态ꎮ
ＣＰＲ１０００核岛仪用压缩空气(ＳＡＲ００１ＭＤ)质量流
８
第１０期㊀ＣＰＲ１０００核岛仪用压缩空气流量测量仪表换型研究及实践㊀徐㊀颖ꎬ等
量单位采用第３种气体标准状态定义ꎬ即温度
２９３.１５Ｋ(２０ħ)㊁压力１０１.３２５ｋＰａꎮ依据理想气体状态方程ꎬ修正公式为:
Ｑｖｎ＝Ｑｖ
ＰＴｎＺｎＰｎＴＺ
(２)
式中:Ｑｖｎ为标准状态质量流量ꎬＮｍ３
/ｈꎻＱｖ为体积流量
测量值ꎻＰｎ为标准状态气体绝对压力ꎬ即１０１３２.５ｋＰａꎻＰ为气体压力测量值ꎻＴｎ为标准状态气体温度ꎬ即
２９３.１５ＫꎻＴ为气体温度测量值ꎻＺｎ为标准状态下空气压缩系数ꎬ为０.９９９６３ꎻＺ为实际状态下空气压缩系数ꎮ根据ＩＳＯ１２２１３空气压缩系数表ꎬ空气压缩系数在本仪表工作条件下变化范围极小ꎬ可将Ｚ设为１ꎮ
温压补偿算法通过ＤＣＳ内部功能模块实现ꎮ转换后的质量流量经累计计算和Ｉ/Ｏ分配ꎬ最终输出５路信号ꎬ分别为ＥＰＰ安全壳泄漏率在线监测系统㊁后备盘(ＢＵＰ)日累计流量显示㊁主控(ＫＩＣ)日累计流量显示㊁主控(ＫＩＣ)总累计流量显示㊁主控(ＫＩＣ)实时流量显示ꎮ换型前ꎬＳＡＲ００１ＭＤ测量系统整体结构如图２所示
ꎮ图２㊀ＳＡＲ００１ＭＤ测量系统整体结构(换型前)Ｆｉｇ.２㊀ＯｖｅｒａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＳＡＲ００１ＭＤｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ
(ｂｅｆｏｒｅｔｙｐｅｃｈａｎｇｅ)
１.３㊀涡轮流量计在ＣＰＲ１０００各电厂应用情况
福尔赫曼双螺旋气体涡轮流量计ＴＧＮ２５Ｇ６.５(１５０＃)最大测量流量为６.５ｍ３/ｈꎬ量程比为１０ʒ１ꎬ涡轮流量计始动流量为Ｑｍｉｎ＝０.６５ｍ３/ｈꎮ正常运行情况下ꎬ压缩空气管网压力维持在７６０~９００ｋＰａꎮ通过体积流量修正公式(２)ꎬ将始动流量(Ｑｍｉｎ＝０.６５ｍ３/ｈ)通过管网平均压力值９００ｋＰａ转换为质量流量ꎬ约为６.０Ｎｍ３/ｈꎮ根据ＥＰＰ系统运行经验值ꎬＳＡＲ００１ＭＤ测量值始终在６.０Ｎｍ３/ｈ以上ꎮ当气体流量低于
６.０Ｎｍ３/ｈ时ꎬ由于低于涡轮始动流量从而导致测量值频繁归零ꎮ根据ＥＰＰ系统长期运行的计算理论值ꎬ核岛内理论用气量Ｑｖｎ约为６.５~９Ｎｍ３/ｈꎬ与涡轮始动流量接近ꎬ故很难保障测量值的准确性ꎮ并且ꎬ当实际流量偶尔低于始动流量时ꎬ出现异常归零现象[２]ꎮ表１为ＣＰＲ１０００阳江核电站１＃~３＃号机组在２０１４年１１月至２０１５年１０月间ＳＡＲ００１ＭＤ的异常事件ꎬ总计１２起ꎮ综合涡轮流量计(ＳＡＲ００１ＭＤ)在ＣＰＲ１０００其他核电站的应用情况ꎬ总结存在如下三类问题ꎮ
①低量程范围仪表线性度低ꎬ测量精度无法保证ꎬ测量值波动幅度较大ꎮ②当气体实际流量达不到涡轮始动流量时ꎬ频繁出现异常归零现象ꎮ
③涡轮流量计测量值为体积流量ꎬ需设置温压补偿仪表和ＤＣＳ后处理环节ꎬ整体结构较为复杂ꎮ
对此ꎬ研究一种能够适应核岛仪用压缩空气小流量的运行特性㊁最大限度适应当前仪表和管线布置情况㊁减小压缩空气的压力损失㊁满足ＥＰＰ系统精度和稳定性要求的换型方案极为必要ꎮ
表１㊀ＣＰＲ１０００阳江核电站１＃~３＃号机组ＳＡＲ００１ＭＤ异常事件记录
Ｔａｂ.１㊀ＣＰＲ１０００ＹＪｎｕｃｌｅａｒｐｏｗｅｒｐｌａｎｔｕｎｉｔ１＃~３＃ＳＡＲ００１ＭＤａｂｎｏｒｍａｌｅｖｅｎｔｒｅｃｏｒｄｓ
通知单功能位置描述
创建日期２００００２４２８６２６ＹＪ￣３￣３４￣ＳＡＲ￣００１ＭＤ３ＳＡＲ００１ＭＤ运行过程中每隔１５ｍｉｎ出现有规律归零２０１５１００６２００００２４２８６６５ＹＪ￣３￣３４￣ＳＡＲ￣００１ＭＤ３ＳＡＲ００１ＭＤ维修合格后ꎬ再次出现异常２０１５１００６２００００２３８９４８９ＹＪ￣３￣３４￣ＳＡＲ￣００１ＭＤ３ＳＡＲ００１ＭＤ出现异常归零现象２０１５０９１８２００００２３６６２７０ＹＪ￣１￣３４￣ＳＡＲ￣００１ＭＤ１ＳＡＲ００１ＭＤ异常上涨２０１５０９０７２００００２２９４２６７ＹＪ￣３￣３４￣ＳＡＲ￣００１ＭＤ３ＳＡＲ００１ＭＤ大幅度波动
２０１５０８０３２００００２２５６１７２ＹＪ￣２￣３４￣ＳＡＲ￣００１ＭＤ２ＳＡＲ００１ＭＤ投运后流量从１１Ｎｍ３/ｈ逐渐上升至２７Ｎｍ３/ｈ２０１５０７２５２００００２２４３９４３ＹＪ￣３￣３４￣ＳＡＲ￣００１ＭＤ３ＳＡＲ００１ＭＤ示数异常归零２０１５０７１９２００００２２２１５５８ＹＪ￣２￣３４￣ＳＡＲ￣００１ＭＤ２ＳＡＲ００１ＭＤ示数偏低２０１５０７０７２００００２０３５３４３ＹＪ￣２￣３４￣ＳＡＲ￣００１ＭＤ２ＳＡＲ００１ＭＤ读数怀疑异常２０１５０５１０２００００２０３５４１１ＹＪ￣２￣３４￣ＳＡＲ￣００１ＭＤ２ＳＡＲ００１ＭＤ多次出现持续几分钟显示为零的现象２０１５０５１０２００００１９３８８７２ＹＪ￣１￣３４￣ＳＡＲ￣００１ＭＤ１ＳＡＲ００１ＭＤ无示数
２０１５０３２６２００００１７００４５２
ＹＪ￣２￣３４￣ＳＡＲ￣００１ＭＤ
２ＳＡＲ００１ＭＤ输出信号异常
２０１４１１２４
９
自㊀动㊀化㊀仪㊀表第４０卷
２㊀ＳＡＲ００１ＭＤ换型研究
针对气体流量测量ꎬ除涡轮流量计外ꎬ在工业领域
应用较广泛的还有差压式流量计㊁涡街流量计㊁超声波
流量计以及直接测量质量流量的热式质量流量计[３]ꎮ２.１㊀差压式流量计换型研究
差压式流量计测量原理以伯努利方程为基础ꎮ当
气体流经如孔板㊁锥形管等节流元件时ꎬ在节流元件附
近形成局部收缩㊁流速增快ꎬ在节流元件前后形成压
差[４]ꎮ压差的平方根与流量成正比ꎬ测量公式为:
Ｑ＝ＫΔＰ(３)式中:Ｑ为流体流量ꎻＫ为测量系数(与节流元件孔径㊁流体特性等参数有关)ꎻΔＰ为孔板前后差压ꎮ
在核电领域ꎬ孔板式差压流量计应用广泛ꎬ但主要
应用于液体流量测量领域ꎮ根据式(４)可知ꎬ在小流
量情况下ꎬ流量测量值对ΔＰ的变化非常敏感ꎬ故差压
式流量计普偏量程比偏小ꎬ一般仅为３ʒ１至４ʒ１ꎬ在小
流量范围内测量精度无法保证ꎮ工程应用领域甚至大
多会作小流量切除ꎮ同时ꎬ差压式流量计受节流装置
影响ꎬ对流体压损很大ꎬ需要对节流元件前后增加取压
管线ꎮ这也进一步增加了现场改造量ꎮ
２.２㊀涡街流量计换型研究
涡街流量计与涡轮流量计均属速度式流量计ꎬ其
测量原理以卡门漩涡原理为基础ꎮ在流体中设置三角
柱型旋涡发生体ꎬ从旋涡发生体两侧交替地产生有规
则的旋涡ꎮ这种旋涡称为卡门旋涡ꎮ在一定雷诺数范
围内ꎬ稳定的漩涡产生频率ｆ与流体流速ｖ有确定关
系ꎮ当管道内径及漩涡发生体的形状和尺寸确定后ꎬ
可采用简化的实用流量方程:
Ｑ
ｖ
＝ｆＫ(４)式中:Ｑｖ为被测流体体积流量ꎬｍ３/ｓꎻｆ为脉冲信号频率ꎬＨｚꎻＫ为仪表系数ꎬＰ/ｍ３ꎬ一般通过试验测得ꎮ涡街流量计结构简单稳固㊁量程比大㊁精度高㊁压损小ꎻ但其对安装要求很高ꎮ表２为涡街流量计根据管道布置情况对上下游等径直管段的一般要求ꎮ根据图１所示ꎬ仪表上游的管道布置存在于不同平面的两个ø９０ʎ弯头ꎬ所以若换型为涡街流量计ꎬ其上游应至少保持４０Ｄꎬ即１０００ｍｍ的等径直管段长度ꎬ远超原涡轮流量计上游ＣＤ段的实际长度(３００ｍｍ)ꎮ因此ꎬ要重新大范围调整仪表上游管道和阀门的布置ꎬ这极大地增加了额外改造工作和改造成本ꎮ
表２㊀涡街流量计安装要求
Ｔａｂ.２㊀Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｖｏｒｔｅｘｆｌｏｗｍｅｔｅｒｓ管道情况㊀㊀㊀㊀上游下游
同心收缩管全开闸阀１５Ｄ５Ｄ
ø９０ʎ直角弯头２０Ｄ５Ｄ
同平面两个ø９０ʎ弯头２５Ｄ５Ｄ
半开闸阀调节阀５０Ｄ５Ｄ
不同平面两个ø９０ʎ弯头４０Ｄ５Ｄ
带整流管束１２Ｄ５Ｄ２.３㊀超声波流量计换型研究
超声波流量计工作原理为:在流体流道两侧安装两个超声波发生器ꎬ超声波入射到管道流体中ꎬ顺流传播时间与逆流传播的时间之差与流体的流速有确定的对应关系ꎮ这样可根据该时间差的测量来推算流体流速ꎬ进一步通过温度和压力补偿转换为流体的质量流量ꎮ超声波流量计最大的优势为非接触式仪表ꎬ对流体无压力损失ꎮ但超声波流量计测量精度普遍偏低ꎬ对探头入射角度安装要求很高ꎬ抗振及抗干扰能力较差ꎬ仪表故障率较高ꎮ同时ꎬ由于探头与管道接触面涂抹有耦合剂ꎬ在高温㊁潮湿等环境下容易导致耦合剂失效[５]ꎮ综合上述原因ꎬ超声波流量计的应用受到较大限制ꎬ一般应用于大管径㊁高流速㊁精度要求较低的液体流量测量ꎮＣＰＲ１０００核电站海水循环泵出口流量测量(ＳＥＣ００１ＭＤ)采用超声波流量计ꎮ针对核岛仪用压缩空气的小流量特点ꎬ超声波流量计在精度和稳定性方面都无法保证ꎮ
２.４㊀热式质量流量计换型分析及选型总结
热式质量流量计是一种虽起步较晚㊁但发展迅速的流量计ꎮ其采用热扩散原理ꎬ能够直接测量气体的质量流量ꎬ而无需温度㊁压力补偿ꎬ并且具有量程比高㊁对微小流量测量响应快㊁精度高㊁结构稳固㊁安装简单㊁无移动部件㊁对流体压力损失小等特点ꎮ目前ꎬ其在国内外液体及气体流量测量领域的应用越来越广泛ꎮ插入式热式质量流量计由两个铂电阻温度传感器以及补偿电路构成:其中一个铂电阻用于测量流体自身温度Ｔ２ꎬ称为测温探头ꎻ另一个铂电阻由补偿电路加热至Ｔ１(
高于环境温度)ꎬ称为测速探头ꎮ热式质量流量计结构如图３所示ꎮ
图３㊀热式质量流量计结构图
Ｆｉｇ.３㊀Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｒｍａｌｍａｓｓｆｌｏｗｍｅｔｅｒ
０１
第１０期㊀ＣＰＲ１０００核岛仪用压缩空气流量测量仪表换型研究及实践㊀徐㊀颖ꎬ等
测温探头一般放置于测速探头上游ꎬ并与测速探头保持一定距离ꎮ当流体流经铂电阻时ꎬ测速探头在补偿电路加热的作用下ꎬ其温度Ｔ１高于周围气体环境温度ꎮ在热扩散作用下ꎬＴ１下降ꎮ故根据热效应的金氏定律ꎬ测速探头的耗散功率Ｐ(加热功率)㊁测速探头与测温探头的温差ΔＴ及质量流量Ｑｍ的关系如下:
Ｐ
ΔＴ＝Ａ＋ＢＱＫｍ(５)式中:Ａ㊁Ｂ㊁Ｋ均为与气体物理性质(如热导率㊁比热容㊁黏度等)有关的系数[６]ꎮ
工业领域一般设计有两种热式质量流量计:一种为恒功率热式质量流量计ꎬ即保持测速探头加热功率Ｐ不变ꎬ通过测量探头间温差ΔＴ来获得质量流量值ꎻ另一种为恒温差热式质量流量计ꎬ即保持ΔＴ不变ꎬ通过电路自动补偿的加热功率Ｐ来获得质量流量值ꎮ恒温差热式质量流量计为保持对温度的快速响应和恒㊀㊀㊀㊀定温差ꎬ其铂电阻一般做得比较细ꎮ受电路电源功率及铂电阻通流能力影响ꎬ故其最大测量值受限ꎬ适用于小管径小流量工况ꎮ而恒功率式热式质量流量计铂电阻设计较粗ꎬ所以其可测流量较大ꎬ并且适用于脏湿介质ꎮ但其响应偏慢ꎬ在小流量工况下测量精度较差ꎬ适用于大管径大流量工况ꎮ综合上述分析ꎬ针对核岛仪用压缩空气流量小㊁介质干净等特点ꎬ相对于恒功率热式质量流量计ꎬ恒温差热式质量计明显更适合作为换型仪表ꎮ２.５㊀换型总结
总结上述章节的差压式流量计㊁涡街流量计㊁超声波流量计㊁热式质量流量计换型研究ꎬ综合比较小流量测量精度㊁量程比㊁适用范围㊁管道布置要求㊁温压补偿等多方面因素ꎬ可得各类型流量计对比分析如表３所示ꎮ最终ꎬ恒温差热式质量流量计以其小流量测量精度高㊁适用范围广㊁量程比高㊁压损小㊁无需温压补偿㊁管道布置匹配性强㊁改造工程量小等显著优势ꎬ被确定为换型仪表[７￣８]ꎮ
表３㊀各类型流量计对比分析
Ｔａｂ.３㊀Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｅａｃｈｔｙｐｅｏｆｆｌｏｗｍｅｔｅｒ
项目孔板流量计涡街流量计超声波流量计恒温差热式质量流量计量程比１ʒ３(４)１ʒ２０１ʒ４０~１６０１ʒ１００
压损大小无无
是否需要温压补偿是是是否
小流量测量精度低高低高
上下游直管段要求上游５Ｄꎬ下游３Ｄ上游４０Ｄꎬ下游５Ｄ上游１０Ｄꎬ下游５Ｄ上游８Ｄꎬ下游４Ｄ
对涡流敏感度很敏感很敏感不敏感不敏感
对流速分布敏感度很敏感很敏感不敏感不敏感测脉动流不适合不适合适合适合
测双向流不能不能可以可以
测量湿气不能不能可以可以
３㊀恒温差热式质量流量计换型实践
经市场调研及应用情况考察ꎬＣＰＲ１０００核电站最终选用ＦＯＸ公司的ＦＴ３型恒温差热式气体质量流量计ꎬ具体型号为ＦＴ３￣１０Ｆ￣ＳＳ￣ＳＴ￣Ｅ１￣ＤＤ￣Ｂ０￣Ｇ１ꎬ流量测量范围为０~６０Ｎｍ３/ｈꎬ量程比为１ʒ１００ꎬ温度范围为０~５０ħꎬ压力范围为２００~１０００ｋＰａꎮ
３.１㊀管道改造
ＦＴ３型热式质量流量计长度为３０５ｍｍꎬ管径为㊀㊀㊀㊀㊀２５ｍｍꎬ换型后仪表长度比改造前涡轮流量计长度增加１７５ｍｍꎬ管径保持不变ꎬ连接方式依然为水平法兰连接ꎮ根据ＦＯＸ公司ＦＴ３型热式质量流量计设备运行与维护手册要求ꎬ必须在仪表上游至少保持８倍管径㊁下游保持４倍管径ꎮ所以改造实施中ꎬ将上游直管段切割５０ｍｍꎬ下游直管段切割１２５ｍｍꎮ㊀
换型前后的上下游直管段数据对比如表４所示ꎮ
表４㊀换型前后上下游直管段对比
㊀㊀㊀Ｔａｂ.４㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｕｐｓｔｒｅａｍａｎｄｄｏｗｎｓｔｒｅａｍｓｔｒａｉｇｈｔｓｅｃｔｉｏｎｓｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｔｙｐｅｃｈａｎｇｅ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ｍｍ流量计流量计长度管径长度上游直管段长度下游直管段长度涡轮流量计(换型前)１３０２５约３００约３００
热式质量流量计(换型后)３０５２５约２５０约１７５
１１
自㊀动㊀化㊀仪㊀表
第４０卷
㊀㊀切割后ꎬ直管段长度能够满足选型质量流量计上
下游直段管要求ꎮ
由于热式质量流量计测量值直接为质量流量ꎬ无需温度和压力补偿ꎬ所以原温压补偿仪表ＳＡＲ００１ＭＰ/ＳＡＲ００１ＭＰ在仪表换型后可取消ꎮＳＡＲ００１ＭＰ取消后ꎬ仪表引压管可用１/２堵头焊接封堵ꎮＳＡＲ００１ＭＴ采用插入式热电阻测量ꎬ取消后取样口使用３/８实心ＢＯＳＳ头焊接封堵ꎬ封堵材质均为碳钢ꎮ换型后ꎬ
ＳＡＲ００１ＭＤ安装图如图４所示ꎮ而未完成施工项目可以在施工设计中直接取消ＳＡＲ００１ＭＰ/ＳＡＲ００１ＭＴꎬ将大大简化管道布置ꎬ降低整体成本
ꎮ
图４㊀ＳＡＲ００１ＭＤ安装图(换型后)
Ｆｉｇ.４㊀ＩｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｏｆＳＡＲ００１ＭＤ(ａｆｔｅｒｔｙｐｅｃｈａｎｇｅ)
３.２㊀电源改造及信号分配换型后ꎬＳＡＲ００１ＭＤ测量系统整体结构如图５
所示
ꎮ
图５㊀ＳＡＲ００１ＭＤ测量系统整体结构图(换型后)Ｆｉｇ.５㊀ＯｖｅｒａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＳＡＲ００１ＭＤｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ
(ａｆｔｅｒｔｙｐｅｃｈａｎｇｅ)
由于热式质量流量计测速探头需要反馈电路持续加热ꎬ根据ＦＴ３热式质量流量计设备运维手册ꎬＦＴ３￣１０Ｆ￣ＳＳ￣ＳＴ￣Ｅ１￣ＤＤ￣Ｂ０￣Ｇ１供电电压要求(２４ʃ
１０％)ＶＤＣꎬ平均电流约为０.７Ａꎬ平均功耗约为１６.８Ｗꎮ相对原涡轮流量计ꎬ需要单独提供电源ꎮ具体实施方式如下ꎮ在现场仪表房间增加一台电源柜ＳＡＲ９０１ＣＲ及相关电源转换模块ꎬ上游电源取至
２２０ＶＡＣ不间断电源ＬＮＥꎬ通过电源转换模块转换为２４ＶＤＣ后为热式质量流量计供电ꎮ电源转换模块型号选用施耐德ＡＢＬ８ＭＥＭ２４０１２ꎬ其输出电流为１.２Ａꎬ
额定功率为３０Ｗꎬ满足ＦＴ３热式质量流量计供电要求ꎮ
ＳＡＲ００１ＭＤ初始选型涡轮流量计输出信号为脉冲频率信号ꎮＣＰＲ１０００示范项目岭澳二期核电站ＮＣ级ＤＣＳ采用西门子ＳＰＰＡＴ２０００平台ꎬ而其他ＣＰＲ１０００项目目前均采用国产ＨＯＬＬｉＡＳＭＡＣＳ６平台ꎮＳＰＰＡＴ２０００平台无单独处理频率信号的卡件ꎬ所以需要设置ＰＬＣＩ/Ｏ模块向涡轮流量计提供２４ＶＤＣ供电ꎬ并将其输出的频率信号转换为４~２０ｍＡ标准电流信号ꎮ转换后的标准电流信号最终被ＳＰＰＡＴ２０００平台ＦＵＭ２３０电流输入模块采集ꎮＨＯＬＬｉＡＳＭＡＣＳ６平台单独开发有采集和处理频率信号的卡件ＮＭ６４０ꎬ频率测量范围为０~７ｋＨｚꎬ满足涡轮流量计输出信号测量要求ꎬ故无需设置ＰＬＣＩ/Ｏ转换模块ꎮ涡轮流量计换型为热式质量流量计后ꎬ仪表输出信号为４~２０ｍＡ标
准电流信号ꎮ岭澳二期ＳＰＰＡＴ２０００平台可直接通过ＦＵＭ２３０卡件采集ꎬ取消原ＰＬＣＩ/Ｏ接口ꎮ国产ＨＯＬＬｉＡＳＭＡＣＳ６平台则通过电流输入模块ＮＭ４８０卡件采集ꎮＤＣＳ组态中ꎬ如图２所示的原温压补偿组态可全部删除ꎬ逻辑组态将得到很大简化ꎮ３.３㊀应用情况
ＳＡＲ００１ＭＤ换型改造首先在ＣＰＲ１０００示范项目
岭澳二期核电站完成ꎬ是热式质量流量计在ＣＰＲ１０００
核电站的首次应用ꎮ换型后ꎬ热式质量流量计应用情况良好ꎮ后续可将其逐渐推广至红沿河/阳江/防城港等其他ＣＰＲ１０００核电站ꎬ同时也为三代核电站小流量气体流量测量的设计选型提供了良好反馈ꎮＡＰ１０００三门核电站针对放射性废气处理系统㊁仪用压缩空气系统㊁主控室应急可居留系统气体流量测量便选用了ＤｅｌｔａＭ公司ＴＭ６０００系列恒温差热式质
量流量计ꎮ
４㊀结束语
基于核岛仪用压缩空气小流量的运行特点ꎬ初始选型涡轮流量计受量程比低及涡轮始动流量影响ꎬ并不适用于小流量气体流量的测量ꎬ导致应用过程中测量值波动幅度大㊁频繁归零等异常情况ꎬ无法保障安全壳泄漏率监测的稳定性和准确性要求ꎮ本文对流量测量领域应用较广泛的差压式流量计㊁涡街流量计㊁超声㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
(下转第１７页)
２１
第１０期㊀基于ＦｉｒｍＳｙｓ平台的核电厂成组控制研究及应用㊀孙月亮ꎬ等
有配置方案的偏差设置统一的复位按钮ꎬ以此来复位故障报警
ꎮ
图９㊀防城港３号机组成组指令控制的人机界面示意图Ｆｉｇ.９㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｇｒｏｕｐｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ
ｂｙＨＭＩｉｎＦＣＧｕｎｉｔ３
４　结束语
防城港二期工程单个机组的现场设备近千个ꎬ完全依靠手动或自动的单个设备控制ꎬ不利于设备的定位ꎬ甚至会造成操作响应动作滞后ꎮ成组控制功能的应用不仅提高了操作效率保证了设备及时响应ꎬ而且降低了操作员的操作负担ꎮ本文针对成组控制中典型的成组模式㊁成组指令和成组配置功能进行了初步分析ꎬ提出基于ＦｉｒｍＳｙｓ平台的实现方案ꎮ由于首次应㊀㊀㊀㊀㊀
用成组控制方案ꎬ仍有不足之处需经过后续的测试和调试继续进行优化ꎮ该研究可为其他核电厂的成组控制提供借鉴ꎮ
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(上接第１２页)
波流量计㊁热式质量流量计进行换型研究ꎮ其中:差压式流量计由于压损大㊁小流量测量精度低㊁额外改造工作量大而被否定ꎬ涡街流量计由于直管段长度要求高而被否定ꎬ超声波流量计由于精度低㊁稳定性差等因素而被否定ꎮ最终ꎬ恒温差热式质量流量以其精度高㊁量程比高㊁压损小㊁安装简单㊁改造工作量小㊁无需温压补偿等显著优势而被确定为换型仪表ꎮ这也是热式质量流量计在ＣＰＲ１０００核电站的首次应用ꎮ换型后的热式质量流量计取消了温压补偿仪表和后端ＤＣＳ补偿组态ꎬ大大简化了测量系统结构及仪表和管道布置ꎬ运行稳定㊁测量值波动幅度大幅减小㊁异常归零现象未再发生ꎮ该设计有效保障了安全壳泄漏率监测的准确性和稳定性ꎬ为操作员对机组的判断提供了良好保障ꎬ降低了由于仪表频繁故障而带来的运行和维修成本ꎬ同时为后续三代核电
站仪表选型提供了借鉴ꎮ
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