摘要(yao):核電機組(zu)正常運行(háng)過程中需(xū)要控制好(hao)核島内外(wài)差㊙️壓,而島(dǎo)内氣動控(kong)制設備的(de)用氣量是(shì)影響内外(wài)差壓的重(zhong)😘要因素,因(yin)㊙️此需要對(duì)該用氣量(liang)進行準确(què)而☔穩定的(de)♈計量。原 渦(wō)輪流量計(ji) 在使用過(guo)程中波動(dòng)比較大,不(bu)能滿足現(xian)場要求。詳(xiáng)細論述了(le)熱式質量(liang)流量計 在(zài)核島儀用(yong)氣源系統(tong)中的改造(zao)過程,通過(guo)改造前後(hòu)測量🌈值曲(qǔ)線的對比(bi),可以發現(xian)熱式質量(liang)流量在微(wei)小流量工(gong)況🤟下的穩(wěn)定性、正确(que)率等指标(biāo)均優于渦(wo)輪流量計(jì)。
1引言
　　熱式(shi)質量流量(liàng)計是采用(yòng)熱擴散原(yuán)理直接測(ce)量氣體🏃質(zhì)量的流量(liàng)計[1],無須溫(wēn)度和壓力(li)補償,同時(shí)可以測量(liang)介質的溫(wēn)度,與其他(tā)常用流量(liàng)計相比,具(jù)有量程比(bi)寬👈、抗振性(xìng)♊能好、低流(liú)速時輸出(chu)信🛀🏻号靈敏(min)度高🔆等特(te)點[2]。
　　由于核(hé)電項目的(de)特殊性,核(hé)島内主要(yào)使用容積(ji)式流量計(jì)和㊙️葉輪式(shi)流量計來(lai)進行氣體(tǐ)流量測量(liàng),如渦輪流(liu)量計、 浮子(zǐ)式流量計(jì) 和 旋進旋(xuán)渦流量計(jì) 等,較少使(shi)用質量流(liu)量計。防城(cheng)港核電站(zhàn)1号機儀表(biǎo)壓縮空氣(qì)分配系統(tǒng)(SAR)氣源管道(dào)上流量計(jì)SAR001MD原型号爲(wei)渦輪流量(liàng)計,在☂️使用(yòng)🎯過程中發(fā)現小流量(liang)工況下該(gai)類型流📞量(liang)計測✍️量不(bu)準确,波動(dong)頻繁,線性(xìng)度較差等(děng)問題。通過(guo)分析系統(tǒng)狀況及各(ge)類型流量(liàng)計特點,現(xiàn)💯場嘗試使(shǐ)用熱式質(zhi)量流量計(jì)對原渦輪(lun)流量計進(jin)行了改造(zào),改造後的(de)測量值波(bo)🌈動幅度大(da)幅減小,沒(mei)有回零現(xian)象發生。
2熱(rè)式質量流(liú)量計原理(lǐ)及特點簡(jian)介
　　熱式質(zhi)量流量計(jì)基于熱擴(kuò)散原理,其(qí)典型傳感(gan)器元件包(bāo)💔括兩個鉑(bo)熱電阻,當(dang)這兩個熱(rè)電阻被置(zhì)于流體中(zhong)時,其中一(yī)個👈被加熱(rè),另外一個(ge)用于測量(liàng)介質溫度(du),兩個 熱電(diàn)阻 之間的(de)溫差與過(guò)程流速及(ji)過程機制(zhì)的性質有(you)關[3],根🚩據測(cè)量方式的(de)不同又分(fen)爲恒溫差(cha)法[4]、恒功率(lü)法[5]。生産的(de)屬于插入(ru)式📐恒溫差(cha)法流量計(jì),即保持兩(liǎng)個熱電阻(zǔ)♈之間的🐕溫(wēn)差恒🔴定,利(lì)用🧑🏽‍🤝‍🧑🏻金氏定(dìng)🈲律可推導(dǎo)出加熱功(gōng)率與流量(liang)間👈的關系(xi)如🚶下[6]:
P=△T[λ+2(πλcvρUd)1/2]/f
　　式中(zhong):P-消耗的電(dian)功率,瓦;λ-流(liu)體的熱導(dǎo)率,J/h·m·K;cv-定容比(bi)熱容,J/kg·K;ρ-流體(tǐ)的密度,kg/m3;U-流(liú)體的流速(sù),m/h;d-熱電阻直(zhí)徑,m;f-常數。從(cong)上式可看(kan)🈚出當保持(chi)加熱電阻(zǔ)和測溫電(dian)阻之間的(de)溫差△T不變(biàn)時,加熱電(diàn)阻上的功(gong)率P與U1/2成正(zhèng)比。
流量計(ji)具有如下(xià)特點:
(1)儀表(biao)以标準單(dan)位測量氣(qi)體質量流(liu)量而無須(xu)溫度及壓(ya)力補償💁,同(tóng)時可以測(cè)量過程氣(qì)體溫度。多(duo)種計量單(dān)位可現場(chang)選擇(SCFM,SFPM,Nm3/h,kg/h等);
(2)兩(liang)路隔離4～20mA輸(shu)出;100Hz,5～24V隔離脈(mo)沖流量輸(shū)出,最大10mA;USB接(jie)口連接PC端(duan)FoxView軟件查看(kàn)、設置、校準(zhǔn)、數據記錄(lù)等功能;HART和(hé)RS485Modbus可選;
(3)采用(yòng)Cal-VTM在線驗證(zheng)校準功能(neng):該功能是(shi)可以在線(xian)原位校準(zhun)流量計準(zhun)确度,測試(shì)傳感器功(gōng)能性和相(xiàng)關信🏃号處(chù)♍理電路,隻(zhī)需一個按(an)鍵即可。在(zài)測試結束(shu)後,流⛷️量計(jì)會顯示成(chéng)功或失敗(bai)信息并存(cun)儲Cal-VTM校驗數(shu)據以便随(suí)時查看。在(zai)測試過程(cheng)中,流量計(ji)的微處理(lǐ)器調節信(xìn)号傳感器(qi)的信号,并(bìng)判斷其電(dian)氣特性,将(jiang)這些數據(jù)與流量🐅計(jì)電子單元(yuan)中存儲的(de)出廠标定(ding)數據對比(bi),如數據在(zài)容差範圍(wéi)内,則表明(ming)流量計測(cè)量準👌确💃🏻。
(4)測(ce)量範圍:0.07～71Nm3/h;
(5)測(ce)量精度:空(kong)氣±1%的讀數(shu),±0.2%的滿量程(chéng);其他氣體(tǐ)±1.5%的讀數,±0.5%的(de)滿量💁程;
(6)響(xiǎng)應時間:0.9秒(miao);
(7)量程比最(zui)高1000:1,典型100:1;
(8)安(ān)裝時,上遊(you)至少大于(yú)等于8個管(guan)徑,下遊大(da)于等于😘4個(ge)管徑;
(9)供電(dian):标準24VDC,±10%,0.75A;可選(xuan)220VAC,50Hz,20W功率。
3應用(yòng)
3.1工藝系統(tǒng)簡介
　　核電(dian)機組在正(zhèng)常運行期(qi)間,需保持(chí)安全殼内(nei)與外部大(dà)氣之間的(de)潛在過壓(yā)應小于60mbar,如(ru)超過60mbar則需(xu)采取✏️措施(shī)🐅進行降壓(ya)處理。影響(xiǎng)安全殼内(nei)部壓力變(biàn)化的因素(sù)有殼内氣(qì)動控制設(shè)備的工作(zuo)排氣和漏(lòu)氣、殼内外(wai)壓差導緻(zhì)貫穿😘件的(de)洩漏等,其(qi)中氣動控(kòng)制設備的(de)工作排氣(qi)或漏氣是(shi)導緻核反(fǎn)應堆廠房(fang)内壓力上(shang)升的主要(yao)因素。根據(ju)核電站儀(yi)用壓縮空(kong)氣分配系(xi)統流🎯程圖(tu)(下☂️圖1),可知(zhī)監視安全(quan)殼内氣動(dong)控制設備(bèi)所需壓縮(suo)空氣總量(liang)的流量計(ji)爲1SAR001MD,測量信(xìn)号直接送(song)至DCS。正💛常運(yun)行時系統(tǒng)參數♉如下(xia):7.81-10bar,雜質:<1μm,含量(liàng):≤0.01mg/m3,接口管徑(jing)33.4×2.77,要求儀表(biǎo)量☀️程0-10Nm3/h。

　　原設(shè)計供貨的(de)流量計爲(wèi)法國福爾(er)赫曼公司(sī)生産的渦(wo)輪流量計(jì),型号爲:TGN25G6.5(150#)帶(dai)前置放大(dà)器FH710,量程爲(wei)2-10Nm3/h。渦輪流量(liang)計對被測(cè)介質的潔(jié)⛷️淨度、上下(xià)遊直管段(duàn)要求都比(bi)較高,适宜(yí)用在壓力(li)變化🍓不大(dà)、流速比較(jiào)穩定♉,需要(yào)精确✂️計量(liàng)物料總量(liang)的場所。實(shí)際使用過(guò)程中🔞發現(xian)渦輪流量(liàng)計波動比(bǐ)較大,并有(yǒu)歸零現象(xiàng)發生,流量(liang)曲線如下(xia)圖2所示,其(qí)在DCS裏💚面的(de)組态如下(xià)圖3所示,計(ji)算公式如(ru)下:

　　式中:QN-換(huan)算後标準(zhǔn)狀态下流(liú)量,Nm3/h;QAV-現場流(liu)量計上傳(chuan)到🤟DCS的流量(liàng)💔值✊,m3/h;TN-标準狀(zhuang)态下溫度(du)值,K;PAV-現場實(shí)測壓力,MPα;TAV-現(xian)場實測溫(wēn)度值,K;PN-标💰準(zhǔn)狀态下壓(yā)力,MPα;ZN、Z-修正系(xi)數,約等于(yu)1。儀控氣源(yuan)管路正常(cháng)運行時壓(ya)力爲0.8MPa左右(you),由上述計(jì)算🏃‍♀️公式可(ke)知管道内(nei)實際流量(liang)會小于2m3/h,低(dī)于儀表的(de)最小量程(chéng)要求,現場(chang)将渦輪流(liú)量計拆下(xia)🏃‍♂️後對其重(zhòng)新進行了(le)校驗,發現(xian)當流量低(di)于1.5m3/h時,流量(liang)計線性比(bǐ)較差,不能(neng)滿足現場(chǎng)要求。現場(chang)氣動設備(bèi)的頻繁動(dòng)作也會導(dǎo)緻整個管(guǎn)路🈚的壓力(li)波動比較(jiào)明顯,從而(er)影響流量(liàng)計的穩定(ding)測量。
　　考慮(lü)到現場工(gōng)況比較特(te)殊,正常運(yùn)行時用氣(qì)量比較小(xiǎo)♊,壓力波動(dong)比較大,測(ce)量範圍比(bi)較寬,對儀(yí)表的精度(du)要求比較(jiào)高,通過分(fèn)析比較各(ge)類流量計(jì)的特點後(hòu)決定采用(yòng)熱式質量(liàng)流量計對(duì)渦輪流量(liàng)計進行換(huàn)型改☀️造。


3.2改(gǎi)造過程
3.2.1管(guǎn)路改造及(jí)電源改造(zào)
　　選用的質(zhì)量流量計(jì)型号爲:FT3-10F-SS-ST-E1-DD-B0-G1,改(gǎi)造前後流(liú)量變送器(qì)安裝方式(shi)㊙️不變,均爲(wèi)法蘭連接(jie),管徑尺寸(cùn)也不變,爲(wei)滿足流量(liang)計對上下(xià)遊直😍管段(duàn)的要求,需(xū)對上下遊(you)🤟管道進行(hang)改造❤️,改造(zao)前後上下(xia)遊直管段(duan)參數詳見(jiàn)♌下表1:

　　熱式(shì)質量流量(liàng)計需要單(dān)獨提供24VDC直(zhi)流電源,因(yīn)此需要增(zēng)加1面220VAC轉24VDC的(de)就地電源(yuan)箱。表頭處(chù)接線如下(xià)圖4所😘示,右(you)側接㊙️24VCD電源(yuán)線來自就(jiu)地電源箱(xiang),左側接信(xin)号線送至(zhi)DCS。Fox熱式流量(liàng)計的4-20mA輸出(chu)均爲無源(yuán)輸出,需DCS側(cè)提供額外(wài)的24VDC電源,改(gǎi)造後的流(liú)量計💜無須(xū)壓力和溫(wen)度補償。
3.2.2DCS側(ce)接線及邏(luó)輯修改
　　現(xian)場過來的(de)4-20mA流量信号(hao)先送隔離(lí)模塊NM3480,然後(hou)通過内部(bu)數據通✉️信(xin)送至8通道(dao)輸入模塊(kuai)NM480,信号采集(jí)流程圖如(rú)下💚圖5所示(shì)。通過專用(yong)25芯預制電(diàn)纜與NM480模塊(kuài)配套使用(yong),實現現場(chǎng)電流信号(hào)到功能模(mó)塊的相互(hu)轉接與傳(chuán)遞。根據㊙️是(shi)否需要DCS提(ti)供電源以(yi)及有無電(dian)流限制💋,NM3480模(mó)塊有4種接(jiē)線模式可(kě)供🌈選擇,SAR001MD信(xin)号接An、Bn端子(zǐ),表示需DCS供(gòng)電且有電(diàn)流✉️限制。

　　NM480是(shì)8通道路間(jian)隔離型電(diàn)流輸入模(mó)塊,通過64針(zhēn)歐式連接(jiē)器與機籠(long)底闆連接(jie),配合端子(zi)模塊實現(xiàn)8通道路間(jiān)隔離的電(diàn)流信号采(cǎi)集。NM480支持Profibus-DP協(xie)議,作爲從(cóng)站與DP主站(zhan)(主控制器(qi))完成數據(jù)交換。NM480模塊(kuài)依靠64針歐(ou)式連接器(qi)從端子模(mo)塊經機籠(long)底闆輸入(rù)8路現場⛹🏻‍♀️電(dian)流信号,電(diàn)壓信号經(jīng)過過壓保(bǎo)護與信号(hào)調理電路(lù)進入A/D轉🐇換(huan)電路,之後(hou)将采集的(de)數據經光(guāng)電隔離後(hòu)送入微控(kong)制器進行(háng)數據🈲處理(lǐ),最🔆終通過(guò)Profibus-DP現場總線(xiàn)将數據上(shàng)傳到主控(kong)制器。NM480模🥰塊(kuài)的微控制(zhì)器及通♌訊(xùn)電路部分(fèn)由系統輸(shū)入的5V電源(yuan)供電;通道(dao)采集電路(lù)部♍分由系(xi)統輸入的(de)24V電源經8路(lù)相互隔離(lí)的DC/DC轉換🐆爲(wei)5V電源供電(diàn)。


　　由(you)于熱式質(zhì)量流量計(jì)以标準單(dan)位測量氣(qi)體流量而(ér)㊙️無需額外(wài)的溫度壓(ya)力補償,同(tóng)時可以測(cè)量過程㊙️氣(qì)體溫度,因(yin)此☎️需要在(zai)DCS内🌈對相關(guan)邏輯進行(háng)修改,改造(zào)前後的邏(luo)輯詳見上(shàng)圖3和下圖(tu)6,從下⭐圖可(ke)以看出🈲改(gai)造後的邏(luo)輯删掉㊙️了(le)溫度和壓(ya)力修正,現(xian)場送過💁來(lai)的4-20mA信号即(ji)爲測得的(de)标準流量(liang)信号。
3.3改造(zào)後效果
　　現(xiàn)場使用熱(rè)式質量流(liú)量計完成(chéng)改造後的(de)流量曲線(xiàn)如下圖7所(suǒ)示,對比原(yuan)流量計曲(qǔ)線(上圖2),可(kě)發現曲線(xian)變化比較(jiao)平緩,整體(ti)波動較小(xiao),測量值在(zài)8Nm3/h上下10%範圍(wéi)内小幅振(zhèn)動,滿足現(xiàn)🌐場計量要(yào)求。
4結束語(yǔ)
　　熱擴散原(yuán)理是一種(zhong)易安裝、低(dī)維護的氣(qì)體流量測(cè)量🚩方🙇‍♀️式,熱(re)💯式質量流(liu)量計以其(qi)重複性好(hao)、靈敏度高(gāo)、操作簡單(dān)等特點在(zai)工業領域(yù)得到了廣(guang)泛的應用(yòng)🌏。核島儀控(kong)用氣源管(guan)道‼️流量計(jì)☂️在使用熱(re)式質量流(liú)量計進行(hang)成功改造(zao)後,運行平(píng)穩,滿足了(le)現場精度(dù)要求和控(kòng)制要求,經(jing)過一年多(duō)時間的觀(guān)察,在測量(liàng)📞微小流量(liàng)氣體情況(kuang)下無論在(zài)精度、安裝(zhuang)、維護等方(fang)面都由于(yú)渦輪流量(liàng)計。

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