摘(zhāi)要:核電機組(zǔ)正(zhèng)常運行(háng)過(guò)程中需要控制好核島内外差壓,而島内氣動控制(zhì)設備的(de)用氣量(liàng)是影(yǐng)響内(nèi)外差(chà)壓的重(zhòng)要(yào)因素(sù),因此(cǐ)需要對該(gāi)用氣量進行準(zhǔn)确而(ér)穩定的計(jì)量。原(yuán) 渦輪流量(liàng)計 在使用過程(chéng)中波動比較大,不能滿(mǎn)足現場(chǎng)要求。詳細論述(shù)了熱(rè)式(shì)質(zhì)量流(liú)量計(jì) 在核島儀用氣(qì)源系(xì)統中(zhōng)的(de)改造過(guò)程,通(tōng)過改(gǎi)造前後測(cè)量值曲線(xiàn)的對比,可(kě)以(yǐ)發(fā)現熱(rè)式質量(liàng)流(liú)量在(zài)微小流量工況(kuàng)下的穩定性、正确率等指标均(jun1)優于渦輪(lún)流量(liàng)計。
1引(yǐn)言
　　熱式質(zhì)量流量計是采(cǎi)用熱擴(kuò)散原(yuán)理(lǐ)直接測量(liàng)氣體質量的流量計[1],無須溫度和壓(yā)力補償,同時可(kě)以測量介質的溫度,與(yǔ)其(qí)他常用流量計相比(bǐ),具有(yǒu)量程比寬(kuān)、抗振性(xìng)能好、低(dī)流速時(shí)輸出信号靈敏度(dù)高等(děng)特點(diǎn)[2]。
　　由(yóu)于核電項目的(de)特殊性(xìng),核(hé)島内主要使(shǐ)用容(róng)積式(shì)流(liú)量計和葉輪式流(liú)量計來(lái)進行氣體流量(liàng)測量,如(rú)渦輪流量(liàng)計、 浮(fú)子式流(liú)量計 和(hé) 旋進旋渦流量(liàng)計 等,較(jiào)少(shǎo)使用質量流量(liàng)計。防城港(gǎng)核電站1号(hào)機儀表壓(yā)縮空氣分配系統(sar)氣源管道上流量(liàng)計sar001md原型号爲渦輪流量(liàng)計,在使(shǐ)用過程中發現(xiàn)小流量工況下(xià)該類型(xíng)流量計(jì)測量(liàng)不準确,波動頻(pín)繁,線性度(dù)較差(chà)等問(wèn)題(tí)。通(tōng)過分析(xī)系統狀(zhuàng)況及各類(lèi)型流(liú)量計(jì)特點,現場(chǎng)嘗試使用熱式(shì)質量流量計對原渦輪流(liú)量計進行(háng)了改造,改造後的(de)測(cè)量值(zhí)波動(dòng)幅度大幅(fú)減小,沒有回零(líng)現象發生。
2熱式(shì)質量流(liú)量計原理及特點簡介(jiè)
　　熱式質(zhì)量(liàng)流量(liàng)計基于熱擴散原理,其典(diǎn)型傳感器元(yuán)件包括(kuò)兩個鉑熱電阻(zǔ),當(dāng)這兩(liǎng)個(gè)熱電(diàn)阻被(bèi)置于流(liú)體中時(shí),其中一個被加熱,另(lìng)外一(yī)個用于測量介(jiè)質溫度,兩個 熱電阻 之間的溫(wēn)差與(yǔ)過(guò)程(chéng)流速及過程機制的(de)性質有關[3],根據測量(liàng)方式的不(bú)同又分爲恒溫(wēn)差法(fǎ)[4]、恒功率法(fǎ)[5]。生産的屬于插入式(shì)恒溫(wēn)差法(fǎ)流(liú)量計,即(jí)保持(chí)兩個(gè)熱電阻之(zhī)間的(de)溫差(chà)恒定,利用(yòng)金氏定律(lǜ)可推(tuī)導出(chū)加熱功率與(yǔ)流量間(jiān)的關系如(rú)下[6]:
p=△t[λ+2(πλcvρud)1/2]/f
　　式(shì)中:p-消(xiāo)耗(hào)的電功率,瓦;λ-流體(tǐ)的熱(rè)導率,j/h·m·k;cv-定容比熱(rè)容,j/kg·k;ρ-流體的(de)密度(dù),kg/m3;u-流體的(de)流速,m/h;d-熱(rè)電阻直(zhí)徑(jìng),m;f-常數(shù)。從上式(shì)可看出(chū)當保持加(jiā)熱電阻和測溫電阻(zǔ)之間的溫(wēn)差△t不變時,加熱(rè)電阻(zǔ)上的(de)功率p與u1/2成(chéng)正比(bǐ)。
流量計具(jù)有(yǒu)如(rú)下特點:
(1)儀(yí)表以标準單位測量氣體質量流量而無須溫(wēn)度及壓力補償(cháng),同(tóng)時可(kě)以測量(liàng)過程氣體溫度。多種計(jì)量單位(wèi)可現場選(xuǎn)擇(scfm,sfpm,nm3/h,kg/h等);
(2)兩路(lù)隔離4～20ma輸出;100hz,5～24v隔離脈沖(chòng)流量(liàng)輸出(chū),最大10ma;usb接口(kǒu)連接pc端(duān)foxview軟(ruǎn)件查(chá)看、設(shè)置、校準、數(shù)據記(jì)錄等(děng)功能;hart和rs485modbus可選;
(3)采用cal-vtm在(zài)線驗(yàn)證校(xiào)準(zhǔn)功能:該功(gōng)能是可(kě)以在線原位校準流量計準确(què)度,測試傳感器(qì)功能(néng)性和相關信号處理(lǐ)電路(lù),隻需一個按鍵即可(kě)。在測(cè)試結束(shù)後(hòu),流量計會(huì)顯示成(chéng)功(gōng)或失敗信息并(bìng)存儲(chǔ)cal-vtm校驗數據(jù)以便(biàn)随時(shí)查看。在測(cè)試(shì)過程中,流量計的微(wēi)處理器(qì)調節(jiē)信号傳感器的(de)信号(hào),并判斷其電(diàn)氣(qì)特性,将這些(xiē)數據與(yǔ)流量(liàng)計(jì)電(diàn)子單(dān)元中存儲的出(chū)廠标定數據對比,如(rú)數據在容(róng)差範圍内,則表(biǎo)明流量計(jì)測量(liàng)準确(què)。
(4)測量(liàng)範圍(wéi):0.07～71nm3/h;
(5)測量(liàng)精度(dù):空氣±1%的讀數,±0.2%的(de)滿量程;其(qí)他氣體±1.5%的(de)讀數(shù),±0.5%的滿(mǎn)量程;
(6)響應(yīng)時間(jiān):0.9秒;
(7)量(liàng)程比最(zuì)高1000:1,典型(xíng)100:1;
(8)安裝時,上遊至(zhì)少大于(yú)等于8個(gè)管徑(jìng),下遊大于(yú)等于4個(gè)管徑;
(9)供電:标準24vdc,±10%,0.75a;可選220vac,50hz,20w功(gōng)率。
3應(yīng)用(yòng)
3.1工藝系統簡介
　　核電機(jī)組在正常(cháng)運行期間,需保持安(ān)全殼内(nèi)與外部(bù)大氣之(zhī)間的潛(qián)在過壓應小于(yú)60mbar,如超(chāo)過60mbar則需采(cǎi)取措(cuò)施進(jìn)行降壓處(chù)理(lǐ)。影響安(ān)全殼(ké)内(nèi)部壓力(lì)變(biàn)化的因素有(yǒu)殼内氣動控制設備的工(gōng)作排(pái)氣和漏氣、殼内(nèi)外壓差導緻貫穿件的洩漏等(děng),其中(zhōng)氣動控制(zhì)設備的工(gōng)作排(pái)氣或(huò)漏(lòu)氣是導緻核反應(yīng)堆廠房内(nèi)壓力上升(shēng)的主要因(yīn)素。根(gēn)據核電站(zhàn)儀用(yòng)壓縮(suō)空氣(qì)分配系統(tǒng)流程圖(下(xià)圖1),可(kě)知監視安(ān)全殼内(nèi)氣(qì)動控(kòng)制設備(bèi)所(suǒ)需壓(yā)縮空(kōng)氣總量的(de)流量計爲(wèi)1sar001md,測量(liàng)信号(hào)直接送至(zhì)dcs。正常(cháng)運行(háng)時系統參(cān)數(shù)如下:7.81-10bar,雜(zá)質:<1μm,含(hán)量(liàng):≤0.01mg/m3,接(jiē)口管(guǎn)徑33.4×2.77,要(yào)求(qiú)儀表量(liàng)程(chéng)0-10nm3/h。

　　原(yuán)設(shè)計(jì)供貨(huò)的流量(liàng)計爲法國福(fú)爾赫(hè)曼公司生(shēng)産的渦輪(lún)流量(liàng)計(jì),型号爲(wèi):tgn25g6.5(150#)帶前置(zhì)放大器(qì)fh710,量程爲(wèi)2-10nm3/h。渦(wō)輪流量計(jì)對被測介(jiè)質的潔(jié)淨(jìng)度、上(shàng)下遊直管(guǎn)段要(yào)求都(dōu)比較(jiào)高,适宜用(yòng)在(zài)壓力變化不(bú)大(dà)、流(liú)速比(bǐ)較穩(wěn)定(dìng),需(xū)要精(jīng)确計(jì)量物(wù)料總量的(de)場所。實際(jì)使用過程中發現渦(wō)輪流量計(jì)波動比較(jiào)大,并有歸零現(xiàn)象發(fā)生(shēng),流量(liàng)曲線如(rú)下圖2所示(shì),其在(zài)dcs裏面的組态如(rú)下圖(tú)3所(suǒ)示,計算公式如下:

　　式中:qn-換算(suàn)後标準狀(zhuàng)态下流量(liàng),nm3/h;qav-現場(chǎng)流量計上傳到dcs的流量(liàng)值(zhí),m3/h;tn-标準(zhǔn)狀态(tài)下(xià)溫度值,k;pav-現(xiàn)場實測壓力,mpα;tav-現場實測(cè)溫(wēn)度(dù)值,k;pn-标準(zhǔn)狀态下(xià)壓力,mpα;zn、z-修正系數(shù),約等(děng)于1。儀控氣(qì)源管路正(zhèng)常運(yùn)行時壓力(lì)爲0.8mpa左(zuǒ)右,由(yóu)上述計算(suàn)公式可知(zhī)管道(dào)内實(shí)際流量會(huì)小(xiǎo)于2m3/h,低于(yú)儀表的最小量程要(yào)求,現(xiàn)場将(jiāng)渦輪(lún)流量計拆下後(hòu)對其重新進行了校(xiào)驗,發現當(dāng)流量低于(yú)1.5m3/h時,流量計(jì)線性比較差,不(bú)能滿足現(xiàn)場要求。現(xiàn)場氣(qì)動(dòng)設備的頻繁(fán)動作(zuò)也(yě)會導緻(zhì)整個管路(lù)的壓(yā)力波(bō)動(dòng)比較明(míng)顯,從(cóng)而(ér)影響流量計的(de)穩定測(cè)量。
　　考(kǎo)慮到(dào)現(xiàn)場(chǎng)工況比較特殊(shū),正常(cháng)運行時用(yòng)氣量(liàng)比(bǐ)較小,壓(yā)力波動比(bǐ)較大(dà),測量範(fàn)圍比較(jiào)寬,對儀表(biǎo)的精(jīng)度要(yào)求(qiú)比(bǐ)較高(gāo),通過分析(xī)比較(jiào)各類(lèi)流量計的(de)特點後決定采用熱式質量流(liú)量計(jì)對(duì)渦輪流(liú)量計(jì)進(jìn)行換型(xíng)改(gǎi)造。


3.2改(gǎi)造過程(chéng)
3.2.1管路(lù)改造及電(diàn)源改造
　　選(xuǎn)用的質量(liàng)流(liú)量計型(xíng)号爲(wèi):ft3-10f-ss-st-e1-dd-b0-g1,改(gǎi)造(zào)前後(hòu)流(liú)量變送器安(ān)裝方式不(bú)變,均爲法蘭(lán)連接,管徑尺寸(cùn)也不變,爲滿(mǎn)足(zú)流量計(jì)對上下(xià)遊(yóu)直管(guǎn)段的要求(qiú),需(xū)對(duì)上下遊管(guǎn)道進行改造,改造前後上(shàng)下遊直管段參數詳(xiáng)見下(xià)表1:

　　熱式質(zhì)量流量計(jì)需要單獨(dú)提供24vdc直(zhí)流(liú)電源(yuán),因此(cǐ)需要增加(jiā)1面220vac轉24vdc的就(jiù)地電(diàn)源箱(xiāng)。表頭處(chù)接(jiē)線如(rú)下圖(tú)4所示(shì),右側接24vcd電源線(xiàn)來自(zì)就地電源(yuán)箱(xiāng),左側接信号(hào)線送至dcs。fox熱式流量計的4-20ma輸(shū)出均(jun1)爲無源輸出,需(xū)dcs側提供額外的(de)24vdc電(diàn)源,改造(zào)後的流量(liàng)計(jì)無須壓(yā)力和(hé)溫(wēn)度補償(cháng)。
3.2.2dcs側接(jiē)線及邏輯(jí)修改(gǎi)
　　現場(chǎng)過來(lái)的4-20ma流量信号先(xiān)送隔離模(mó)塊(kuài)nm3480,然後通過内部數(shù)據通信送至8通道輸(shū)入(rù)模塊nm480,信号采集流程圖(tú)如下(xià)圖5所(suǒ)示(shì)。通過專用25芯(xīn)預制(zhì)電纜與nm480模塊配套使(shǐ)用(yòng),實(shí)現現(xiàn)場電流信号到(dào)功能模塊的相互轉(zhuǎn)接與傳遞(dì)。根據是否需要(yào)dcs提供(gòng)電源以及(jí)有(yǒu)無電流(liú)限制(zhì),nm3480模塊有4種接線(xiàn)模式(shì)可供(gòng)選擇(zé),sar001md信号接(jiē)an、bn端子,表(biǎo)示需(xū)dcs供電且有(yǒu)電(diàn)流(liú)限制。

　　nm480是8通(tōng)道路間(jiān)隔(gé)離型電流(liú)輸入模塊(kuài),通過64針(zhēn)歐(ōu)式連接器與機籠底(dǐ)闆連接,配(pèi)合端(duān)子模塊實現8通(tōng)道路間隔(gé)離的(de)電流信号(hào)采集(jí)。nm480支持profibus-dp協議(yì),作爲從站(zhàn)與(yǔ)dp主站(主(zhǔ)控制器)完(wán)成數(shù)據交(jiāo)換。nm480模(mó)塊依(yī)靠64針歐式連接(jiē)器從(cóng)端子模塊(kuài)經機籠(lóng)底(dǐ)闆輸(shū)入8路(lù)現場電(diàn)流(liú)信号,電壓信号(hào)經過過壓保護(hù)與信(xìn)号調(diào)理電(diàn)路(lù)進入(rù)a/d轉換電(diàn)路,之後将采集(jí)的數據經光電(diàn)隔離(lí)後(hòu)送(sòng)入微(wēi)控制器進行數據處理,最終通(tōng)過profibus-dp現場(chǎng)總線(xiàn)将(jiāng)數據上傳(chuán)到主(zhǔ)控制器。nm480模塊的(de)微控制器及通(tōng)訊電路部分由(yóu)系統輸(shū)入的5v電(diàn)源供(gòng)電;通道采(cǎi)集電路部(bù)分由系統(tǒng)輸入的24v電源經(jīng)8路相(xiàng)互隔(gé)離的(de)dc/dc轉換(huàn)爲5v電(diàn)源供電。


　　由(yóu)于(yú)熱式質量(liàng)流量計(jì)以标準單位(wèi)測(cè)量(liàng)氣體(tǐ)流量(liàng)而無需額(é)外的(de)溫度壓力(lì)補償,同時可以(yǐ)測量過程(chéng)氣體(tǐ)溫度,因此(cǐ)需要(yào)在dcs内對相關邏輯進行修(xiū)改,改造前後的邏輯(jí)詳見上圖3和下(xià)圖6,從下圖可以(yǐ)看出改造(zào)後的(de)邏輯(jí)删掉了溫(wēn)度和壓力修正(zhèng),現場(chǎng)送過來(lái)的(de)4-20ma信号即爲測得(dé)的标準(zhǔn)流量信(xìn)号。
3.3改(gǎi)造後效果
　　現場使用熱式(shì)質量流量計完(wán)成改造後的流(liú)量曲線如(rú)下圖7所示(shì),對比原流(liú)量計曲線(xiàn)(上圖2),可發現曲線變(biàn)化比較平緩,整體波(bō)動較(jiào)小,測(cè)量值在8nm3/h上下10%範圍内小幅振動(dòng),滿足現場(chǎng)計量要求(qiú)。
4結束語
　　熱(rè)擴散(sàn)原理是一種易安(ān)裝、低維(wéi)護的氣體流量測量方式,熱式(shì)質量流量(liàng)計以其重複性好、靈(líng)敏度高、操(cāo)作簡(jiǎn)單等特(tè)點(diǎn)在工(gōng)業領域(yù)得(dé)到了廣泛(fàn)的應(yīng)用。核(hé)島儀控(kòng)用(yòng)氣源管道流(liú)量計在使用熱式質量流量計進行成(chéng)功改造後(hòu),運行平穩,滿(mǎn)足了現(xiàn)場精(jīng)度(dù)要(yào)求和控制要求,經過(guò)一年多時(shí)間的(de)觀察,在測量微(wēi)小流(liú)量氣(qì)體情(qíng)況下(xià)無(wú)論在精(jīng)度、安(ān)裝、維護等(děng)方面都由于渦(wō)輪流(liú)量計(jì)。

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