摘要(yao):核電機(ji)組正常(chang)運行過(guo)程中需(xu)要控制(zhi)好核島(dao)内外💚差(cha)壓,而島(dao)内氣動(dong)控制設(she)備的用(yong)氣量是(shi)影響内(nei)外🏃差壓(ya)的重🙇‍♀️要(yao)因素,因(yin)📧此需要(yao)對該用(yong)氣量進(jin)行準确(que)而🌈穩定(ding)的計量(liang)。原 渦輪(lun)流量計(ji) 在使用(yong)過程中(zhong)波動比(bi)較大,不(bu)能滿足(zu)現場要(yao)求。詳細(xi)論述了(le)熱式質(zhi)量流量(liang)計 在核(he)島儀用(yong)氣源系(xi)統中的(de)改造過(guo)程,通過(guo)改造前(qian)後測量(liang)⭐值曲線(xian)的對比(bi),可以發(fa)現熱式(shi)質量流(liu)量在微(wei)小⛱️流量(liang)工況📧下(xia)的穩定(ding)性、正确(que)率等指(zhi)标均優(you)于渦輪(lun)流量計(ji)。
1引言
　　熱(re)式質量(liang)流量計(ji)是采用(yong)熱擴散(san)原理直(zhi)接測量(liang)氣體質(zhi)量的流(liu)量計[1],無(wu)須溫度(du)和壓力(li)補償,同(tong)時可以(yi)測量介(jie)質的溫(wen)度,與其(qi)他💛常用(yong)流量計(ji)相比,具(ju)有量程(cheng)比寬、抗(kang)振性能(neng)好、低流(liu)速時輸(shu)出信号(hao)靈敏度(du)高等特(te)點[2]。
　　由于(yu)核電項(xiang)目的特(te)殊性,核(he)島内主(zhu)要使用(yong)容積式(shi)流量計(ji)和葉輪(lun)式流量(liang)計來進(jin)行氣體(ti)流量測(ce)量,如渦(wo)輪流量(liang)計、 浮子(zi)式流量(liang)計 和 旋(xuan)進旋渦(wo)流量計(ji) 等,較少(shao)使用質(zhi)量流量(liang)計。防城(cheng)港核電(dian)站1号機(ji)儀表壓(ya)縮空🌍氣(qi)分配系(xi)統(SAR)氣源(yuan)管道上(shang)流量計(ji)SAR001MD原型号(hao)爲渦輪(lun)流量🥵計(ji),在使用(yong)過程中(zhong)發現小(xiao)流量工(gong)況下該(gai)類型流(liu)量計測(ce)量不準(zhun)确,波動(dong)頻繁,線(xian)性度較(jiao)差等問(wen)題。通過(guo)㊙️分析系(xi)統狀況(kuang)及各類(lei)型流量(liang)計特點(dian),現💞場嘗(chang)試使用(yong)熱式質(zhi)量流量(liang)計對原(yuan)渦輪流(liu)量計進(jin)行了改(gai)造,改造(zao)後的測(ce)量值波(bo)動幅度(du)大幅減(jian)小,沒有(you)回零現(xian)象發生(sheng)。
2熱式質(zhi)量流量(liang)計原理(li)及特點(dian)簡介
　　熱(re)式質量(liang)流量計(ji)基于熱(re)擴散原(yuan)理,其典(dian)型傳感(gan)器元件(jian)包括兩(liang)個鉑熱(re)電阻,當(dang)這兩個(ge)熱電阻(zu)被置于(yu)流體中(zhong)時,其中(zhong)一個❗被(bei)加👅熱,另(ling)外一個(ge)用于測(ce)量介質(zhi)溫度,兩(liang)個 熱電(dian)阻 之間(jian)的溫差(cha)與過程(cheng)流速及(ji)過程機(ji)制的性(xing)質有關(guan)[3],根據測(ce)量❌方式(shi)的不同(tong)又分爲(wei)恒溫差(cha)法[4]、恒功(gong)率法[5]。生(sheng)産的屬(shu)于插入(ru)式恒溫(wen)差法流(liu)量計,即(ji)保持兩(liang)個熱電(dian)阻之間(jian)的溫差(cha)恒👉定,利(li)用金氏(shi)定律可(ke)推導出(chu)加熱功(gong)率與流(liu)量間的(de)關系如(ru)下[6]:
P=△T[λ+2(πλcvρUd)1/2]/f
　　式中(zhong):P-消耗的(de)電功率(lü),瓦;λ-流體(ti)的熱導(dao)率,J/h·m·K;cv-定容(rong)比熱容(rong),J/kg·K;ρ-流體🌈的(de)密度,kg/m3;U-流(liu)體的流(liu)速,m/h;d-熱電(dian)阻直徑(jing),m;f-常數。從(cong)上式可(ke)看出當(dang)保持‼️加(jia)熱電阻(zu)和測溫(wen)電阻之(zhi)間的溫(wen)差△T不變(bian)時,加熱(re)電阻上(shang)的功率(lü)P與U1/2成正(zheng)比。
流量(liang)計具有(you)如下特(te)點:
(1)儀表(biao)以标準(zhun)單位測(ce)量氣體(ti)質量流(liu)量而無(wu)須溫度(du)及壓力(li)補償,同(tong)時可以(yi)測量過(guo)程氣體(ti)溫度。多(duo)種計量(liang)單位可(ke)現場選(xuan)擇(SCFM,SFPM,Nm3/h,kg/h等);
(2)兩(liang)路隔離(li)4～20mA輸出;100Hz,5～24V隔(ge)離脈沖(chong)流量輸(shu)出,最大(da)10mA;USB接口連(lian)接PC端FoxView軟(ruan)😘件💘查看(kan)、設置、校(xiao)準、數據(ju)記錄等(deng)功能;HART和(he)RS485Modbus可選;
(3)采(cai)用Cal-VTM在線(xian)驗證校(xiao)準功能(neng):該功能(neng)是可以(yi)在線原(yuan)位校♉準(zhun)流量計(ji)準确度(du),測試傳(chuan)感器功(gong)能性和(he)相關信(xin)号處理(li)電✏️路,隻(zhi)需一個(ge)按鍵即(ji)可。在測(ce)試結束(shu)後,流量(liang)計會顯(xian)示成功(gong)或失❓敗(bai)信息❄️并(bing)存儲Cal-VTM校(xiao)驗數據(ju)以🙇🏻便随(sui)時查👣看(kan)。在測試(shi)過程中(zhong),流量計(ji)的微處(chu)理器調(diao)🆚節信号(hao)傳感器(qi)的信号(hao),并♻️判斷(duan)其電氣(qi)特性,将(jiang)這些數(shu)據與流(liu)量🤞計😍電(dian)子單元(yuan)中存儲(chu)的出廠(chang)标定數(shu)據對比(bi),如數據(ju)在容差(cha)範圍内(nei),則表明(ming)✏️流量計(ji)測量準(zhun)😄确。
(4)測量(liang)範圍:0.07～71Nm3/h;
(5)測(ce)量精度(du):空氣±1%的(de)讀數,±0.2%的(de)滿量程(cheng);其他氣(qi)體±1.5%的讀(du)數,±0.5%的滿(man)量程;
(6)響(xiang)應時間(jian):0.9秒;
(7)量程(cheng)比最高(gao)1000:1,典型100:1;
(8)安(an)裝時,上(shang)遊至少(shao)大于等(deng)于8個管(guan)徑,下遊(you)大于等(deng)于4個管(guan)徑;
(9)供電(dian):标準24VDC,±10%,0.75A;可(ke)選220VAC,50Hz,20W功率(lü)。
3應用
3.1工(gong)藝系統(tong)簡介
　　核(he)電機組(zu)在正常(chang)運行期(qi)間,需保(bao)持安全(quan)殼内與(yu)外部大(da)氣之間(jian)的潛在(zai)過壓應(ying)小于60mbar,如(ru)超過60mbar則(ze)需采取(qu)措施進(jin)行❤️降壓(ya)處理。影(ying)響🍉安全(quan)殼内部(bu)壓力變(bian)化的因(yin)素有殼(ke)内氣動(dong)控制設(she)備的工(gong)作排⭐氣(qi)和漏氣(qi)、殼内外(wai)壓差導(dao)緻貫穿(chuan)件的洩(xie)漏等,其(qi)中氣⛱️動(dong)控制設(she)備的工(gong)作排氣(qi)或漏氣(qi)是導緻(zhi)核反應(ying)🐪堆廠房(fang)内壓力(li)上升的(de)主要因(yin)素。根據(ju)核電站(zhan)儀用壓(ya)縮空氣(qi)分配系(xi)統流程(cheng)圖(下圖(tu)1),可知監(jian)視安全(quan)殼内氣(qi)動控制(zhi)設備所(suo)需壓縮(suo)空氣🐪總(zong)量的流(liu)量計爲(wei)💘1SAR001MD,測♉量信(xin)号直接(jie)送至DCS。正(zheng)常運行(hang)時系統(tong)參數✏️如(ru)下:7.81-10bar,雜質(zhi):<1μm,含量:≤0.01mg/m3,接(jie)口管徑(jing)33.4×2.77,要求儀(yi)表量程(cheng)0-10Nm3/h。

　　原設計(ji)供貨的(de)流量計(ji)爲法國(guo)福爾赫(he)曼公司(si)生産🛀的(de)渦輪🙇🏻流(liu)🤞量計,型(xing)号爲:TGN25G6.5(150#)帶(dai)前置放(fang)大器FH710,量(liang)程爲2-10Nm3/h。渦(wo)輪流量(liang)計對被(bei)測介質(zhi)的潔淨(jing)度、上下(xia)遊直管(guan)段要求(qiu)都比較(jiao)高,适宜(yi)用在壓(ya)力變化(hua)不大、流(liu)速比較(jiao)穩定,需(xu)要精确(que)計量物(wu)料總量(liang)的場所(suo)。實際使(shi)用過程(cheng)中☀️發現(xian)渦輪流(liu)量計波(bo)動比較(jiao)大,并有(you)歸零現(xian)象發生(sheng)🐪,流量曲(qu)線如下(xia)🛀圖2所示(shi),其在DCS裏(li)😄面的組(zu)态如下(xia)圖3所示(shi),計算公(gong)式如下(xia):

　　式中:QN-換(huan)算後标(biao)準狀态(tai)下流量(liang),Nm3/h;QAV-現場流(liu)量計上(shang)傳到👉DCS的(de)流量💃值(zhi)🈲,m3/h;TN-标準狀(zhuang)态下溫(wen)度值,K;PAV-現(xian)場實測(ce)壓力,MPα;TAV-現(xian)場實測(ce)溫度值(zhi),K;PN-标準狀(zhuang)态下壓(ya)力,MPα;ZN、Z-修正(zheng)系數,約(yue)等于1。儀(yi)控氣源(yuan)管路正(zheng)常運行(hang)時壓力(li)爲0.8MPa左右(you),由上述(shu)計算公(gong)式可知(zhi)管道内(nei)實🈲際流(liu)量會小(xiao)于2m3/h,低于(yu)🥰儀表的(de)最小量(liang)程要求(qiu),現場将(jiang)渦輪流(liu)量計拆(chai)下後對(dui)其重新(xin)進行了(le)校驗,發(fa)現當流(liu)量低于(yu)1.5m3/h時,流量(liang)計線性(xing)比較差(cha),不能滿(man)足現場(chang)要求。現(xian)場氣動(dong)設備的(de)頻繁動(dong)作也會(hui)導緻整(zheng)個管路(lu)😍的壓力(li)波動比(bi)較明顯(xian),從而影(ying)響流量(liang)計的穩(wen)定測量(liang)。
　　考慮到(dao)現場工(gong)況比較(jiao)特殊,正(zheng)常運行(hang)時用氣(qi)量比較(jiao)小,壓力(li)波動比(bi)較大,測(ce)量範圍(wei)比較寬(kuan),對儀表(biao)的🐇精度(du)要求比(bi)較高,通(tong)過分析(xi)比較各(ge)類流量(liang)計的特(te)點後決(jue)定采用(yong)熱式質(zhi)🤞量流量(liang)計對渦(wo)輪流量(liang)計進✌️行(hang)換型改(gai)造。


3.2改造(zao)過程
3.2.1管(guan)路改造(zao)及電源(yuan)改造
　　選(xuan)用的質(zhi)量流量(liang)計型号(hao)爲:FT3-10F-SS-ST-E1-DD-B0-G1,改造(zao)前後流(liu)量變送(song)器🤞安裝(zhuang)⭐方式不(bu)變,均爲(wei)法蘭連(lian)接,管徑(jing)尺寸也(ye)不變,爲(wei)滿足流(liu)量計對(dui)上下遊(you)直😘管段(duan)的要求(qiu),需對上(shang)下遊管(guan)道進行(hang)改造,改(gai)造前後(hou)上下遊(you)直管段(duan)參數詳(xiang)見下表(biao)1:

　　熱式質(zhi)量流量(liang)計需要(yao)單獨提(ti)供24VDC直流(liu)電源,因(yin)此需要(yao)增🏒加1面(mian)220VAC轉24VDC的就(jiu)地電源(yuan)箱。表頭(tou)處接線(xian)如下圖(tu)4所示,右(you)側接24VCD電(dian)源線來(lai)自就地(di)電源箱(xiang),左側接(jie)信号線(xian)送至DCS。Fox熱(re)式流量(liang)計的4-20mA輸(shu)💛出均爲(wei)無源輸(shu)出,需DCS側(ce)提供額(e)外的24VDC電(dian)源,改造(zao)後📱的流(liu)量計💛無(wu)須壓力(li)和溫度(du)補償。
3.2.2DCS側(ce)接線及(ji)邏輯修(xiu)改
　　現場(chang)過來的(de)4-20mA流量信(xin)号先送(song)隔離模(mo)塊NM3480,然後(hou)通過内(nei)部數據(ju)通信㊙️送(song)至8通道(dao)輸入模(mo)塊NM480,信号(hao)采集流(liu)程圖如(ru)下圖5所(suo)示。通過(guo)專用25芯(xin)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻預制電(dian)纜與NM480模(mo)塊配套(tao)使用,實(shi)現現場(chang)電流信(xin)号到功(gong)能⁉️模塊(kuai)的相互(hu)轉接與(yu)傳遞。根(gen)據是否(fou)需要DCS提(ti)供電源(yuan)以及有(you)無電流(liu)限制🈚,NM3480模(mo)塊有4種(zhong)接線模(mo)式可供(gong)選擇,SAR001MD信(xin)号接✍️An、Bn端(duan)子,表示(shi)需DCS供電(dian)且有電(dian)🈚流限制(zhi)。

　　NM480是8通道(dao)路間隔(ge)離型電(dian)流輸入(ru)模塊,通(tong)過64針歐(ou)式連接(jie)器與機(ji)籠底闆(pan)連接,配(pei)合端子(zi)模塊實(shi)現8通道(dao)路🛀🏻間隔(ge)離的電(dian)流信号(hao)采集。NM480支(zhi)持Profibus-DP協議(yi),作爲從(cong)站與DP主(zhu)站(主控(kong)制器)完(wan)成數據(ju)交換。NM480模(mo)☁️塊依靠(kao)64針歐式(shi)連接器(qi)從端子(zi)模塊經(jing)機籠底(di)闆輸入(ru)8路現場(chang)電流信(xin)号✌️,電壓(ya)信号經(jing)過過壓(ya)保護與(yu)信号調(diao)理♊電路(lu)進入A/D轉(zhuan)換電路(lu),之後将(jiang)采集的(de)數據經(jing)光電隔(ge)離後送(song)🔞入微控(kong)制器進(jin)🥰行數據(ju)處理,最(zui)終通過(guo)Profibus-DP現🈚場總(zong)線将數(shu)據上😄傳(chuan)到主控(kong)制器。NM480模(mo)塊的微(wei)控制器(qi)及通訊(xun)電路部(bu)分由系(xi)統🏃🏻‍♂️輸入(ru)的5V電源(yuan)供電;通(tong)道采集(ji)電路部(bu)分由系(xi)統輸入(ru)的24V電源(yuan)經8路相(xiang)互隔離(li)的DC/DC轉換(huan)爲5V電源(yuan)供電。


　　由(you)于熱式(shi)質量流(liu)量計以(yi)标準單(dan)位測量(liang)氣體流(liu)量而無(wu)♍需額外(wai)😄的溫度(du)壓力補(bu)償,同時(shi)可以測(ce)量過程(cheng)氣體溫(wen)度,因此(ci)需要在(zai)DCS内對相(xiang)關邏輯(ji)進行修(xiu)改,改造(zao)前後的(de)邏輯詳(xiang)見上圖(tu)3和下圖(tu)6,從下🌈圖(tu)可以看(kan)出改造(zao)後的邏(luo)輯删掉(diao)了溫度(du)和壓力(li)修正,現(xian)場送過(guo)來的4-20mA信(xin)号即爲(wei)測得的(de)标準流(liu)量信号(hao)。
3.3改造後(hou)效果
　　現(xian)場使用(yong)熱式質(zhi)量流量(liang)計完成(cheng)改造後(hou)的流量(liang)曲線🔞如(ru)下圖7所(suo)示,對比(bi)原流量(liang)計曲線(xian)(上圖2),可(ke)發現曲(qu)線變化(hua)比♻️較平(ping)緩,整體(ti)波動較(jiao)小,測量(liang)值在8Nm3/h上(shang)下10%範圍(wei)内小幅(fu)振動,滿(man)足現場(chang)計量要(yao)求。
4結束(shu)語
　　熱擴(kuo)散原理(li)是一種(zhong)易安裝(zhuang)、低維護(hu)的氣體(ti)流量測(ce)量方式(shi),熱式質(zhi)量流量(liang)計以其(qi)重複性(xing)好、靈敏(min)度高、操(cao)作💚簡單(dan)🧡等特點(dian)在工業(ye)領域得(de)到了廣(guang)泛的應(ying)用。核島(dao)儀控用(yong)氣源管(guan)道流量(liang)計在使(shi)用熱式(shi)質量流(liu)量計進(jin)行成功(gong)改造後(hou),運行平(ping)穩,滿足(zu)了現場(chang)精度要(yao)求和控(kong)制要求(qiu),經過一(yi)年多時(shi)間的觀(guan)察,在測(ce)量微小(xiao)流量氣(qi)體情況(kuang)下無論(lun)在精度(du)、安裝、維(wei)護♋等方(fang)面都由(you)于☁️渦輪(lun)流量計(ji)。

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