摘要(yao):核電機組(zu)正常運行(hang)過程中需(xu)要控制好(hao)核島内外(wai)差壓,而島(dao)内氣動控(kong)制設備的(de)用氣量是(shi)影響💰内外(wai)差壓的重(zhong)要因💃🏻素,因(yin)🤟此需要對(dui)該用氣量(liang)進行準确(que)而穩定的(de)計量。原 渦(wo)輪流量計(ji) 在使用過(guo)程中波動(dong)比較大,不(bu)能滿足現(xian)場要求。詳(xiang)細論述了(le)熱式質量(liang)流量計 在(zai)核島儀用(yong)氣源系統(tong)中的改造(zao)過程,通過(guo)改造前後(hou)測量值曲(qu)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(wen)定性、正确(que)率等指标(biao)均優于🐪渦(wo)輪流量計(ji)。
1引言
　　熱式(shi)質量流量(liang)計是采用(yong)熱擴散原(yuan)理直接測(ce)量氣💛體質(zhi)量的流量(liang)計[1],無須溫(wen)度和壓力(li)補償,同時(shi)可以測量(liang)介質的溫(wen)度,與其他(ta)常用流量(liang)計相比,具(ju)有量程比(bi)寬、抗振性(xing)能好、低流(liu)速時輸出(chu)信号靈敏(min)度高等特(te)點[2]。
　　由于核(he)電項目的(de)特殊性,核(he)島内主要(yao)使用容積(ji)式流量計(ji)和葉輪式(shi)流量計來(lai)進行氣體(ti)流量測量(liang),如渦輪流(liu)量計、 浮子(zi)式流量計(ji) 和 旋進旋(xuan)渦流量計(ji) 等,較少使(shi)用質量流(liu)量計。防城(cheng)港核電站(zhan)1号機儀表(biao)壓🧑🏽‍🤝‍🧑🏻縮🔞空💘氣(qi)分配系統(tong)(SAR)氣源管道(dao)上流量計(ji)SAR001MD原型号爲(wei)渦輪流量(liang)計,在使用(yong)過程中發(fa)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(xing)度較差等(deng)問題。通過(guo)分析系統(tong)狀況及各(ge)類型流量(liang)計特點,現(xian)場嘗試使(shi)用☀️熱式質(zhi)量流🥵量計(ji)對原渦輪(lun)流量計進(jin)行了改造(zao),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(re)式質量流(liu)量計原理(li)及特點簡(jian)介
　　熱式質(zhi)量流量計(ji)基于熱擴(kuo)散原理,其(qi)典型傳感(gan)器⚽元件包(bao)括兩♋個鉑(bo)熱電阻,當(dang)這兩個熱(re)電阻被置(zhi)于流體中(zhong)時,其中一(yi)個被加熱(re),另外一個(ge)用于測量(liang)介質溫度(du),兩個 熱電(dian)阻 之間的(de)溫差與過(guo)程流速及(ji)過程機制(zhi)的性質有(you)關[3],根⭐據測(ce)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(ji),即保持兩(liang)個熱電阻(zu)之間的👌溫(wen)差恒定,利(li)用金氏定(ding)律可推導(dao)出💋加熱功(gong)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(dao)率,J/h·m·K;cv-定容比(bi)熱容🔞,J/kg·K;ρ-流體(ti)的🔴密度,kg/m3;U-流(liu)體的流速(su),m/h;d-熱電阻直(zhi)徑,m;f-常數。從(cong)上式可看(kan)出當保持(chi)加熱🔞電阻(zu)和測溫電(dian)阻之間的(de)溫差🛀△T不變(bian)時👅,加熱電(dian)阻上的功(gong)率P與U1/2成正(zheng)比。
流量計(ji)具有如下(xia)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(tong)時可以測(ce)量過程氣(qi)體溫度。多(duo)種計量單(dan)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(shu)出,最大10mA;USB接(jie)口連接PC端(duan)👅FoxView軟件查看(kan)❌、設置、校準(zhun)、數據記錄(lu)等功能;HART和(he)RS485Modbus可選;
(3)采用(yong)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(shi)傳感器功(gong)能性和相(xiang)關信号處(chu)理電🔞路,隻(zhi)需一個按(an)鍵即可。在(zai)測試結束(shu)後,流量計(ji)會顯示成(cheng)功或失敗(bai)信息并存(cun)儲Cal-VTM校驗數(shu)據以便随(sui)時查看。在(zai)測試過程(cheng)中,流量計(ji)的微處理(li)器調節信(xin)号傳感器(qi)的信号,并(bing)💋判斷其電(dian)氣特性,将(jiang)這些數據(ju)與流量計(ji)電子單元(yuan)中存☀️儲的(de)出廠标定(ding)❄️數據對比(bi),如數據在(zai)容差範圍(wei)内,則表明(ming)流量計測(ce)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(cheng);其他氣體(ti)±1.5%的讀數,±0.5%的(de)滿🐪量程;
(6)響(xiang)應時間:0.9秒(miao);
(7)量程比最(zui)高1000:1,典型100:1;
(8)安(an)裝時,上遊(you)至少大于(yu)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(yong)
3.1工藝系統(tong)簡介
　　核電(dian)機組在正(zheng)常運行期(qi)間,需保持(chi)安全殼内(nei)與外部大(da)氣之間的(de)潛在過壓(ya)應小于60mbar,如(ru)超過60mbar則需(xu)采取措施(shi)進行降壓(ya)處理。影響(xiang)📱安全殼内(nei)部壓力變(bian)化的因素(su)有殼内氣(qi)動控制🥰設(she)備的工作(zuo)排氣和漏(lou)氣、殼内外(wai)壓差導緻(zhi)貫穿件的(de)洩漏等,其(qi)中氣☎️動控(kong)制設🔞備的(de)工作排😘氣(qi)或漏氣是(shi)導緻核反(fan)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(zhi)監視安全(quan)殼内氣動(dong)控制設備(bei)所需壓縮(suo)空氣🈲總量(liang)的流量計(ji)爲1SAR001MD,測量信(xin)号直接送(song)至DCS。正常運(yun)行時系統(tong)參數如下(xia):7.81-10bar,雜質:<1μm,含量(liang)💜:≤0.01mg/m3,接口管徑(jing)33.4×2.77,要求儀表(biao)量⚽程0-10Nm3/h。

　　原設(she)計供貨的(de)流量計爲(wei)法國福爾(er)赫曼公司(si)生産的渦(wo)♈輪流量計(ji),型号爲:TGN25G6.5(150#)帶(dai)前置放大(da)器FH710,量程爲(wei)2-10Nm3/h。渦輪流量(liang)🈚計對🍓被測(ce)介質的潔(jie)🏒淨度、上下(xia)遊直管段(duan)要求都比(bi)較高,适宜(yi)用在壓力(li)變化㊙️不大(da)、流速比較(jiao)穩定,需要(yao)精确計量(liang)物料🔴總量(liang)的場所。實(shi)際使用過(guo)程中✂️發現(xian)渦輪流量(liang)計波動比(bi)較大,并有(you)歸零現象(xiang)發生,流量(liang)曲線如下(xia)圖2所示,其(qi)在DCS裏面的(de)組态如下(xia)圖3所示,計(ji)算公式如(ru)下:

　　式中:QN-換(huan)算後标準(zhun)狀态下流(liu)量,Nm3/h;QAV-現場流(liu)量計上傳(chuan)到DCS的流量(liang)值,m3/h;TN-标🤩準狀(zhuang)态下溫度(du)值,K;PAV-現場實(shi)測壓力,MPα;TAV-現(xian)場實測溫(wen)度值,K;PN-标準(zhun)狀♈态下壓(ya)力,MPα;ZN、Z-修正系(xi)數,約等于(yu)1。儀控氣源(yuan)管路正常(chang)運行🌈時壓(ya)力爲0.8MPa左右(you),由上述計(ji)算公式可(ke)知管道内(nei)實際流量(liang)會小于2m3/h,低(di)于儀表的(de)最小量程(cheng)要求,現場(chang)将渦輪♉流(liu)量計拆下(xia)後對其重(zhong)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(bi)較差,不能(neng)滿♍足現場(chang)要求。現場(chang)氣動設備(bei)的頻繁動(dong)作也會導(dao)緻整個管(guan)路的壓力(li)波動比較(jiao)明🐉顯,從而(er)影響流量(liang)計💃的穩定(ding)測量。
　　考慮(lü)到現場工(gong)況比較特(te)殊,正常運(yun)行時用氣(qi)量比較小(xiao),壓🐪力波動(dong)比較大,測(ce)量範圍比(bi)較寬,對儀(yi)表的精度(du)要求比較(jiao)高,通過分(fen)析比較各(ge)類流量計(ji)的特點後(hou)決定采用(yong)熱式質量(liang)流量計對(dui)渦輪流量(liang)計進行換(huan)型改造。


3.2改(gai)造過程
3.2.1管(guan)路改造及(ji)電源改造(zao)
　　選用的質(zhi)量流量計(ji)型号爲:FT3-10F-SS-ST-E1-DD-B0-G1,改(gai)造前後流(liu)量變送器(qi)安裝方🏃‍♂️式(shi)不✌️變,均爲(wei)法蘭連接(jie),管徑尺寸(cun)也不變,爲(wei)滿足流量(liang)計對上下(xia)遊直管段(duan)的要求,需(xu)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(jian)下表1:

　　熱式(shi)質量流量(liang)計需要單(dan)獨提供24VDC直(zhi)流電源,因(yin)此需要增(zeng)加✔️1面220VAC轉24VDC的(de)就地電源(yuan)箱。表頭處(chu)接線如下(xia)圖4所示,右(you)側接24VCD電源(yuan)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(liang)♌計的4-20mA輸⁉️出(chu)均爲無源(yuan)輸出,需DCS側(ce)提供🔴額外(wai)的24VDC電源,改(gai)造後的流(liu)量計無須(xu)壓力和溫(wen)度補償。
3.2.2DCS側(ce)接線及邏(luo)輯修改
　　現(xian)場過來的(de)4-20mA流量信号(hao)先送隔離(li)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(ji)流程圖如(ru)下圖5所示(shi)。通過專用(yong)25芯預制電(dian)纜與NM480模塊(kuai)配套使用(yong),實現👈現場(chang)電🤩流信号(hao)到功能模(mo)塊的✉️相互(hu)轉接與傳(chuan)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(mo)塊有4種接(jie)線模式可(ke)供選擇,SAR001MD信(xin)号接An、Bn端子(zi),表示需DCS供(gong)電且有電(dian)流限制。

　　NM480是(shi)8通道路間(jian)隔離型電(dian)流輸入模(mo)塊,通過64針(zhen)歐式連接(jie)器🌈與機💃籠(long)底闆連接(jie),配合端子(zi)模塊實現(xian)8通道路間(jian)隔離的電(dian)流信号🎯采(cai)集👅。NM480支持Profibus-DP協(xie)議,作爲從(cong)站與DP主♈站(zhan)(主控制器(qi))完成數據(ju)交換。NM480模📧塊(kuai)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(ru)8路現場電(dian)流信号㊙️,電(dian)壓信号經(jing)過過壓保(bao)護與信号(hao)調理電路(lu)進入A/D轉換(huan)電路,之後(hou)将采集的(de)數據經光(guang)電隔離後(hou)送入微控(kong)制器進行(hang)數據處理(li),最終通過(guo)Profibus-DP現場總線(xian)将數據上(shang)👉傳到主控(kong)制器。NM480模🔴塊(kuai)的微控制(zhi)器及通訊(xun)電路部😍分(fen)由系統輸(shu)入的5V電源(yuan)👌供電;通道(dao)采集電路(lu)部分由🏃‍♀️系(xi)統輸入的(de)24V電源經8路(lu)相互隔離(li)的DC/DC轉換爲(wei)5V電源供電(dian)。


　　由(you)于熱式質(zhi)量流量計(ji)以标準單(dan)位測量氣(qi)體流量而(er)無需♍額外(wai)🈚的溫度壓(ya)力補償,同(tong)時可以測(ce)量過程氣(qi)體溫度,因(yin)此需要在(zai)DCS内對相關(guan)邏輯進行(hang)修改,改造(zao)前後的邏(luo)輯詳見上(shang)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(zao)後效果
　　現(xian)場使用熱(re)式質量流(liu)量計完成(cheng)改造後的(de)流量曲🧑🏽‍🤝‍🧑🏻線(xian)如下⭕圖7所(suo)🈚示,對比原(yuan)流量計曲(qu)線(上圖2),可(ke)發現曲線(xian)變化比較(jiao)平🐪緩,整體(ti)波動較小(xiao),測量值在(zai)8Nm3/h上下10%範圍(wei)内小幅振(zhen)動,滿足現(xian)❄️場計量要(yao)求。
4結束語(yu)
　　熱擴散原(yuan)理是一種(zhong)易安裝、低(di)維護的氣(qi)體流量測(ce)量🈚方式,熱(re)式質量流(liu)量計以其(qi)重複性好(hao)、靈敏度高(gao)、操作簡單(dan)等特點在(zai)工業領域(yu)得到了廣(guang)泛的應用(yong)。核島儀控(kong)用氣源管(guan)道流量計(ji)在使用熱(re)式質量流(liu)量計進行(hang)成功改造(zao)後,運行平(ping)穩,滿足了(le)現場精度(du)🤩要求和控(kong)制要求,經(jing)過一年多(duo)時間的觀(guan)察,在測量(liang)微小流量(liang)氣體情況(kuang)下無論在(zai)精度、安裝(zhuang)、維護♉等方(fang)面都由于(yu)渦輪流量(liang)計。

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