摘要(yao):核電機組(zǔ)正常運行(hang)過程中需(xu)要控制好(hao)核島内外(wài)差壓,而島(dǎo)内氣動控(kòng)制設備的(de)用氣量是(shi)影響内外(wai)🔞差壓的重(zhòng)要因♌素,因(yin)此需要對(dui)該用氣量(liàng)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(dòng)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(zào)過程,通過(guò)改造前後(hòu)🥰測量值曲(qu)💜線的對比(bi),可以發現(xian)熱式質量(liang)流量在♋微(wēi)小流量工(gōng)況下的穩(wěn)定性、正确(què)率等指标(biāo)均優于渦(wō)輪流量計(jì)。
1引言
　　熱式(shi)質量流量(liàng)計是采用(yong)熱擴散原(yuan)理直接測(ce)量氣體💛質(zhì)量的✌️流量(liàng)計[1],無須溫(wen)度和壓力(lì)補償,同時(shi)可以測量(liàng)介質的溫(wen)度,與其他(tā)常用流量(liàng)計相比,具(ju)有量程比(bǐ)寬、抗振性(xìng)能好、低流(liú)速時輸出(chu)信号靈敏(min)度高等特(tè)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(jī)式流量計(ji)和㊙️葉輪式(shì)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(jì) 和 旋進旋(xuan)渦流量計(jì) 等,較少使(shǐ)用質量流(liú)量計。防城(cheng)港核電站(zhan)1号機儀表(biǎo)壓縮空🐇氣(qi)分配系統(tong)(SAR)氣源管道(dào)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(děng)😘問題。通過(guo)分析系統(tong)狀況及各(ge)🛀類型流量(liang)計特點,現(xiàn)場嘗試使(shi)用熱式質(zhì)量流🌈量計(ji)對原渦輪(lun)流量計進(jìn)行了改造(zào),改🐪造後的(de)測量值波(bō)動幅度大(da)幅減小,沒(méi)有回零現(xian)象發生。
2熱(rè)式質量流(liu)量計原理(lǐ)及特點簡(jiǎn)介
　　熱式質(zhi)量流量計(jì)基于熱擴(kuo)散原理,其(qí)典型傳感(gan)器元件包(bāo)💘括兩個鉑(bó)熱電阻,當(dāng)這兩個熱(rè)電阻被置(zhi)于流體中(zhong)時‼️,其中一(yī)個被加熱(re),另外一個(gè)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(yǒu)關[3],根據測(ce)量方式的(de)不同又分(fèn)爲恒溫差(chà)法[4]、恒功率(lǜ)法🌈[5]。生産🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的(de)屬于插入(ru)式恒溫差(chà)法流量計(ji),即保持兩(liang)個🔴熱電阻(zǔ)之間的溫(wen)差恒定,利(li)用🐪金氏定(ding)律可推導(dǎo)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(zhōng):P-消耗的電(diàn)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(su),m/h;d-熱電阻直(zhí)徑,m;f-常數。從(cóng)上式可看(kan)出當保持(chí)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(diàn)阻上的⚽功(gong)率P與U1/2成正(zheng)比。
流量計(jì)具有如下(xia)特點:
(1)儀表(biǎo)以标準單(dān)位測量氣(qi)體質量流(liú)量而無須(xū)溫度及壓(ya)✏️力🛀補❓償,同(tong)時可以測(cè)量過程氣(qi)體溫度。多(duō)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(shū)出;100Hz,5～24V隔離脈(mò)沖流量輸(shu)出,最大10mA;USB接(jie)口連接PC端(duān)FoxView軟🥰件查看(kàn)、設置、校準(zhun)、數據記錄(lu)等功能;HART和(hé)RS485Modbus可選;
(3)采用(yòng)Cal-VTM在線驗證(zheng)校準功能(néng):該功能是(shi)可以在線(xiàn)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(chù)理電路,隻(zhī)需一個按(àn)鍵即可。在(zai)測試結束(shu)後,流量計(ji)會顯示成(chéng)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻功或失敗(bai)信息并存(cún)儲Cal-VTM校驗數(shù)據以便随(suí)時查看。在(zài)測試過程(chéng)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(diàn)氣特性,将(jiang)這些數據(ju)與流量計(jì)電子單元(yuan)中存儲的(de)出廠标定(ding)數據對比(bǐ),如數據在(zai)容差範圍(wéi)内,則表明(míng)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(cheng);其他氣體(ti)±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(an)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(diàn):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(qī)間,需保持(chí)安全殼内(nèi)與外部大(dà)氣♉之間的(de)潛在過壓(yā)應小于60mbar,如(rú)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(su)有殼内氣(qì)動控制設(she)備的工作(zuò)排氣和漏(lou)氣、殼内外(wai)壓差導緻(zhì)貫穿件的(de)洩漏等,其(qí)中氣動控(kong)制設🌈備的(de)工作排氣(qì)或漏氣是(shì)❤️導緻核反(fǎn)應堆廠房(fáng)内壓力上(shang)升的主要(yao)因素。根據(ju)核電🏃🏻站儀(yí)用壓縮空(kong)氣分配系(xì)統流🏃程圖(tú)(下圖1),可知(zhī)監視安全(quan)💃🏻殼内氣動(dong)控制㊙️設備(bei)所需壓縮(suo)空氣總量(liàng)的流量計(ji)爲1SAR001MD,測量信(xin)号直接送(sòng)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(biǎo)量⛱️程0-10Nm3/h。

　　原設(shè)計供貨的(de)流量計爲(wei)法國福爾(er)赫曼公司(sī)生産的渦(wo)輪流♋量計(ji),型号爲:TGN25G6.5(150#)帶(dài)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(xià)遊直管段(duàn)要求都比(bi)較高,适宜(yí)用在壓力(lì)變化不大(da)、流速比較(jiào)穩定,需要(yào)精确計量(liang)物料總量(liang)的場所。實(shi)際使用過(guò)程中🚶發現(xiàn)渦輪流量(liàng)計波動比(bi)較大,并有(yǒu)歸零現象(xiang)發生,流量(liàng)曲線如下(xià)圖2所示,其(qí)在DCS裏🐉面的(de)組态如下(xia)圖3所示,計(jì)算公式如(rú)下:

　　式中:QN-換(huàn)算後标準(zhun)狀态下流(liú)量,Nm3/h;QAV-現場流(liú)量計上傳(chuan)到DCS的✂️流量(liang)值,m3/h;TN-标準狀(zhuàng)态下溫度(dù)值,K;PAV-現場實(shí)測壓力,MPα;TAV-現(xiàn)場實測溫(wēn)度🔆值,K;PN-标準(zhǔn)狀态下♉壓(ya)力,MPα;ZN、Z-修正系(xì)數,約等于(yú)1。儀控氣源(yuan)🈲管路正㊙️常(chang)運行時壓(yā)力爲0.8MPa左右(you),由上述計(jì)算公式可(kě)知管道内(nèi)實際流量(liang)會小于2m3/h,低(dī)于👣儀表的(de)最🙇🏻小量程(cheng)要求,現場(chang)将渦輪流(liú)量計拆下(xià)後對其重(zhòng)新進行了(le)校驗,發現(xiàn)當流量低(di)于1.5m3/h時,流量(liang)計線性比(bi)較📐差,不能(néng)滿足現場(chang)❄️要求。現場(chǎng)氣動設備(bei)的頻繁動(dòng)作也會導(dǎo)緻整個管(guan)路的壓力(lì)波動比較(jiào)明顯,從而(er)影響流量(liang)計的穩定(dìng)測量🏃🏻。
　　考慮(lü)到現場工(gong)況比較特(tè)殊,正常運(yùn)行時用氣(qì)量比較💯小(xiao),壓力波🏃🏻動(dong)比較大,測(ce)量範圍比(bǐ)較寬,對儀(yí)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(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(guan)路改造及(ji)電源改造(zao)
　　選用的質(zhì)量流量計(jì)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(jiē),管徑尺寸(cun)也不變,爲(wèi)滿足流量(liàng)計對上下(xia)遊直管段(duàn)的要求,需(xū)對上下遊(yóu)管道進行(hang)改造,改造(zào)前後上下(xià)遊直管❄️段(duàn)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(yin)此需要增(zēng)加🚩1面220VAC轉24VDC的(de)就地電源(yuán)箱。表頭處(chù)接線如下(xià)圖4所示,右(yòu)♌側接24VCD電源(yuan)線來⭕自就(jiù)地電源箱(xiāng),左側接信(xin)号線送至(zhì)DCS。Fox熱式流量(liang)計的4-20mA輸出(chu)均爲無源(yuán)輸出,需DCS側(cè)提供額外(wai)的24VDC電源,改(gǎi)造後✨的流(liu)量計無須(xū)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(hào)先送隔離(lí)模塊NM3480,然後(hou)通過内部(bù)數據通信(xìn)送至8通道(dào)輸入模塊(kuai)NM480,信号采集(ji)流程圖如(rú)下圖5所示(shì)。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(chǎng)電流信号(hào)💔到功能模(mo)塊的相互(hù)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(jiē)線模式可(ke)供選擇,SAR001MD信(xin)号接An、Bn端子(zǐ),表示需DCS供(gong)電且有電(dian)🎯流限制。

　　NM480是(shì)8通道路間(jian)隔離型電(dian)流輸入模(mó)塊,通過64針(zhen)歐式連接(jiē)器與機籠(lóng)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(qì))完成數據(ju)交換。NM480模塊(kuài)依靠64針歐(ōu)式連接器(qi)從端子模(mo)塊經機👉籠(lóng)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(bǎo)護與信号(hao)調理電路(lu)進入A/D轉換(huàn)電路,之後(hou)将采集的(de)數據經光(guang)電隔離後(hòu)送入微控(kong)制器進行(háng)數據處理(li),最終通過(guò)Profibus-DP現場總線(xian)将數據上(shàng)🏃‍♀️傳到主控(kòng)制器。NM480模塊(kuài)的微控制(zhi)器及通訊(xùn)電路部分(fen)由系統輸(shu)入的5V電源(yuán)供電;通道(dao)采集電路(lu)部分由💛系(xì)統輸入的(de)24V電源經8路(lù)相✊互隔離(lí)的DC/DC轉換爲(wèi)5V電源供🏃‍♀️電(diàn)。


　　由(you)于熱式質(zhi)量流量計(jì)以标準單(dan)位測量氣(qi)體流量而(ér)無需🔞額🌏外(wai)的溫度壓(yā)力補償,同(tóng)時可以測(ce)量過程氣(qì)體溫度,因(yīn)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(jí)爲測得的(de)标🐆準流量(liang)信号。
3.3改造(zào)後效果
　　現(xian)場使用熱(re)式質量流(liú)量計完成(cheng)改造後的(de)流量曲🙇🏻線(xian)如下圖7所(suǒ)示,對比原(yuán)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(zhen)動,滿足現(xiàn)場計量要(yao)求。
4結束語(yu)
　　熱擴散原(yuan)理是一種(zhǒng)易安裝、低(dī)維護的氣(qì)體流量測(ce)量方式,熱(rè)式質量流(liú)量計以其(qí)重複性好(hǎo)、靈敏度高(gao)🧡、操作簡單(dān)等特點在(zài)工業領域(yu)得到了廣(guang)泛的應用(yòng)💛。核島儀控(kòng)用氣源管(guan)道⭐流量計(jì)在使用熱(re)式質量流(liu)🙇‍♀️量計進行(háng)成功改造(zào)後,運行平(píng)穩,滿足了(le)現場精度(du)要求和控(kòng)制要求,經(jīng)過一年多(duō)時間的觀(guān)察,在測量(liàng)微小流量(liang)氣體情況(kuàng)下無論在(zai)精度、安裝(zhuang)、維護等方(fāng)☔面都由于(yu)渦輪流量(liàng)計。

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