摘要(yào):核電機組(zu)正常運行(háng)過程中需(xū)要控制好(hǎo)核島🏃内外(wai)差壓,而島(dao)内氣動控(kòng)制設備的(de)用氣量是(shì)影響内外(wài)差壓的重(zhong)🍉要因📐素,因(yīn)💃此需要對(duì)該用氣量(liang)進行準确(que)而穩定的(de)計量。原 渦(wo)輪流量計(jì) 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(yòng)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(liàng)流量在微(wēi)小流量⛷️工(gong)況下的穩(wěn)定性、正确(que)率等指标(biao)均優于渦(wō)輪流量計(jì)。
1引言
　　熱式(shi)質量流量(liang)計是采用(yòng)熱擴散原(yuán)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(shí)可以測量(liang)介質🐅的溫(wēn)度,與🌈其他(tā)常用流量(liang)計相比,具(ju)有量✏️程比(bǐ)寬、抗振性(xìng)能好、低💜流(liu)速時輸出(chu)信号靈敏(mǐn)度高等特(te)點[2]。
　　由于核(hé)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(shi)流量計來(lái)進行氣體(ti)流量測量(liang),如渦輪流(liu)量計、 浮子(zǐ)式流量計(ji) 和 旋進旋(xuán)渦流量計(ji) 等,較少使(shǐ)用質量流(liu)量計。防城(chéng)港核電站(zhan)1号機儀表(biao)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(yong)過程中發(fā)現小流量(liang)工況下該(gai)類型流量(liàng)計測量不(bu)準确,波動(dòng)頻繁,線性(xìng)度較差等(děng)問題。通過(guo)分析系統(tǒng)💞狀況及各(gè)類型流量(liàng)計特點,現(xiàn)場嘗試使(shǐ)用熱式質(zhì)量流量計(ji)對原渦輪(lún)流量計進(jìn)行了改造(zào),改造後的(de)測量值波(bo)動幅度大(da)幅減小,沒(méi)有回零現(xiàn)象發生。
2熱(re)式質量流(liú)量計原理(li)及特點簡(jian)介
　　熱式質(zhì)量流量計(ji)基于熱擴(kuò)散原理,其(qí)典型傳感(gan)器元件包(bao)括🌍兩個鉑(bó)熱電阻,當(dāng)這兩個熱(rè)電阻被置(zhì)于流體🌍中(zhōng)時,其中一(yī)個被加熱(rè),另外一個(gè)用于測量(liang)介質溫度(du)✌️,兩個 熱電(diàn)阻 之間的(de)溫差與過(guo)程流速及(ji)過程機制(zhi)的性質有(yǒu)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(lǜ)法[5]。生産❤️的(de)屬😍于插入(rù)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(dao)出💔加熱功(gong)率🧡與流量(liang)間的關系(xì)如下[6]:
P=△T[λ+2(πλcvρUd)1/2]/f
　　式中(zhōng):P-消耗的電(dian)功率,瓦;λ-流(liú)體的熱導(dǎo)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(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(kàn)🤞出當保持(chi)加熱🌈電阻(zǔ)👌和測溫電(diàn)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(biao)以标準單(dan)位測量氣(qì)體質量流(liu)量而無須(xū)溫度及壓(ya)力補償,同(tóng)時可以測(cè)量過程氣(qi)體溫度。多(duō)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(shū)出;100Hz,5～24V隔離脈(mò)沖流量輸(shu)出,最大10mA;USB接(jiē)口連接PC端(duān)🌈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(néng):該功能是(shi)可以在線(xiàn)原位校🏃‍♂️準(zhun)流量計準(zhǔn)确度,測試(shì)傳感器功(gong)能性和相(xiàng)關信号處(chu)理電路,隻(zhī)需一個按(àn)鍵即可。在(zài)測試結束(shù)後,流量計(jì)會顯示成(cheng)功或失敗(bai)信息并存(cún)儲Cal-VTM校驗數(shù)據以便随(sui)時查🌍看。在(zài)測試♍過程(cheng)中,流量計(jì)的微處理(li)器調節信(xin)号傳感器(qì)的信号,并(bing)判斷其電(dian)氣特性,将(jiāng)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(zài)容差範圍(wéi)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(xiǎng)應時間:0.9秒(miǎo);
(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(dà)于等于💁4個(gè)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(tǒng)簡介
　　核電(diàn)機組在正(zhèng)常運行期(qī)間,需保持(chí)安全殼内(nèi)與外部🧑🏾‍🤝‍🧑🏼大(da)氣之間的(de)潛在過壓(yā)應小于60mbar,如(ru)超過60mbar則需(xū)采取措施(shi)進行降壓(ya)🙇‍♀️處理。影響(xiang)🌈安全殼内(nèi)部壓力變(bian)化的因素(sù)有殼内氣(qi)動控制🌈設(she)備的工作(zuo)排氣和漏(lòu)氣、殼📐内外(wài)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(fáng)内壓力上(shang)升的主要(yào)因素。根據(ju)核電💘站儀(yi)用壓縮空(kong)氣分配系(xì)統流❓程圖(tú)(下圖1),可知(zhi)監視安全(quán)殼内氣動(dòng)控制設備(bei)所需壓縮(suō)空氣♻️總量(liàng)的流量計(jì)爲❗1SAR001MD,測💚量信(xìn)号直接送(sòng)至DCS。正常運(yùn)行時系㊙️統(tong)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(she)計供貨的(de)流量計爲(wei)法國福爾(ěr)赫曼公司(si)生産的渦(wo)輪流量計(jì),型号爲:TGN25G6.5(150#)帶(dài)前置放大(dà)器FH710,量程爲(wei)2-10Nm3/h。渦輪💯流量(liang)計對被測(ce)介質的潔(jié)淨度、上下(xià)遊直管段(duan)要求都比(bi)較高,适宜(yi)用在壓力(lì)變化不大(da)、流💰速比較(jiao)穩定,需要(yào)精确計量(liang)物料🈲總量(liàng)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(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(rú)下:

　　式中:QN-換(huàn)算後标準(zhun)狀态下流(liu)量,Nm3/h;QAV-現場流(liú)量計上傳(chuán)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(wen)度👨‍❤️‍👨值,K;PN-标準(zhun)狀❓态下壓(yā)力,MPα;ZN、Z-修正系(xi)數,約等于(yú)1。儀控氣源(yuan)管路正常(cháng)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(nei)實際流量(liang)會♊小于2m3/h,低(di)于儀表的(de)最小量程(chéng)要求,現場(chǎng)将渦輪♉流(liú)量計拆下(xià)🐉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(bǐ)較☔差,不能(neng)滿足現場(chang)要求。現場(chang)氣動設備(bèi)的頻繁動(dong)作也🔞會導(dao)緻整個管(guan)路🔴的壓力(li)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(qi)量比較小(xiao),壓力波♉動(dòng)比較大,測(cè)量範圍比(bi)較寬,對儀(yí)表的精度(dù)要求比較(jiao)高,通過分(fèn)析比較各(gè)類流量計(ji)的特點後(hòu)決定采用(yòng)熱式質🐆量(liàng)流量計對(dui)渦❌輪流量(liang)計進行換(huàn)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(qì)安裝方式(shì)不變,均爲(wei)法蘭連接(jiē),管徑尺寸(cun)也不變,爲(wei)滿足流量(liang)計對上下(xià)遊直🔅管段(duan)的要求,需(xu)對上下遊(you)管道進行(háng)改造,改造(zào)前後上下(xià)遊直管段(duan)參數詳見(jian)下表1:

　　熱式(shì)質量流量(liang)計需要單(dan)獨提供24VDC直(zhí)流電源,因(yīn)此需要增(zēng)加1面220VAC轉24VDC的(de)就地電源(yuán)箱。表頭處(chu)接線如下(xia)圖4所示,右(yòu)側接🐅24VCD電源(yuán)線來自就(jiu)地電源箱(xiāng),左側接信(xin)号線送至(zhì)DCS。Fox熱式流量(liàng)計的4-20mA輸⛷️出(chū)均爲無源(yuan)輸出,需DCS側(ce)提供額外(wài)的24VDC電源,改(gai)造後的流(liú)量計無須(xu)壓力和溫(wen)度補償。
3.2.2DCS側(ce)接線及邏(luó)輯修改
　　現(xiàn)場過來的(de)4-20mA流量信号(hào)先送隔離(li)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(jí)流程圖🐪如(rú)下圖5所示(shi)。通過專用(yòng)25芯預制電(diàn)纜與NM480模塊(kuai)配套使用(yong),實現現場(chǎng)電流信号(hao)到功能模(mo)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(mo)塊有4種接(jiē)線模式可(kě)供選擇,SAR001MD信(xìn)号接🏃‍♂️An、Bn端子(zi),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(diàn)流輸入模(mo)塊,通過64針(zhēn)歐式連接(jiē)🐉器與機籠(lóng)底闆連接(jie),配合端子(zǐ)模塊實現(xiàn)8通道路間(jian)隔離的電(dian)流🔆信号🙇‍♀️采(cai)集。NM480支持Profibus-DP協(xié)議,作爲從(cóng)站與DP主站(zhan)(主控制器(qì))完🏃🏻成數據(jù)交換。NM480模㊙️塊(kuài)依靠64針歐(ōu)式連接器(qì)從端子模(mo)塊經機籠(lóng)底闆輸❌入(rù)8路現場電(diàn)流信号🚩,電(dian)壓信号經(jing)🔅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(guang)電隔離後(hòu)送入微💛控(kòng)制器進💋行(hang)數據❄️處理(lǐ),最㊙️終通過(guò)Profibus-DP現場總線(xian)将數據上(shàng)⭐傳到主控(kong)制器。NM480模塊(kuai)的微控制(zhi)器及💔通訊(xùn)電路部分(fèn)由系統輸(shu)入的5V電源(yuán)🔅供電;通道(dào)采集電路(lu)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(zhi)量流量計(ji)以标準單(dan)位測量氣(qi)體流量而(ér)無需額外(wài)的溫度壓(yā)力補償,同(tóng)時可以測(ce)量過程氣(qì)體溫度,因(yin)此需要在(zai)DCS内對相關(guān)邏輯進行(hang)修改,改造(zao)前後的邏(luó)輯詳見上(shàng)圖3和下圖(tú)6,從下🧡圖可(ke)以看出😍改(gǎi)造後的邏(luo)輯删掉了(le)溫度和壓(ya)力修正,現(xian)場送過來(lái)的4-20mA信号即(ji)爲測得的(de)标準流量(liàng)信号。
3.3改造(zào)後效果
　　現(xian)場使用熱(rè)式質量流(liu)量計完成(cheng)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(xiàn)變化比較(jiao)平🤞緩,整體(tǐ)波動較小(xiao),測量值在(zai)8Nm3/h上下10%範圍(wéi)内小幅振(zhen)動,滿足現(xian)場計量要(yào)求。
4結束語(yǔ)
　　熱擴散原(yuan)理是一種(zhong)易安裝、低(di)維護的氣(qì)體流量測(ce)量方式,熱(re)式質量流(liu)量計以其(qí)重複性好(hǎo)、靈敏度高(gāo)、操作🐅簡單(dan)等特點在(zài)👉工業領域(yu)得到了廣(guang)泛的應用(yòng)🔱。核島儀控(kong)用氣源管(guan)道流量計(ji)在使用熱(re)式質量流(liú)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(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(liang)氣🌂體🌍情況(kuàng)下無論在(zài)精度、安裝(zhuang)、維護✍️等方(fāng)面都由于(yú)渦輪流量(liàng)計。

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