摘要：根據熱式(shì)質量流量計 的(de)工作原理,以主(zhu)泵第三級密封(feng)洩漏流的測量(liàng)爲🔞例,分🚶‍♀️析了其(qí)在核電廠液體(ti)微小流量測量(liang)中的适用性,并(bìng)與☎️現有的測量(liang)方法進行了比(bǐ)較。
　　流量是核電(diàn)廠運行過程中(zhōng)重要的過程參(can)數之一💃,常用的(de)流量測量儀表(biao)有 孔闆流量計(ji) 、 超聲波流量計(ji) 、 電磁流量計 以(yi)及熱式質量流(liú)量計等。熱式質(zhì)量流量計目前(qián)多👄用于工業中(zhōng)氣體流量的測(cè)量,在核電廠中(zhōng)則普遍應用于(yu)通風系統流量(liàng)測量場合。在采(cai)用軸封型主泵(beng)的核電廠中,主(zhǔ)泵第三級密✌️封(feng)洩漏流是典型(xíng)的💞微小流量工(gong)況。孔闆流量計(ji)和超聲波流✍️量(liang)計通常并不适(shi)用或不能取得(dé)良好的測量效(xiao)果，熱式質量💋流(liu)量計自問世🈲以(yi)來,已在核電🐆廠(chǎng)通風系統中獲(huò)得了成功的🏒應(yīng)用,而在液體微(wei)小流量測量方(fāng)面,熱式質量流(liú)量計也具有一(yī)定的适用性。
1熱(re)式質量流量計(jì)的原理
　　熱式質(zhi)量流量計是利(lì)用熱傳導原理(li),即通過流動中(zhong)的流體與熱源(yuán)之間的熱量交(jiāo)換，來測量介.質(zhi)流量的儀表,主(zhǔ)要可分爲兩💘類(lei):利用流體流動(dong)傳遞熱量改變(biàn)測量管壁溫度(du)分布(即熱傳導(dao)分布)效應的熱(re)分布式流量計(ji),也稱爲量熱式(shi)質量流量計;利(lì)用熱消散效應(ying)(基于金氏定律(lǜ))的侵人式質量(liang)流量計,也稱爲(wèi)導熱🏒式質量流(liú)量計或插人式(shì)質量流量計。
　　熱(rè)分布式質量流(liu)量計的工作原(yuán)理是在測量管(guǎn)外壁上、下遊各(gè)繞兩組加熱/檢(jiǎn)測線圈,兩組線(xian)圈通以恒定電(diàn)流加熱，當流🐆體(tǐ)靜止(無流量通(tong)過)時,兩組線圈(quān)中心上、下遊溫(wēn)度分布處于對(dui)稱平衡狀态,兩(liang)組❌檢測線圈的(de)電阻相等;當有(you)流體流動時,流(liu)體将，上遊管壁(bi)熱量帶走傳遞(di)給⚽下遊管壁,破(po)壞原平衡狀😄态(tai),線圈電阻産生(shēng)差異,檢測其差(cha)值從而求得流(liu)體質量流量:
 
式(shì)中A----熱傳導系數(shu);
Cp----被測介質的定(dìng)壓比熱容;
K----常數(shu)。
　　熱消散效應(基(ji)于金氏定律)侵(qin)人式質量流量(liang)計的工作原理(lǐ)是将兩個溫度(dù)傳感器(一般爲(wei) 鉑熱電阻 )分别(bie)置于管道的流(liú)體中，由其中一(yi)個鉑電阻測得(de)流體本身的🛀溫(wēn)度T,另一個鉑電(dian)阻經一定功率(lü)的電加熱,其溫(wen)度Tv高于T,當流體(tǐ)靜止時其溫度(dù)最高，伴随着管(guan)道中流體流量(liàng)的增加，流✏️體流(liú)動帶走更多熱(rè)量使Tv降低,即可(kě)通過溫度差求(qiu)取流量值。基于(yu)金氏😄定律的熱(rè)絲熱散失率爲(wèi):
 
式中cp一流體的(de)定容比熱容;
d一(yi)熱絲直徑;
H/L一單(dān)位長度熱散失(shi)率;
V一流體的流(liu)速;
ρ一流體的密(mi)度;
λ一流體的熱(rè)導率。
　　侵人式質(zhì)量流量計根據(jù)對鉑熱電阻的(de)加熱方式,又分(fen)爲恒功率式、恒(heng)溫差式和恒比(bi)率式。
　　恒功率式(shì)是在加熱電路(lu)上用一個恒定(ding)功率的電能對(dui)鉑電阻進行加(jiā)熱，流體介質在(zai)靜态時,被加熱(re)的鉑電阻🔴和沒(méi)有被加熱的鉑(bo)電阻之間溫度(dù)差最大,随着流(liú)體介🈲質的流動(dòng),被加熱鉑電阻(zǔ)上溫度降低，則(zé)兩個🧡鉑電阻之(zhī)間的溫差減小(xiǎo)。恒功率式熱式(shì)質量流量計🌈是(shì)通過測量溫差(chà)的變化來獲得(de)流體♍介質流量(liang)的㊙️變化。
　　恒溫差(cha)式是加熱一支(zhi)鉑電阻，使其比(bi)不加熱的鉑電(diàn)阻高出❤️一個恒(héng)定的溫度。随着(zhe)流體介質的流(liú)動🚩,被加熱的鉑(bo)電阻由于散熱(rè)而導緻溫度降(jiàng)低，通過反饋電(diàn)路反饋到處理(li)器增大加熱器(qi)的電流(也可以(yi)是電壓⭕)來保持(chí)其🚶溫差爲恒定(ding)值,再通過檢測(cè)變化的電流(或(huò)電壓)來獲得🌈流(liu)量的變化值。恒(héng)比率式⛷️是在恒(héng)溫差原理的基(jī)礎上，通過調.節(jie)施加在加熱端(duan)熱電阻.上的加(jiā)熱電流以保證(zhèng)被加熱的鉑電(diàn)阻阻🔅值與不加(jia)熱的鉑電阻阻(zu)值成-恒定比率(lǜ)。同恒溫差式質(zhì)量流量計一樣(yang),恒比率式質量(liàng)流量計也是通(tōng)過檢測變化的(de)電流來♈獲得管(guǎn)道中流體的流(liu)量值。
2核電廠中(zhōng)微小流量的測(cè)量與熱式質量(liang)流量計的應用(yòng)
2.1核電廠中的典(diǎn)型微小流量測(cè)量工況
　　在使用(yong)軸封型反應堆(dui)冷卻劑泵(主泵(beng))的核電廠中,主(zhǔ)泵的第三級密(mi)封洩漏流是一(yi)-種典型的微小(xiǎo)流量工況。軸封(fēng)系統是軸封🐆型(xing)主泵的關鍵部(bù)件,其長期可靠(kào)運行不僅關系(xì)到核電廠的正(zhèng)常運行,也直接(jiē)影響到核電廠(chang)的安全。軸封的(de)功能是保證核(he)電🔞廠正常運行(háng)期間從一回✍️路(lu)系統沿主🌈泵泵(beng)軸向安全殼空(kong)間環境的反應(yīng)堆冷卻劑洩漏(lou)量基本㊙️爲零,要(yao)求其長☁️期處于(yu)🏒高壓差♻️工況，并(bìng)維持可控洩漏(lòu)率。軸封一旦失(shi)效會導緻核電(dian)廠一回路🈲的壓(ya)力邊界完整性(xing)喪失,其洩漏率(lǜ)如果超💚過了化(hua)容系統的補給(gěi)能力.則會導緻(zhì)潛在的小破口(kou)失水事故的發(fa)生,影響電廠安(an)全。典型的流體(tǐ)動壓型軸封系(xì)統通常由3道串(chuàn)聯機械密封和(hé)1道停車密封組(zǔ)成,通過降壓✂️裝(zhuāng)置将一回路系(xi)統壓力分配到(dào)串聯的各級密(mì)封上面，從而降(jiàng)低單級密封承(cheng)受的壓力,增加(jiā)主泵軸封長期(qī)運行的可靠🌍性(xìng)。通過三級降壓(yā)，主泵第三道♍密(mi)封之後壓力降(jiàng)低至大氣壓。考(kǎo)慮到若主泵第(dì)三級密封洩漏(lou)流流量過大，說(shuō)明🔞密封可能已(yǐ)💔磨損或🤩損壞,流(liu)量過小,則對密(mì)封面的散熱和(hé)潤滑不利，而❤️影(ying)響軸封壽命。因(yin)而在核電廠正(zhèng)常運行工況下(xià)，主🛀🏻泵第三級密(mì)封洩漏流的流(liu)量約爲5L./h左右",當(dang)流量達到50./h時.則(ze)需要産生報警(jǐng)提醒操作員。
2.2常(chang)用的主泵第三(san)級密封洩漏流(liú)量測量方法
　　目(mu)前在多個核電(diàn)廠(例如秦山核(hé)電)中,采用容積(ji)式流量測量的(de)方法，即通過液(yè)位儀表測量主(zhu)泵密封洩漏流(liu)量在容❄️器中的(de)變⭐化速率來推(tuī)算洩漏流量。測(cè)量示意圖如圖(tu)1所示。
 
　　容積式流(liu)量測量裝置一(yi)般由容器(允許(xǔ)流人和流出)和(hé)液位開關組成(cheng)。當正常運行時(shi)，容器内的液位(wèi)随液體流人和(hé)流出速率的變(bian)化而變化:
 
式中(zhong)
a-容器下洩口的(de)面積;
A一容器的(de)截面積;
f(t)一洩漏(lòu)流的瞬時流量(liang);
h(t)--容器内液位。
　　當(dāng)流量增大時，流(liu)人容器的流量(liang)大于經容器下(xia)洩口流出💁的流(liu)量，容器内的液(yè)位開始.上升。當(dang)上升至容器内(nèi)的🔴設定💞點時🤞，觸(chu)發液位開關動(dong)作,發生報警,表(biao)明第三級洩漏(lou)流的流量過大(dà)。若将液位測量(liàng)儀表由液位開(kāi)關改爲液位變(bian)送器 ,并配合數(shù)據采集和處理(lǐ)系統,則可獲取(qǔ)洩漏流實時流(liu)量。
2.3熱式質量流(liú)量計的适用性(xìng)
　　考慮到容積式(shi)流量測量裝置(zhi)結構較複雜,安(ān)裝維護和校準(zhǔn)✏️不✍️方便,有必要(yào)在滿足精度和(hé)抗震.性能要求(qiú)🔞的前提下,采用(yòng)安裝和維護方(fang)便的其他形式(shi)❌流量測量儀表(biǎo)。熱式質量流量(liang)計已在氣體流(liú)量測❓量領域獲(huò)得了成功的應(yīng)用,具有無可動(dong)部件、壓損小及(jí)量程比寬等特(tè)點,例如在核電(dian)廠的通風系統(tǒng)中,已成功地替(tì)代皮托管成爲(wei)重要的測量方(fāng)式。但🌈在液位流(liú)量測量領域,熱(rè)💞式質量流量計(jì)的應用仍🔞具💯有(yǒu)局限性。
　　由式(2)可(ke)知,熱絲的熱散(san)失率與流體的(de)熱導率、比熱容(róng)🔞、流速和密度有(yǒu)關。相對于通風(fēng)系統中的空氣(qi)來😘說,水是-種具(jù)有較大比熱容(rong)、較大密度和熱(re)導率的介質。在(zài)相同的流速下(xià),水帶走的熱量(liàng)遠大于空氣,對(duì)于以恒定功率(lü)加熱熱端鉑電(diàn)阻的恒功率型(xing)熱式質量流量(liang)計,爲了适應水(shui)流量的測量,加(jiā)熱電路🚩會采用(yòng)比較高的加熱(re)功率爲熱端鉑(bo)電阻進行加熱(re);對于恒🈲溫差型(xing)的熱式質量流(liu)量計,爲了維持(chi)兩個鉑電阻之(zhī)間恒定的溫差(cha),加熱電路同樣(yàng)會處于比較高(gao)的加熱功率狀(zhuàng)态下,且加熱功(gōng)率将随水流量(liàng)的增大而增大(da)。因而,無🛀🏻論是恒(héng)功率型還是恒(héng)溫差型,加熱功(gōng)♻️率的提高會對(dui)流量計的安全(quan)性和壽命有很(hěn)大的影響,也使(shi)其㊙️應用環境造(zao)成一定的局🔞限(xiàn)性。而恒🏃‍♂️比率式(shì)流量計由于通(tōng)過調節施加在(zài)熱端熱電阻上(shàng)的加熱電流,使(shǐ)熱端熱電阻的(de)阻值與冷端熱(rè)電阻的阻值成(cheng)一恒定比率,因(yin)🥵而同恒溫差式(shì)流量計相🔞比,在(zai)測量相同流速(su)流體的情況下(xià),恒比率式流量(liang)計熱端鉑電阻(zu)的加熱電流要(yào)小于恒溫差式(shì),因而其加熱功(gong)率不會過高而(ér)産生儀表安全(quán)性和使用壽命(ming)方面的不利影(ying)響。對于主泵第(dì)三級密封洩漏(lou)流這種微小流(liu)量的測量,相對(duì)于恒功率式和(hé)恒溫差式,恒比(bi)率式熱🏃🏻式質量(liàng)流量計具有更(gèng)好的應用價值(zhí)，然而對于較大(da)液體流📱量的測(cè)量🔞則并🛀不适用(yong)。恒比率式流量(liang)計的熱端鉑電(diàn)阻加熱🌈電流Ih與(yǔ)❄️介質質量流量(liang)m的關系爲:
 
式中(zhong)Ap-一流體流經管(guan)道的截面積;
As一(yī)傳感器參與熱(rè)交換部分的表(biao)面積;
C1、C2一通過校(xiao)準确定的常數(shù);
d一熱電阻傳感(gǎn)器直徑;
k一流體(ti)熱導率;
Ls一傳感(gǎn)器損耗能量的(de)因數;
n一校準過(guo)程中通過回歸(gui)确定的指數;
Pr一(yī)流體的普朗特(tè)數;
Rc一冷端鉑電(dian)阻阻值;
Rco一冷端(duan)鉑電阻在0℃時的(de)阻值;
RH一熱端鉑(bó)電阻阻值;
RH0一熱(re)端鉑電阻在0C時(shi)的阻值;,
r一恒比(bǐ)率參數(自加熱(re)系數),r=
 
a一鉑電阻(zu)的參數。
2.3.1基本性(xìng)能
　　熱式質量流(liú)量計作爲一種(zhong)直接測量質量(liàng)流量的智能型(xing)流量儀表,具有(yǒu)結構簡單、體積(ji)小、數字化程度(dù)高及安❌裝方便(biàn)等優點。熱式質(zhi)量流量計的.測(cè)量精度一般約(yuē)爲±1%,重複性爲±0.2%;量(liàng)程📧比寬可達100:1,最(zuì)高可達1000:1;在-40~60℃的環(huán)境溫度下可正(zhèng)常工作;可耐受(shou)3MPa或更高的管🔅道(dao)壓力;允許🎯介質(zhi)工作溫度-70~400℃;允許(xu)被測液體的流(liu)速爲0~4m/s;支持HART協議(yi)。另外，具有壓損(sun)小、直管段要求(qiu)低和允許動态(tai)修正的特點，其(qí)響應時間較長(zhang),未采用特殊設(she)計時可達幾秒(miao)。熱⛱️式質量流量(liang)計具有👣一體式(shi)和🤞分體式兩種(zhǒng).結構，在累積輻(fú)照劑量較大區(qū)域，可采用分體(tǐ)式流量計進行(háng)測量，信号處理(li)部分布置于❄️累(lèi)積輻照劑量較(jiao)小區域。
　　主泵第(dì)三級密封洩漏(lòu)流正常工況下(xia)在5L/h左右,達到50L/h時(shí)報警,不用🈲于過(guò)程控制。在電廠(chǎng)正常運行工況(kuang)下，測點⛹🏻‍♀️所在區(qu)域⚽的環境溫度(du)約爲50℃以下,工作(zuo)壓力小于0.6MPa,工作(zuo)溫度小于100℃，要求(qiú)測量範圍的量(liàng)‼️程比約爲30:1,屬于(yu)非1E級測點。因此(cǐ),就測量要求而(er)言，熱式質量流(liu)量計适用于主(zhu)泵第三級密封(feng)洩漏流量的測(cè)量。
2.3.2抗震性能
　　由(yóu)于主泵第三級(jí)密封洩漏流測(ce)點位于安全殼(ké)内,周圍存在1E級(jí)儀表和核級管(guǎn)道,盡管測點本(ben)身不需要在💋設(she)計基準事件工(gōng)況下執行功能(neng),但不應對其他(ta)需要執行功能(neng)的設備或儀表(biǎo)造成📱損害，因而(ér)用于該測點的(de)儀表應滿足抗(kang)震要求，在SSE地震(zhèn)載荷下,滿足結(jie)構完整性的要(yào)求㊙️,避免放射性(xìng)物質經儀表🐆破(pò)口向環境⛹🏻‍♀️釋放(fàng)以及對周圍1E級(jí)儀表和核級設(she)備産生潛在危(wēi)害。
　　熱式質量流(liu)量計結構簡單(dān),除進行抗震試(shi)驗外,抗⛷️震分析(xī)👉亦可用于分析(xi)其抗震性能。在(zai)抗震分析中,需(xū)要重點對薄弱(ruò)部位進行應力(lì)分析,通常包括(kuo)傳感器與管道(dao)相交的節點處(chu)、螺紋連接處及(ji)法蘭連接處等(děng)位♻️置。
　　對某一型(xíng)号熱式質量流(liu)量計進行抗震(zhèn)分析,取三向峰(fēng)值加速度爲6g。通(tong)過應力分析表(biǎo)明,流量計的第(dì)一-階自振頻率(lǜ)大于33Hz,在地震載(zai)荷作用下,薄弱(ruò)部位的計算應(ying)力值均小于規(guī)定的應力限值(zhí),從而認爲其在(zài)SSE地震載荷下,結(jié)🏃🏻‍♂️構完整性可以(yǐ)得到保證。
2.3.3耐輻(fu)照性能
　　因主泵(beng)第三級密封洩(xie)漏流測點位于(yu)安全殼内,在🌐電(diàn)廠正常運行工(gong)況下,探頭所處(chu)的環境具有一(yī)定的電離輻射(she)存💁在。因而,用于(yu)該測點的儀表(biǎo)應能經受--定的(de)累積輻照劑量(liang)而測量結果仍(reng)在要求的測量(liàng)精度範圍内。目(mu)前♍,對于儀表的(de)耐輻照性能，主(zhu)要采用試驗法(fǎ)進行驗證。
　　對某(mou)一型号分體式(shì)熱式質量流量(liang)計探頭進行耐(nai)輻🔞照試驗,輻射(shè)源采用钴-60,試驗(yan)時間持續40h以上(shang)，累積㊙️輻照♈劑量(liang)🐕約2x104Gy,輻照後進行(háng)功能試驗,流量(liàng)計的輸出維持(chi)在測量精度範(fan)圍内，表明該型(xíng)流量計可以經(jing)受若幹年的累(lèi)積輻照劑量而(ér)不損壞。
2.3.4安裝
　　爲(wèi)便于安裝和維(wei)護，流量計可采(cǎi)用法蘭-法蘭連(lián)接的形式。在一(yī)般情況下,爲了(le)滿足測量精度(dù),熱式質量流量(liang)計✉️對于前後🍉直(zhi)管段的要求較(jiao)高,部分型号☎️的(de)流量🔞計要求的(de)直管段長度可(ke)達到前15D、後5D以上(shang)。但由于流量計(ji)允許動🚶态修正(zheng)，經過标定和☀️修(xiu)正後,可降低熱(rè)式質🔞量流量計(jì)的前後直管段(duàn)要求。對于主🐇泵(bèng)第三級密✉️封洩(xie)漏流的測量，熱(re)式質量流量計(jì)可滿足安裝和(hé)維護要求。
2.4水流(liu)量測量試驗驗(yan)證
　　熱式質量流(liú)量計在出廠前(qian)均經過出廠标(biao)定，以确㊙️保其性(xing)能滿足要求。此(cǐ)外,爲了驗證流(liu)量計在主泵第(di)三☂️級密封洩漏(lou)流量測量場合(he)的适用性，搭建(jiàn)了模拟試驗裝(zhuāng)置❌如圖2所❄️示。試(shì)驗❤️裝置由玻璃(lí)轉子流量計、壓(yā)力表、Swagelok計量閥和(hé)管道組成。流量(liàng)計探頭安裝在(zài)壓力表和👣閥門(men)之間,測量信号(hào)通過電纜送至(zhi)流量計的數據(ju)處理單元,并最(zuì)終在顯示儀上(shang)進行顯示。計量(liàng)閥用于調節試(shi)驗裝置的流💜量(liàng),玻璃轉子流量(liang)計測得的結果(guǒ)作🐆爲熱式質量(liàng)流量計測量結(jie)果的參考,壓力(li)表用于試驗裝(zhuāng)置試驗過程壓(ya)力的測量。
 
　　由于(yú)主泵第三級密(mì)封洩漏流的流(liú)量在正常運行(hang)工況下約爲5L/h左(zuǒ)右，當達到50L/h時需(xū)要發出報警。因(yin)此，試驗點可适(shì)🔞當取爲5L/h以下、5L/h、5~50L/h和(hé)50L/h以上。通過調節(jie)計量閥達到各(gè)選取試驗點的(de)流💚量,将熱式質(zhi)量流量計的測(cè)量結果與玻璃(lí)轉子流量計測(cè)☀️量結果進行對(duì)比，結果顯示,熱(rè)式✍️質量流量計(ji)的結果與玻🔆璃(li)轉子流量計的(de)結果是相符的(de)。
2.5布置設計
　　采用(yòng)熱式質量流量(liàng)計替代容積式(shi)流量測量裝置(zhì)測量🌏主泵第三(sān)級密封洩漏流(liu)量,對于簡化洩(xie)漏流✏️管道🈲布置(zhi)😄和儀表安裝具(ju)🏃‍♂️有一定的積極(ji)作用。然而爲了(le)确🌏保流量計正(zheng)常工作,以及安(an)裝和維護方便(bian),流量計的布置(zhì)也需要采取一(yi)些措施。一般洩(xiè)漏流管道的通(tong)徑采用DN25mm,由于洩(xiè)漏流量小，在電(dian)廠運行過🐕程中(zhōng),可能出現洩漏(lou)流管道内介質(zhi)不滿管的情況(kuàng)，這一情況對于(yu)流量計的測量(liang)是不利的。爲了(le)滿足流量計測(ce)量條件，采取如(rú)下措施:熱式♈質(zhi)量流量計自帶(dài)管道🧡采用通徑(jing)較小的管道,如(rú)DN8mm,與洩漏流🌍管道(dào)通過異徑接頭(tou)進行連接;在流(liú)量計F遊适當位(wei)置設置一段向(xiang)上的坡度後再(zài)向下接至下洩(xie)管道,替代直接(jie)向下接至下洩(xie)管道的做法。通(tōng)過上述措施,避(bi)免洩漏流管道(dao)内出現介質不(bú)滿管的情🐇況。另(ling)外，流量計與管(guan)道采用法蘭安(an)裝,以簡化⭕安裝(zhuang)和維護。
3結束語(yu)
　　盡管熱式質量(liang)流量計的響應(yīng)時間較慢,但對(dui)于核電♌廠中對(dui)響應時間要求(qiú)不高的液體微(wei)小流量測量場(chang)🏒合,它提供了另(lìng)外一種選擇。除(chú)熱擴散式質量(liàng)流量計🔞外,近些(xie)年出現了基于(yu)珀爾帖效應的(de)制冷❓型熱式質(zhì)量流量計,對于(yu)液體流量的測(ce)量,也表現🧡出一(yi)定的适用性。新(xīn)型儀表的出現(xian)，爲過程測量提(tí)供了新的方💰法(fa)🈲,但其實際應用(yòng)需基于充分地(dì)分析和驗證。

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