摘要:核電機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中需要控制好核島內(nèi)外差壓,而島內(nèi)氣動(dòng)控制設(shè)備的用氣量是影響內(nèi)外差壓的重要因素,因此需要對(duì)該用氣量進(jìn)行準(zhǔn)確而穩(wěn)定的計(jì)量。原渦輪流量計(jì)在使用過(guò)程中波動(dòng)比較大,不能滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。詳細(xì)論述了熱式質(zhì)量流量計(jì)在核島儀用氣源系統(tǒng)中的改造過(guò)程,通過(guò)改造前后測(cè)量值曲線的對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)熱式質(zhì)量流量在微小流量工況下的穩(wěn)定性、正確率等指標(biāo)均優(yōu)于渦輪流量計(jì)。
1引言
　　熱式質(zhì)量流量計(jì)是采用熱擴(kuò)散原理直接測(cè)量氣體質(zhì)量的流量計(jì)[1],無(wú)須溫度和壓力補(bǔ)償,同時(shí)可以測(cè)量介質(zhì)的溫度,與其他常用流量計(jì)相比,具有量程比寬、抗振性能好、低流速時(shí)輸出信號(hào)靈敏度高等特點(diǎn)[2]。
　　由于核電項(xiàng)目的特殊性,核島內(nèi)主要使用容積式流量計(jì)和葉輪式流量計(jì)來(lái)進(jìn)行氣體流量測(cè)量,如渦輪流量計(jì)、浮子式流量計(jì)和旋進(jìn)旋渦流量計(jì)等,較少使用質(zhì)量流量計(jì)。防城港核電站1號(hào)機(jī)儀表壓縮空氣分配系統(tǒng)(SAR)氣源管道上流量計(jì)SAR001MD原型號(hào)為渦輪流量計(jì),在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)小流量工況下該類型流量計(jì)測(cè)量不準(zhǔn)確,波動(dòng)頻繁,線性度較差等問(wèn)題。通過(guò)分析系統(tǒng)狀況及各類型流量計(jì)特點(diǎn),現(xiàn)場(chǎng)嘗試使用熱式質(zhì)量流量計(jì)對(duì)原渦輪流量計(jì)進(jìn)行了改造,改造后的測(cè)量值波動(dòng)幅度大幅減小,沒(méi)有回零現(xiàn)象發(fā)生。
2熱式質(zhì)量流量計(jì)原理及特點(diǎn)簡(jiǎn)介
　　熱式質(zhì)量流量計(jì)基于熱擴(kuò)散原理,其典型傳感器元件包括兩個(gè)鉑熱電阻,當(dāng)這兩個(gè)熱電阻被置于流體中時(shí),其中一個(gè)被加熱,另外一個(gè)用于測(cè)量介質(zhì)溫度,兩個(gè)熱電阻之間的溫差與過(guò)程流速及過(guò)程機(jī)制的性質(zhì)有關(guān)[3],根據(jù)測(cè)量方式的不同又分為恒溫差法[4]、恒功率法[5]。生產(chǎn)的屬于插入式恒溫差法流量計(jì),即保持兩個(gè)熱電阻之間的溫差恒定,利用金氏定律可推導(dǎo)出加熱功率與流量間的關(guān)系如下[6]:
P=△T[λ+2(πλcvρUd)1/2]/f
　　式中:P-消耗的電功率,瓦;λ-流體的熱導(dǎo)率,J/h·m·K;cv-定容比熱容,J/kg·K;ρ-流體的密度,kg/m3;U-流體的流速,m/h;d-熱電阻直徑,m;f-常數(shù)。從上式可看出當(dāng)保持加熱電阻和測(cè)溫電阻之間的溫差△T不變時(shí),加熱電阻上的功率P與U1/2成正比。
流量計(jì)具有如下特點(diǎn):
(1)儀表以標(biāo)準(zhǔn)單位測(cè)量氣體質(zhì)量流量而無(wú)須溫度及壓力補(bǔ)償,同時(shí)可以測(cè)量過(guò)程氣體溫度。多種計(jì)量單位可現(xiàn)場(chǎng)選擇(SCFM,SFPM,Nm3/h,kg/h等);
(2)兩路隔離4～20mA輸出;100Hz,5～24V隔離脈沖流量輸出,最大10mA;USB接口連接PC端FoxView軟件查看、設(shè)置、校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)記錄等功能;HART和RS485Modbus可選;
(3)采用Cal-VTM在線驗(yàn)證校準(zhǔn)功能:該功能是可以在線原位校準(zhǔn)流量計(jì)準(zhǔn)確度,測(cè)試傳感器功能性和相關(guān)信號(hào)處理電路,只需一個(gè)按鍵即可。在測(cè)試結(jié)束后,流量計(jì)會(huì)顯示成功或失敗信息并存儲(chǔ)Cal-VTM校驗(yàn)數(shù)據(jù)以便隨時(shí)查看。在測(cè)試過(guò)程中,流量計(jì)的微處理器調(diào)節(jié)信號(hào)傳感器的信號(hào),并判斷其電氣特性,將這些數(shù)據(jù)與流量計(jì)電子單元中存儲(chǔ)的出廠標(biāo)定數(shù)據(jù)對(duì)比,如數(shù)據(jù)在容差范圍內(nèi),則表明流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確。
(4)測(cè)量范圍:0.07～71Nm3/h;
(5)測(cè)量精度:空氣±1%的讀數(shù),±0.2%的滿量程;其他氣體±1.5%的讀數(shù),±0.5%的滿量程;
(6)響應(yīng)時(shí)間:0.9秒;
(7)量程比最高1000:1,典型100:1;
(8)安裝時(shí),上游至少大于等于8個(gè)管徑,下游大于等于4個(gè)管徑;
(9)供電:標(biāo)準(zhǔn)24VDC,±10%,0.75A;可選220VAC,50Hz,20W功率。
3應(yīng)用
3.1工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)介
　　核電機(jī)組在正常運(yùn)行期間,需保持安全殼內(nèi)與外部大氣之間的潛在過(guò)壓應(yīng)小于60mbar,如超過(guò)60mbar則需采取措施進(jìn)行降壓處理。影響安全殼內(nèi)部壓力變化的因素有殼內(nèi)氣動(dòng)控制設(shè)備的工作排氣和漏氣、殼內(nèi)外壓差導(dǎo)致貫穿件的泄漏等,其中氣動(dòng)控制設(shè)備的工作排氣或漏氣是導(dǎo)致核反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)壓力上升的主要因素。根據(jù)核電站儀用壓縮空氣分配系統(tǒng)流程圖(下圖1),可知監(jiān)視安全殼內(nèi)氣動(dòng)控制設(shè)備所需壓縮空氣總量的流量計(jì)為1SAR001MD,測(cè)量信號(hào)直接送至DCS。正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)參數(shù)如下:7.81-10bar,雜質(zhì):<1μm,含量:≤0.01mg/m3,接口管徑33.4×2.77,要求儀表量程0-10Nm3/h。

　　原設(shè)計(jì)供貨的流量計(jì)為法國(guó)福爾赫曼公司生產(chǎn)的渦輪流量計(jì),型號(hào)為:TGN25G6.5(150#)帶前置放大器FH710,量程為2-10Nm3/h。渦輪流量計(jì)對(duì)被測(cè)介質(zhì)的潔凈度、上下游直管段要求都比較高,適宜用在壓力變化不大、流速比較穩(wěn)定,需要精確計(jì)量物料總量的場(chǎng)所。實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)渦輪流量計(jì)波動(dòng)比較大,并有歸零現(xiàn)象發(fā)生,流量曲線如下圖2所示,其在DCS里面的組態(tài)如下圖3所示,計(jì)算公式如下:

　　式中:QN-換算后標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下流量,Nm3/h;QAV-現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)上傳到DCS的流量值,m3/h;TN-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下溫度值,K;PAV-現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)壓力,MPα;TAV-現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度值,K;PN-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下壓力,MPα;ZN、Z-修正系數(shù),約等于1。儀控氣源管路正常運(yùn)行時(shí)壓力為0.8MPa左右,由上述計(jì)算公式可知管道內(nèi)實(shí)際流量會(huì)小于2m3/h,低于儀表的最小量程要求,現(xiàn)場(chǎng)將渦輪流量計(jì)拆下后對(duì)其重新進(jìn)行了校驗(yàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)流量低于1.5m3/h時(shí),流量計(jì)線性比較差,不能滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。現(xiàn)場(chǎng)氣動(dòng)設(shè)備的頻繁動(dòng)作也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)管路的壓力波動(dòng)比較明顯,從而影響流量計(jì)的穩(wěn)定測(cè)量。
　　考慮到現(xiàn)場(chǎng)工況比較特殊,正常運(yùn)行時(shí)用氣量比較小,壓力波動(dòng)比較大,測(cè)量范圍比較寬,對(duì)儀表的精度要求比較高,通過(guò)分析比較各類流量計(jì)的特點(diǎn)后決定采用熱式質(zhì)量流量計(jì)對(duì)渦輪流量計(jì)進(jìn)行換型改造。


3.2改造過(guò)程
3.2.1管路改造及電源改造
　　選用的質(zhì)量流量計(jì)型號(hào)為:FT3-10F-SS-ST-E1-DD-B0-G1,改造前后流量變送器安裝方式不變,均為法蘭連接,管徑尺寸也不變,為滿足流量計(jì)對(duì)上下游直管段的要求,需對(duì)上下游管道進(jìn)行改造,改造前后上下游直管段參數(shù)詳見(jiàn)下表1:

　　熱式質(zhì)量流量計(jì)需要單獨(dú)提供24VDC直流電源,因此需要增加1面220VAC轉(zhuǎn)24VDC的就地電源箱。表頭處接線如下圖4所示,右側(cè)接24VCD電源線來(lái)自就地電源箱,左側(cè)接信號(hào)線送至DCS。Fox熱式流量計(jì)的4-20mA輸出均為無(wú)源輸出,需DCS側(cè)提供額外的24VDC電源,改造后的流量計(jì)無(wú)須壓力和溫度補(bǔ)償。
3.2.2DCS側(cè)接線及邏輯修改
　　現(xiàn)場(chǎng)過(guò)來(lái)的4-20mA流量信號(hào)先送隔離模塊NM3480,然后通過(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)通信送至8通道輸入模塊NM480,信號(hào)采集流程圖如下圖5所示。通過(guò)專用25芯預(yù)制電纜與NM480模塊配套使用,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)電流信號(hào)到功能模塊的相互轉(zhuǎn)接與傳遞。根據(jù)是否需要DCS提供電源以及有無(wú)電流限制,NM3480模塊有4種接線模式可供選擇,SAR001MD信號(hào)接An、Bn端子,表示需DCS供電且有電流限制。

　　NM480是8通道路間隔離型電流輸入模塊,通過(guò)64針歐式連接器與機(jī)籠底板連接,配合端子模塊實(shí)現(xiàn)8通道路間隔離的電流信號(hào)采集。NM480支持Profibus-DP協(xié)議,作為從站與DP主站(主控制器)完成數(shù)據(jù)交換。NM480模塊依靠64針歐式連接器從端子模塊經(jīng)機(jī)籠底板輸入8路現(xiàn)場(chǎng)電流信號(hào),電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)壓保護(hù)與信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換電路,之后將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)光電隔離后送入微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,最終通過(guò)Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線將數(shù)據(jù)上傳到主控制器。NM480模塊的微控制器及通訊電路部分由系統(tǒng)輸入的5V電源供電;通道采集電路部分由系統(tǒng)輸入的24V電源經(jīng)8路相互隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換為5V電源供電。


　　由于熱式質(zhì)量流量計(jì)以標(biāo)準(zhǔn)單位測(cè)量氣體流量而無(wú)需額外的溫度壓力補(bǔ)償,同時(shí)可以測(cè)量過(guò)程氣體溫度,因此需要在DCS內(nèi)對(duì)相關(guān)邏輯進(jìn)行修改,改造前后的邏輯詳見(jiàn)上圖3和下圖6,從下圖可以看出改造后的邏輯刪掉了溫度和壓力修正,現(xiàn)場(chǎng)送過(guò)來(lái)的4-20mA信號(hào)即為測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)流量信號(hào)。
3.3改造后效果
　　現(xiàn)場(chǎng)使用熱式質(zhì)量流量計(jì)完成改造后的流量曲線如下圖7所示,對(duì)比原流量計(jì)曲線(上圖2),可發(fā)現(xiàn)曲線變化比較平緩,整體波動(dòng)較小,測(cè)量值在8Nm3/h上下10%范圍內(nèi)小幅振動(dòng),滿足現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量要求。
4結(jié)束語(yǔ)
　　熱擴(kuò)散原理是一種易安裝、低維護(hù)的氣體流量測(cè)量方式,熱式質(zhì)量流量計(jì)以其重復(fù)性好、靈敏度高、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。核島儀控用氣源管道流量計(jì)在使用熱式質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行成功改造后,運(yùn)行平穩(wěn),滿足了現(xiàn)場(chǎng)精度要求和控制要求,經(jīng)過(guò)一年多時(shí)間的觀察,在測(cè)量微小流量氣體情況下無(wú)論在精度、安裝、維護(hù)等方面都由于渦輪流量計(jì)。

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