摘要(yào):核電機(ji)組正常(cháng)運行過(guò)程中需(xu)要控制(zhì)好核島(dǎo)内🛀外差(chà)壓,而島(dǎo)内氣動(dong)控制設(shè)備的用(yong)氣量是(shi)影響内(nèi)外🙇‍♀️差壓(ya)💯的重🚩要(yào)因素,因(yin)此需要(yao)對該用(yong)氣量進(jin)行💋準确(que)而⭕穩定(dìng)的🤞計量(liàng)。原 渦輪(lún)流量計(ji) 在使用(yong)過程中(zhong)波動比(bǐ)較大,不(bú)能滿足(zú)現場要(yao)求。詳🐆細(xì)論述了(le)熱式質(zhi)量流量(liàng)計 在核(he)島儀用(yong)氣源系(xi)統中的(de)改造過(guo)程,通過(guò)改造前(qian)後測量(liang)🏃🏻‍♂️值曲❓線(xian)的對比(bi),可以發(fa)現熱式(shi)質量流(liú)量在微(wēi)小流量(liàng)工況下(xia)的穩定(ding)性、正确(què)率等指(zhǐ)标均優(yōu)于渦輪(lun)流量計(ji)。
1引言
　　熱(rè)式質量(liang)流量計(jì)是采用(yong)熱擴散(sàn)原理直(zhí)接測量(liàng)氣🐅體💛質(zhì)💰量的流(liú)量計[1],無(wú)須溫度(dù)和壓力(li)補償,同(tóng)時可以(yi)♌測量介(jiè)質的溫(wen)度,與其(qí)他常用(yong)流量計(ji)相比,具(ju)有量程(chéng)比寬、抗(kang)振性能(neng)好、低流(liu)速時🍓輸(shū)出信号(hào)靈敏度(du)高🏃🏻‍♂️等特(te)點[2]。
　　由于(yu)核電項(xiàng)目的特(tè)殊性,核(hé)島内主(zhu)要使用(yong)容積式(shì)流量計(ji)和葉輪(lún)式流量(liàng)計來進(jìn)行氣體(tǐ)流量測(cè)量,如🌈渦(wō)輪流量(liang)🏃計、 浮子(zǐ)式流量(liang)計 和 旋(xuán)進旋渦(wō)流量計(ji) 等,較少(shǎo)使用質(zhi)量流量(liàng)計。防城(cheng)港核電(diàn)站1号機(jī)儀表壓(yā)縮空氣(qi)分配系(xi)統(SAR)氣源(yuán)管道上(shang)流量計(ji)SAR001MD原型号(hao)爲渦輪(lun)流量⛱️計(jì),在使用(yòng)過程中(zhōng)發現小(xiao)流量工(gōng)況下該(gai)類型流(liu)量計測(cè)量不準(zhǔn)确,波動(dòng)頻繁,線(xiàn)性度較(jiao)差等問(wen)題。通過(guò)分析系(xì)統☂️狀況(kuàng)及各類(lei)型流量(liang)計特點(diǎn),現場嘗(chang)試使用(yong)熱式質(zhi)量流量(liàng)計對原(yuán)渦輪流(liú)量計進(jìn)行了改(gǎi)造,改造(zao)後的測(cè)量值波(bo)動幅度(dù)大幅減(jian)小,沒有(you)回零現(xian)🥰象發生(sheng)。
2熱式質(zhì)量流量(liàng)計原理(li)及特點(dian)簡介
　　熱(re)式質量(liang)流量計(ji)基于熱(rè)擴散原(yuán)理,其典(diǎn)型傳感(gan)器元件(jiàn)包括兩(liǎng)個鉑熱(re)電阻,當(dang)這兩個(gè)熱電阻(zǔ)被置于(yú)🈲流體中(zhong)時,其中(zhōng)一個被(bei)加熱,另(ling)外一個(ge)用于測(ce)量介質(zhi)溫度,兩(liang)個 熱電(dian)阻 之間(jiān)的溫差(cha)與過程(cheng)流速及(jí)過程機(ji)制的性(xing)質有關(guan)[3],根👨‍❤️‍👨據測(cè)量方式(shì)的不同(tóng)又分爲(wei)恒溫差(chà)法[4]、恒功(gōng)率法[5]。生(sheng)産的屬(shu)🏃于插入(ru)式恒溫(wēn)⛱️差法流(liú)量計,即(jí)保持兩(liǎng)個熱電(dian)阻之間(jian)的溫差(cha)恒定,利(li)用金氏(shì)定律可(kě)推導出(chu)加熱功(gōng)率與流(liu)量間的(de)關系如(rú)下[6]:
P=△T[λ+2(πλcvρUd)1/2]/f
　　式中(zhōng):P-消耗的(de)電功率(lǜ),瓦;λ-流體(tǐ)的熱導(dǎo)率,J/h·m·K;cv-定容(rong)比熱容(rong),J/kg·K;ρ-流體的(de)密度,kg/m3;U-流(liu)體的流(liu)速,m/h;d-熱電(dian)阻直徑(jìng),m;f-常數。從(cóng)上式可(ke)看✨出當(dāng)♻️保持加(jiā)熱電阻(zǔ)和測溫(wēn)電阻之(zhi)間的溫(wēn)差💘△T不變(bian)時,加熱(rè)電阻上(shang)的功率(lǜ)P與U1/2成正(zhèng)比。
流量(liang)計具有(yǒu)如下特(tè)點:
(1)儀表(biao)以标準(zhun)單位測(cè)量氣體(tǐ)質量流(liu)量而無(wú)須溫度(du)🌈及壓力(li)補償,同(tóng)時可以(yi)測量過(guò)程氣體(ti)溫度。多(duō)種計量(liàng)單位可(ke)現場選(xuǎn)擇(SCFM,SFPM,Nm3/h,kg/h等);
(2)兩(liǎng)路隔離(lí)4～20mA輸出;100Hz,5～24V隔(ge)離脈沖(chòng)流量輸(shū)出,最大(da)10mA;USB接口連(lián)接PC端FoxView軟(ruan)件查看(kàn)、設置、校(xiao)準、數據(ju)記錄等(děng)功能;HART和(hé)RS485Modbus可選;
(3)采(cai)用Cal-VTM在線(xiàn)驗證校(xiao)準功能(néng):該功能(neng)是可以(yi)在線原(yuán)位校準(zhun)✨流量計(jì)準确度(dù),測試傳(chuán)感器功(gōng)能性和(he)相關信(xìn)🚶‍♀️号處理(li)電路,隻(zhi)需一個(gè)按鍵即(jí)可。在測(cè)試結束(shù)後,流🐕量(liàng)計會顯(xiǎn)示成功(gong)或失👅敗(bai)信息并(bìng)存儲Cal-VTM校(xiao)驗數據(jù)以⛹🏻‍♀️便随(sui)時查看(kan)。在測試(shì)過程中(zhong),流量計(jì)的微處(chu)理器調(diao)節信号(hao)傳感器(qì)的信号(hào),并判斷(duan)其電氣(qi)💁特性,将(jiāng)這些✏️數(shù)據與流(liú)量計電(dian)子單元(yuan)中存🥰儲(chu)的出廠(chang)标定🏃‍♀️數(shù)據🤞對比(bi),如數據(ju)在容差(cha)範圍内(nei),則表明(míng)流量計(ji)測量準(zhǔn)✍️确。
(4)測量(liang)範圍:0.07～71Nm3/h;
(5)測(cè)量精度(du):空氣±1%的(de)讀數,±0.2%的(de)滿量程(chéng);其他氣(qì)體±1.5%的讀(dú)數,±0.5%的滿(man)量程;
(6)響(xiang)應時間(jiān):0.9秒;
(7)量程(chéng)比最高(gāo)1000:1,典型100:1;
(8)安(an)裝時,上(shang)遊至少(shao)大于等(deng)于8個管(guǎn)徑,下遊(yóu)大于等(deng)于💘4個管(guǎn)徑;
(9)供電(dian):标準24VDC,±10%,0.75A;可(ke)選220VAC,50Hz,20W功率(lü)。
3應用
3.1工(gōng)藝系統(tong)簡介
　　核(he)電機組(zǔ)在正常(cháng)運行期(qī)間,需保(bao)持安全(quan)殼内與(yu)外部大(da)🥰氣之間(jian)🌈的潛在(zai)過壓應(yīng)小于60mbar,如(rú)超過60mbar則(zé)需采取(qǔ)措施進(jin)行降壓(yā)♌處理❌。影(yǐng)響安全(quan)殼内部(bù)壓力變(biàn)化的因(yīn)素有殼(ké)内氣動(dong)控制設(she)備的工(gōng)作排氣(qì)和漏氣(qi)、殼内外(wài)壓差導(dao)緻貫穿(chuān)件的洩(xiè)漏等,其(qí)中氣動(dong)控制設(she)備的工(gong)作排氣(qì)或漏氣(qì)是導緻(zhì)核反應(yīng)🌂堆廠房(fang)内壓力(li)上升的(de)主要因(yīn)素。根據(ju)核電站(zhan)儀用壓(ya)縮空氣(qi)分配系(xi)統流程(cheng)圖(下圖(tu)1),可知監(jiān)視安全(quán)殼内氣(qi)動控制(zhi)設備所(suǒ)需壓縮(suo)空氣📐總(zǒng)量的流(liú)量計爲(wei)㊙️1SAR001MD,測🈲量信(xìn)号直接(jie)送至DCS。正(zheng)常運行(hang)時系統(tǒng)參數如(ru)下:7.81-10bar,雜質(zhi):<1μm,含量:≤0.01mg/m3,接(jiē)口管徑(jing)33.4×2.77,要求儀(yí)表量🎯程(cheng)0-10Nm3/h。

　　原設計(jì)供貨的(de)流量計(jì)爲法國(guó)福爾赫(hè)曼公司(sī)生産的(de)✔️渦🍉輪流(liu)量計,型(xing)号爲:TGN25G6.5(150#)帶(dai)前置放(fàng)大器FH710,量(liàng)程爲2-10Nm3/h。渦(wo)輪流量(liàng)計對被(bei)測⭐介質(zhì)♻️的潔淨(jìng)度、上下(xià)遊直管(guǎn)段要求(qiú)都比較(jiao)高,适宜(yi)用在壓(yā)✌️力變化(huà)不大、流(liú)🔞速比較(jiào)穩定,需(xū)要精确(què)計量物(wu)料總量(liàng)的場所(suo)。實際使(shǐ)用過程(chéng)中發現(xiàn)渦輪流(liú)量計波(bo)動比較(jiao)大,并有(yǒu)歸零現(xiàn)象發生(sheng)⚽,流量曲(qu)線如下(xia)圖2所示(shi),其在DCS裏(li)👣面的組(zu)态如下(xia)圖3所示(shì),計算公(gōng)式如下(xià):

　　式中:QN-換(huàn)算後标(biao)準狀态(tai)下流量(liang),Nm3/h;QAV-現場流(liu)量計上(shàng)傳到DCS的(de)流量值(zhí),m3/h;TN-标準狀(zhuàng)态下溫(wēn)度值,K;PAV-現(xiàn)場實測(cè)壓力,MPα;TAV-現(xian)場實測(cè)溫度值(zhí),K;PN-标準狀(zhuàng)态下壓(yā)力,MPα;ZN、Z-修正(zheng)系數,約(yuē)等于1。儀(yí)😄控氣源(yuán)☂️管路正(zheng)常運行(háng)時壓力(lì)爲0.8MPa左右(you),由上述(shu)計算公(gōng)式可知(zhī)管道内(nei)實際流(liu)量會小(xiǎo)于2m3/h,低于(yú)儀表的(de)最🔴小量(liang)程要求(qiú),現場将(jiāng)渦輪流(liu)量計拆(chāi)下後對(dui)其重新(xīn)進行了(le)校驗,發(fā)現當流(liú)量低于(yu)1.5m3/h時,流量(liang)計線性(xìng)比較差(chà),不能滿(man)足現場(chang)要求。現(xiàn)❄️場氣動(dòng)設備的(de)頻繁動(dong)作🌈也會(hui)導緻整(zhěng)個管路(lu)的壓力(li)波動比(bi)較明顯(xian),從而影(yǐng)響流量(liàng)計🏃‍♀️的穩(wen)定測量(liàng)。
　　考慮到(dào)現場工(gōng)況比較(jiao)特殊,正(zhèng)常運行(háng)時用氣(qi)量比較(jiào)小,壓力(lì)💁波♍動比(bi)較大,測(ce)量範圍(wéi)比較寬(kuān),對儀表(biǎo)的精度(dù)要求比(bi)較高,通(tong)過分析(xi)比較各(ge)類流量(liang)計的特(tè)點後決(jué)定采用(yong)熱式質(zhì)量流量(liang)計對渦(wō)輪流量(liang)計進行(hang)換型改(gǎi)造。


3.2改造(zao)過程
3.2.1管(guan)路改造(zào)及電源(yuán)改造
　　選(xuan)用的質(zhì)量流量(liang)計型号(hao)爲:FT3-10F-SS-ST-E1-DD-B0-G1,改造(zao)前後流(liú)量變送(song)器安裝(zhuāng)✏️方式不(bú)🛀變,均爲(wei)法蘭連(lian)接,管徑(jing)尺寸也(ye)不變,爲(wèi)滿足流(liu)量計對(dui)上下遊(you)直💰管段(duàn)的要求(qiú),需對上(shang)下遊管(guǎn)道進行(hang)改造,改(gai)造前後(hòu)上下遊(yóu)直管✍️段(duàn)參數詳(xiang)見🐅下表(biǎo)1:

　　熱式質(zhì)量流量(liang)計需要(yào)單獨提(ti)供24VDC直流(liu)電源,因(yin)此需要(yào)增加1面(miàn)220VAC轉🏒24VDC的就(jiu)地電源(yuan)箱。表頭(tóu)處接線(xian)如下圖(tú)4所示,右(you)側接24VCD電(diàn)源線來(lái)自就😄地(di)電源箱(xiang),左側接(jie)信号線(xian)送至DCS。Fox熱(re)式流量(liang)📧計的4-20mA輸(shū)出均爲(wei)無源輸(shu)出,需DCS側(cè)提供額(e)外的24VDC電(diàn)源,改造(zào)後的流(liu)量計🆚無(wú)須壓力(lì)和溫度(du)補👌償。
3.2.2DCS側(cè)接線及(ji)邏輯修(xiu)改
　　現場(chǎng)過來的(de)4-20mA流量信(xìn)号先送(sòng)隔離模(mo)塊NM3480,然後(hou)通過内(nei)部數據(ju)通信🌏送(song)至8通道(dào)輸入模(mó)塊NM480,信号(hao)采集流(liu)程圖如(ru)下圖5所(suǒ)🈚示。通過(guò)專用25芯(xīn)✉️預制電(diàn)纜與NM480模(mó)塊配套(tao)使用,實(shi)現現場(chang)電☂️流信(xin)号到功(gōng)能模塊(kuai)的相互(hu)轉接與(yǔ)傳遞。根(gēn)據是否(fǒu)需要DCS提(ti)供電源(yuan)以及有(yǒu)無電流(liu)限制,NM3480模(mo)塊有4種(zhong)接💜線模(mo)式可供(gòng)選擇,SAR001MD信(xin)号接An、Bn端(duan)子,表示(shì)需DCS供電(diàn)且有電(diàn)流🌈限制(zhì)。

　　NM480是8通道(dào)路間隔(gé)離型電(dian)流輸入(rù)模塊,通(tōng)過64針歐(ou)式連接(jie)器與機(ji)📐籠底闆(pan)連接,配(pei)合端子(zi)模塊實(shi)現8通道(dào)路間隔(gé)離的電(dian)流信号(hào)💛采集㊙️。NM480支(zhī)持Profibus-DP協議(yi),作爲從(cóng)站與DP主(zhu)站(主控(kòng)制器)完(wan)成數據(jù)交換。NM480模(mó)塊依靠(kào)💃🏻64針歐式(shi)連接器(qi)從端子(zi)模塊經(jing)機籠底(di)闆輸入(rù)8路現場(chǎng)電流信(xin)号🏃,電壓(ya)信号經(jing)♈過過壓(ya)保護🔞與(yǔ)信号調(diào)理電路(lù)進入A/D轉(zhuan)換電路(lù),之後将(jiāng)采集的(de)數據經(jing)光電隔(gé)離後送(song)入微控(kong)制器進(jìn)行數據(jù)處理,最(zui)終通過(guò)Profibus-DP現❌場總(zong)線将數(shù)據上🆚傳(chuan)到主控(kòng)制器。NM480模(mo)👌塊的微(wēi)控制器(qì)及通🐅訊(xùn)電路部(bù)分由系(xì)統輸入(ru)的5V電源(yuán)😘供電;通(tong)道采集(jí)電路部(bu)分由系(xì)統輸入(ru)的24V電源(yuan)經8路相(xiang)互隔離(lí)的DC/DC轉換(huan)爲5V電源(yuan)供電。


　　由(yóu)于熱式(shì)質量流(liu)量計以(yǐ)标準單(dān)位測量(liàng)氣體流(liu)量而無(wu)需額外(wài)的溫度(du)壓力補(bu)償,同時(shí)可以測(cè)量過程(chéng)🌈氣體溫(wen)度,因此(ci)☀️需要在(zài)DCS内對相(xiang)關邏輯(jí)進行修(xiu)改,改㊙️造(zao)前後的(de)邏輯詳(xiáng)見上圖(tu)3和下圖(tu)6,從下圖(tú)可以看(kàn)出改造(zao)後的邏(luo)輯删掉(diao)了溫度(du)和壓力(li)修正,現(xiàn)場送過(guo)來的4-20mA信(xìn)号即爲(wei)測得的(de)标準流(liú)量信号(hao)。
3.3改造後(hou)效果
　　現(xian)場使用(yong)熱式質(zhì)量流量(liàng)計完成(cheng)改造後(hou)的流量(liang)曲線💜如(rú)下圖7所(suǒ)示,對比(bi)原流量(liang)計曲線(xiàn)(上圖2),可(kě)發現曲(qǔ)線變化(hua)比較平(píng)🌈緩,整體(ti)波動較(jiao)小,測量(liàng)值在8Nm3/h上(shàng)下10%範☂️圍(wei)内小幅(fu)振動,滿(mǎn)足現場(chǎng)計量要(yao)求。
4結束(shù)語
　　熱擴(kuò)散原理(li)是一種(zhǒng)易安裝(zhuang)、低維護(hu)的氣體(tǐ)流量測(cè)量方式(shi),熱式😍質(zhì)量流量(liàng)計以其(qí)重複性(xìng)好、靈敏(min)度高、操(cao)作簡單(dān)等特🏃🏻點(diǎn)在♋工業(ye)領域得(de)到了廣(guǎng)泛的應(ying)用🌍。核島(dao)儀控用(yòng)氣源管(guan)道🌐流量(liàng)計在使(shǐ)用熱式(shì)質量流(liú)量計進(jin)行成功(gōng)改造🏃後(hòu),運行平(ping)穩,滿足(zu)了現場(chǎng)精度要(yào)求和控(kong)制‼️要求(qiú),經過一(yī)年多時(shi)間的觀(guan)察,在測(ce)量微小(xiao)流量氣(qi)體情況(kuang)下無論(lùn)在精度(du)、安裝、維(wei)護🐆等方(fāng)❄️面都由(you)于😘渦輪(lun)流量計(jì)。

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