摘要:核電機組正常運行過程中需要控制好核島內(nèi)外差壓,而島內(nèi)氣動控制設備的用氣量是影響內(nèi)外差壓的重要因素,因此需要對該用氣量進行準確而穩(wěn)定的計量。原渦輪流量計在使用過程中波動比較大,不能滿足現(xiàn)場要求。詳細論述了熱式質(zhì)量流量計在核島儀用氣源系統(tǒng)中的改造過程,通過改造前后測量值曲線的對比,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、正確率等指標均優(yōu)于渦輪流量計。
1引言
熱式質(zhì)量流量計是采用熱擴散原理直接測量氣體質(zhì)量的流量計[1],無須溫度和壓力補償,同時可以測量介質(zhì)的溫度,與其他常用流量計相比,具有量程比寬、抗振性能好、低流速時輸出信號靈敏度高等特點[2]。
由于核電項目的特殊性,核島內(nèi)主要使用容積式流量計和葉輪式流量計來進行氣體流量測量,如渦輪流量計、浮子式流量計和旋進旋渦流量計等,較少使用質(zhì)量流量計。防城港核電站1號機儀表壓縮空氣分配系統(tǒng)(SAR)氣源管道上流量計SAR001MD原型號為渦輪流量計,在使用過程中發(fā)現(xiàn)小流量工況下該類型流量計測量不準確,波動頻繁,線性度較差等問題。通過分析系統(tǒng)狀況及各類型流量計特點,現(xiàn)場嘗試使用熱式質(zhì)量流量計對原渦輪流量計進行了改造,改造后的測量值波動幅度大幅減小,沒有回零現(xiàn)象發(fā)生。
2熱式質(zhì)量流量計原理及特點簡介
熱式質(zhì)量流量計基于熱擴散原理,其典型傳感器元件包括兩個鉑熱電阻,當這兩個熱電阻被置于流體中時,其中一個被加熱,另外一個用于測量介質(zhì)溫度,兩個熱電阻之間的溫差與過程流速及過程機制的性質(zhì)有關[3],根據(jù)測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,即保持兩個熱電阻之間的溫差恒定,利用金氏定律可推導出加熱功率與流量間的關系如下[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)。從上式可看出當保持加熱電阻和測溫電阻之間的溫差△T不變時,加熱電阻上的功率P與U1/2成正比。
流量計具有如下特點:
(1)儀表以標準單位測量氣體質(zhì)量流量而無須溫度及壓力補償,同時可以測量過程氣體溫度。多種計量單位可現(xiàn)場選擇(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、設置、校準、數(shù)據(jù)記錄等功能;HART和RS485Modbus可選;
(3)采用Cal-VTM在線驗證校準功能:該功能是可以在線原位校準流量計準確度,測試傳感器功能性和相關信號處理電路,只需一個按鍵即可。在測試結(jié)束后,流量計會顯示成功或失敗信息并存儲Cal-VTM校驗數(shù)據(jù)以便隨時查看。在測試過程中,流量計的微處理器調(diào)節(jié)信號傳感器的信號,并判斷其電氣特性,將這些數(shù)據(jù)與流量計電子單元中存儲的出廠標定數(shù)據(jù)對比,如數(shù)據(jù)在容差范圍內(nèi),則表明流量計測量準確。
(4)測量范圍:0.07～71Nm3/h;
(5)測量精度: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)響應時間:0.9秒;
(7)量程比最高1000:1,典型100:1;
(8)安裝時,上游至少大于等于8個管徑,下游大于等于4個管徑;
(9)供電:標準24VDC,±10%,0.75A;可選220VAC,50Hz,20W功率。
3應用
3.1工藝系統(tǒng)簡介
核電機組在正常運行期間,需保持安全殼內(nèi)與外部大氣之間的潛在過壓應小于60mbar,如超過60mbar則需采取措施進行降壓處理。影響安全殼內(nèi)部壓力變化的因素有殼內(nèi)氣動控制設備的工作排氣和漏氣、殼內(nèi)外壓差導致貫穿件的泄漏等,其中氣動控制設備的工作排氣或漏氣是導致核反應堆廠房內(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)氣動控制設備所需壓縮空氣總量的流量計為1SAR001MD,測量信號直接送至DCS。正常運行時系統(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。
原設計供貨的流量計為法國福爾赫曼公司生產(chǎn)的渦輪流量計,型號為:TGN25G6.5(150#)帶前置放大器FH710,量程為2-10Nm3/h。渦輪流量計對被測介質(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,需要精確計量物料總量的場所。實際使用過程中發(fā)現(xiàn)渦輪流量計波動比較大,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,計算公式如下:
式中:QN-換算后標準狀態(tài)下流量,Nm3/h;QAV-現(xiàn)場流量計上傳到DCS的流量值,m3/h;TN-標準狀態(tài)下溫度值,K;PAV-現(xiàn)場實測壓力,MPα;TAV-現(xiàn)場實測溫度值,K;PN-標準狀態(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行時壓力為0.8MPa左右,由上述計算公式可知管道內(nèi)實際流量會小于2m3/h,低于儀表的最小量程要求,現(xiàn)場將渦輪流量計拆下后對其重新進行了校驗,發(fā)現(xiàn)當流量低于1.5m3/h時,流量計線性比較差,不能滿足現(xiàn)場要求�，F(xiàn)場氣動設備的頻繁動作也會導致整個管路的壓力波動比較明顯,從而影響流量計的穩(wěn)定測量。
考慮到現(xiàn)場工況比較特殊,正常運行時用氣量比較小,壓力波動比較大,測量范圍比較寬,對儀表的精度要求比較高,通過分析比較各類流量計的特點后決定采用熱式質(zhì)量流量計對渦輪流量計進行換型改造。
3.2改造過程
3.2.1管路改造及電源改造
選用的質(zhì)量流量計型號為: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,為滿足流量計對上下游直管段的要求,需對上下游管道進行改造,改造前后上下游直管段參數(shù)詳見下表1:
熱式質(zhì)量流量計需要單獨提供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電源線來自就地電源箱,左側(cè)接信號線送至DCS。Fox熱式流量計的4-20mA輸出均為無源輸出,需DCS側(cè)提供額外的24VDC電源,改造后的流量計無須壓力和溫度補償。
3.2.2DCS側(cè)接線及邏輯修改
現(xiàn)場過來的4-20mA流量信號先送隔離模塊NM3480,然后通過內(nèi)部數(shù)據(jù)通信送至8通道輸入模塊NM480,信號采集流程圖如下圖5所示。通過專用25芯預制電纜與NM480模塊配套使用,實現(xiàn)現(xiàn)場電流信號到功能模塊的相互轉(zhuǎn)接與傳遞。根據(jù)是否需要DCS提供電源以及有無電流限制,NM3480模塊有4種接線模式可供選擇,SAR001MD信號接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64針歐式連接器與機籠底板連接,配合端子模塊實現(xiàn)8通道路間隔離的電流信號采集。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)機籠底板輸入8路現(xiàn)場電流信號,電壓信號經(jīng)過過壓保護與信號調(diào)理電路進入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行數(shù)據(jù)處理,最終通過Profibus-DP現(xiàn)場總線將數(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)量流量計以標準單位測量氣體流量而無需額外的溫度壓力補償,同時可以測量過程氣體溫度,因此需要在DCS內(nèi)對相關邏輯進行修改,改造前后的邏輯詳見上圖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)場送過來的4-20mA信號即為測得的標準流量信號。
3.3改造后效果
現(xiàn)場使用熱式質(zhì)量流量計完成改造后的流量曲線如下圖7所示,對比原流量計曲線(上圖2),可發(fā)現(xiàn)曲線變化比較平緩,整體波動較小,測量值在8Nm3/h上下10%范圍內(nèi)小幅振動,滿足現(xiàn)場計量要求。
4結(jié)束語
熱擴散原理是一種易安裝、低維護的氣體流量測量方式,熱式質(zhì)量流量計以其重復性好、靈敏度高、操作簡單等特點在工業(yè)領域得到了廣泛的應用。核島儀控用氣源管道流量計在使用熱式質(zhì)量流量計進行成功改造后,運行平穩(wěn),滿足了現(xiàn)場精度要求和控制要求,經(jīng)過一年多時間的觀察,在測量微小流量氣體情況下無論在精度、安裝、維護等方面都由于渦輪流量計。
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