摘要：通過對福清核電廠1,2#機(jī)組的在線流量儀表應(yīng)用情況進(jìn)行學(xué)習(xí)和總結(jié)，分析核電廠在線流量儀表選型設(shè)計的注意事項，給出了核電廠中在線流量儀表選型設(shè)計的要點和難點。在現(xiàn)行的核安全法規(guī)要求下對于后續(xù)新建核電廠在線流量儀表選型設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。
0引言
流量測量在核電廠監(jiān)控系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用。與其它熱工檢測儀表相比，在線流量測量技術(shù)和儀表類型更多樣，選型設(shè)計更復(fù)雜。福清核電廠1,2#機(jī)組（主輔系統(tǒng)）使用了421塊在線流量計，包含了節(jié)流裝置（孔板流量計和文丘里）、浮子、容積式、電磁流量計、渦街流量計和超聲波流量計六大類型，涉及多種工況，各種類型所占比例分布如圖1所示。本文從在線流量計可測性和可靠性對流量儀表選型設(shè)計注意事項進(jìn)行分析，并輔以實際案例分析。
1核電廠在線流量計可測性
各類在線流量計的可測性，主要考慮介質(zhì)參數(shù)、適用口徑和直管段要求。
1.1介質(zhì)參數(shù)
介質(zhì)參數(shù)主要包括介質(zhì)的類型、密度、粘度、允許的壓損值以及各種工況下所測介質(zhì)的溫度、壓力和流量范圍（電磁流量計還需要考慮介質(zhì)的電導(dǎo)率是否在可測范圍之內(nèi)）。
①單一介質(zhì)的類型主要是指氣體和液體，一般情況，容積式流量計和電磁流量計只用來測量液體；其它流量計對于兩種單一介質(zhì)均可測。
②密度在體積流量測量中至關(guān)重要，常溫常壓下的介質(zhì)密度是穩(wěn)定的，是可校準(zhǔn)的，密度不穩(wěn)定的情況主要是指氣體，比如蒸汽等，一般需要溫壓補(bǔ)償進(jìn)行流量校正。
③粘度主要是液體介質(zhì)參數(shù)，對于所有與介質(zhì)直接接觸的流量計都有關(guān)系，主要是影響測量精度，尤其是對于容積式流量計這種機(jī)械接液部件直接測量的流量計影響較大。
④一般情況，流量測量產(chǎn)生壓損最大的是容積式流量計，其次是節(jié)流式差壓流量計，沒有壓損的是超聲波流量計和電磁流量計。
⑤溫度和壓力也是影響流量計使用的重要指標(biāo)，節(jié)流式差壓流量計、電磁流量計對于溫壓適用性最強(qiáng)；浮子流量計中玻璃管浮子流量計只能用于低溫低壓工況；容積式流量計對壓力不敏感，但是在高溫下容易熱膨脹變形，溫度太低又會導(dǎo)致材質(zhì)變脆，所以只適用于-30~160℃溫度范圍；超聲波流量計在測量氣體的時候要求P≥0.3MPa。
⑥流量范圍主要是指最小流速和量程比。一般情況下，流量測量均為滿管流，不同流量計能測量的最小流速是有限值的，比如渦街流量計常壓條件可測最小流速為0.4m/s，電磁流量計可測最小流速0.1m/s等。量程比是流量計的重要參數(shù)，一般情況下，差壓變送器的量程比一般為3：1，最大可達(dá)10：1；浮子流量計最大可達(dá)10：1；容積式、渦街、電磁和超聲波的量程比均可到30：1或者40：1。
1.2適用口徑
絕大部分的流量計需要與工藝管道直接連接，對于工藝管道的口徑，不同的流量計有不同的適用范圍，非特殊情況一般不進(jìn)行變徑處理。一般情況下，節(jié)流式差壓流量計適用于DN≥50的管徑；浮子流量計可以用于DN<50的管徑，最大不超過DN250；容積式流量計適用于DN15~DN500；渦街流量計適用于DN15~DN400；電磁流量計適用于DN2.5~DN3000；超聲波流量計原理上對口徑無要求，尤其擅用于大口徑流量測量。
1.3直管段要求
除了浮子流量計和容積式流量計對直管段基本沒要求以外，其它流量計對于直管段均有要求，而且前后（上下游）直管段越長越好，如表1所示。
不同流量計廠家對于直管段的最小長度有不同的要求，在很多工程中，普遍采用的最小直管段長度為前10D后5D。
2核電廠在線流量計可靠性
在滿足可測性之后，需要考慮流量計的可靠性。核電產(chǎn)品首先要考慮滿足現(xiàn)行相關(guān)核安全法規(guī)對設(shè)備等級的要求，其次要考慮儀表的精度、響應(yīng)時間、環(huán)境因素和校準(zhǔn)維護(hù)。
2.1設(shè)備等級
目前國內(nèi)獲得審批的核電項目中，核安全局要求安裝在安全級管道的流量儀表保持抗震完整性，即流量儀表的機(jī)械部件抗震等級與工藝管道抗震等級保持一致，并對儀表材料和焊接增加了相關(guān)要求；對于流量儀表的電氣部件，需要根據(jù)其執(zhí)行的功能來確定是1E級或者NC級。
2.2精度
不同的工況和監(jiān)控聯(lián)鎖要求對流量計的輸出信號有不同的精度要求（考慮線性度、遲滯性與重復(fù)性因素在內(nèi)的參考精度）。常見的在線流量計中，精度最高的是容積式流量計，次之是節(jié)流式差壓流量計和渦街流量計，再次之是電磁流量計，精度最差的是浮子流量計和超聲波流量計。
2.3響應(yīng)時間
響應(yīng)時間（量程中值附近，在10%的階躍輸入變化下，輸出上升或下降63.2%需要的時間）在流量計參與聯(lián)鎖控制的時候至關(guān)重要。平時說的響應(yīng)時間主要是指變送器（包括工作和功能類似于變送器的二次儀表）輸出電信號的時間，需要靈敏度特別高的聯(lián)鎖控制場合要求響應(yīng)時間很短，比如ms級，普通的監(jiān)控顯示則對響應(yīng)時間沒有特殊要求，幾秒鐘甚至幾十秒鐘都可滿足要求。一般來說，節(jié)流式差壓流量計和電磁流量計的變送單元響應(yīng)時間普遍可以達(dá)到0.5S以內(nèi)，渦街和容積式還有超聲波基本都可以控制在1s內(nèi)。
2.4環(huán)境因素
環(huán)境因素是決定儀表是否可以長期穩(wěn)定工作的重要因素之一，主要是輻照、振動和水塵。
輻照對于儀表的長期穩(wěn)定工作是一個挑戰(zhàn)，對于安裝布置在輻照區(qū)域（指紅、橙、黃區(qū)）的在線流量計，必須具備抗輻照能力。比如XREA059MD在嶺澳二期選用重慶川儀一體式電磁流量計，在方福項目中選用上海光華電磁流量計，因光華所供電磁流量計轉(zhuǎn)換器部分不能滿足黃區(qū)的抗輻照能力，所以分體安裝，把轉(zhuǎn)換器安裝布置到綠區(qū)房間，福清二期選用E-mag電磁流量計，因其滿足黃區(qū)的輻照強(qiáng)度，又回歸一體式。
振動對渦街流量計和超聲波流量計的工作有較大影響，比如一般壓電式渦街流量計可耐受0.2g的振動，電容式渦街流量計可耐受0.5~1g的振動。這幾類流量計都不能適用于強(qiáng)振動場所，在弱振動場合，可以采取相關(guān)減振措施，但是仍然會對這幾類儀表長期穩(wěn)定工作帶來較大影響。
水塵是任何工況都必須考慮的因素，我們遵照IEC529-1976外殼防護(hù)等級，對現(xiàn)場儀表可能出現(xiàn)的環(huán)境影響進(jìn)行分析，進(jìn)而規(guī)定此處的儀表所應(yīng)具備的防護(hù)等級IPXY（X代表防塵能力，Y代表防水能力）。
2.5安裝、校準(zhǔn)和維護(hù)
儀表安裝是儀表選型設(shè)計必須要考慮的問題，除了流量計本身安裝有簡易和繁瑣之分，測點所在位置是否方便流量計進(jìn)行安裝也必須要考慮。相對來說節(jié)流式差壓流量計是安裝最繁瑣也是最容易發(fā)生泄漏的，而法蘭式安裝的其它一體型流量計安裝相對方便，尤其是純機(jī)械計量模式的儀表，在只需就地顯示的時候尤其方便。
所有的流量計都需要定期校準(zhǔn)和維護(hù)，某些工況不適合頻繁對儀表進(jìn)行校準(zhǔn)和維護(hù)，比如高輻照區(qū)等，需要儀表有較好的重復(fù)性和較長壽命。
3核電廠流量計選型設(shè)計案例
本章選取福清核電廠1,2#機(jī)組中的設(shè)備冷卻水系統(tǒng)主泵（001/003PO）入口流量選型設(shè)計案例進(jìn)行分析。
3.1可測性分析
該流量測點的介質(zhì)參數(shù)、管道口徑和前后直管段長度如下：
介質(zhì)類型：除鹽水流向：水平
密度：975kg/m3動力粘度：0.378cP溫度：75℃
壓力：1.2MPa.g
流量范圍：2136/2838/3718m3/h（近2m/s~3.65m/s，量程比近2：1）
最大允許壓損：13.6KPa
口徑：24”直管段：11m（近18D）
對該流量測點的流量計選型進(jìn)行可測性分析如下：
①介質(zhì)類型是液體，六大類流量計均滿足測量要求；
②除鹽水電導(dǎo)率太低，不適合用電磁流量計；
③動力粘度0.378cP情況下最大允許壓損13.6KPa，不適合用容積式流量計。國內(nèi)最好的容積式流量計廠家合肥精大，在動力粘度<30mpa.S（30cP）時，流量計在最大流量下運(yùn)行時的壓損也有幾十KPa，最大可達(dá)80KPa。
④密度、溫度、壓力和量程比都在常見流量計可測范圍內(nèi)。
⑤24”的口徑，不適合用浮子流量計和渦街流量計。
⑥測點所在管道可提供18D直管段，基本滿足前10D后5D的最短直管段要求。
經(jīng)過可測性分析，可選用的流量計類型有節(jié)流式差壓流量計和超聲波流量計。3.2
可靠性分析
①該流量測點所在工藝管道安全等級為3級，抗震等級為1F，該流量測點需要在KIC進(jìn)行指示并在流量低于500m3/h時報警，并作為PAMS1信號進(jìn)BUP顯示。根據(jù)本文2.1的內(nèi)容，要求在線流量計機(jī)械部件抗震等級為1F，電氣部件（二次儀表）為1E級設(shè)備，目前只有核級變送器具備1E級電氣設(shè)備要求，所以排除超聲波流量計和插入式流量計，該處只能選用節(jié)流式差壓流量計。
②該處流量測點所選流量計參考精度要求≤0.5%，功能精度≤2%，節(jié)流式差壓流量計可以滿足要求。
③該處流量測點所選流量計響應(yīng)時間要求≤0.4s，可以從常見的變送器廠家艾默生、羅斯蒙特和霍尼韋爾中選擇合適的型號。
④該測點所在區(qū)域是輻射分區(qū)中的白區(qū)，對變送器外殼和本體沒有耐輻照要求，防護(hù)等級要求也較低，只有IP55。
綜上所述，該處流量測點只適合選用節(jié)流式差壓流量計，與福清核電廠1,2#機(jī)組中該處的實際儀表選型相同。
4結(jié)論
核電廠在線流量儀表的選型設(shè)計，要同時保證可測性和可靠性。本文通過對福清核電廠1,2#機(jī)組在線流量儀表應(yīng)用情況進(jìn)行學(xué)習(xí)，總結(jié)分析了常見在線流量計的選型設(shè)計注意事項，對后續(xù)核電廠在線流量儀表選型設(shè)計具有一定的參考意義。
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