摘要(yào):核電機組正(zheng)常運行過程(cheng)中需要控制(zhi)好核島内外(wai)差壓,而島内(nei)氣動控制設(shè)備的用氣量(liàng)是影響内外(wài)差壓的重要(yào)因素,因💋此需(xu)要對該用氣(qi)量進行準确(que)而穩定的計(ji)量。原 渦輪流(liu)量計 在使用(yong)過程中波動(dong)比較大,不能(neng)滿足現場要(yao)求。詳細論述(shù)了熱式質量(liang)流量計 在核(he)島儀用氣源(yuán)系統中的改(gǎi)造過程,通過(guo)改造前後測(cè)量🏃值曲線的(de)對比,可以發(fā)現熱式質量(liang)流量在微小(xiǎo)流量工況💚下(xia)的☀️穩定性、正(zhèng)确率等指标(biao)均優于渦輪(lun)流量計。
1引言(yán)
　　熱式質量流(liú)量計是采用(yong)熱擴散原理(lǐ)直接測量氣(qi)體質量的🈚流(liú)量計[1],無須溫(wen)度和壓力補(bǔ)償,同時可以(yi)測量🔞介質的(de)溫度,與其他(tā)常用流量計(jì)相比,具有量(liang)❗程比寬、抗振(zhen)性能好、低流(liu)速時輸出信(xin)号靈敏度高(gao)等特點[2]。
　　由于(yu)核電項目的(de)特殊性,核島(dǎo)内主要使用(yòng)容積式流量(liàng)計和葉輪式(shì)流量計來進(jin)行氣體流量(liang)測量,如渦輪(lun)流量👉計、 浮子(zǐ)式流量計 和(he) 旋進旋渦流(liu)量計 等,較少(shǎo)使用質量流(liú)量計。防城港(gang)核電站1号機(jī)儀表壓🧡縮空(kōng)氣分配系統(tǒng)(SAR)氣源管道上(shang)流量計SAR001MD原型(xíng)号爲渦輪流(liú)量計,在使用(yong)過程中發現(xiàn)小流量工況(kuang)下該類型流(liú)量計測量不(bu)準确,波動🏒頻(pin)繁,線性度較(jiào)差等😄問題。通(tong)過✊分析系統(tong)狀況及各類(lei)型流量計特(tè)點,現🍓場嘗試(shi)使用熱式質(zhì)量流量計對(dui)原渦⭐輪流量(liàng)計進👨‍❤️‍👨行了改(gai)造,改造後的(de)測量值波動(dong)幅度大幅減(jiǎn)👉小,沒有回零(ling)現象發生。
2熱(rè)式質量流量(liang)計原理及特(tè)點簡介
　　熱式(shi)質量流量計(jì)基于熱擴散(san)原理,其典型(xíng)傳感器元件(jian)包㊙️括🙇‍♀️兩個鉑(bo)熱電阻,當這(zhe)兩個熱電阻(zu)被置于流體(ti)🔱中時,其中一(yi)個被加🍓熱,另(lìng)外一個用于(yú)測量介質溫(wen)度❓,兩個 熱電(dian)阻 之間的溫(wen)差與過程流(liú)速及過程機(jī)制的性質有(you)關[3],根據測量(liàng)方🔞式的不同(tóng)又分爲恒溫(wen)差法[4]、恒功率(lǜ)法[5]。生産🈲的屬(shǔ)于插入式恒(héng)溫✂️差法流量(liàng)計,即保持兩(liǎng)個🤟熱電阻之(zhi)間的🔱溫差恒(héng)定,利用金氏(shi)定律可推導(dǎo)出加熱功率(lü)與流量間的(de)關系如下[6]:
P=△T[λ+2(πλcvρUd)1/2]/f
　　式(shì)中:P-消耗的電(diàn)功率,瓦;λ-流體(tǐ)的熱導率,J/h·m·K;cv-定(ding)容比熱容,J/kg·K;ρ-流(liu)體的密度☂️,kg/m3;U-流(liu)體的流速,m/h;d-熱(re)電阻直徑,m;f-常(cháng)數。從上式可(ke)看出當🌐保持(chi)加熱電阻⛹🏻‍♀️和(hé)測溫電阻之(zhi)間的溫差🤟△T不(bu)變時,加熱電(diàn)😘阻上的功率(lǜ)P與U1/2成正比。
流(liu)量計具有如(rú)下特點:
(1)儀表(biao)以标準單位(wèi)測量氣體質(zhi)量流量而無(wú)須溫度⛹🏻‍♀️及壓(ya)力🛀🏻補償,同時(shi)可以測量過(guo)程氣體溫度(du)。多種計量單(dan)位可現場選(xuǎn)擇(SCFM,SFPM,Nm3/h,kg/h等);
(2)兩路隔(ge)離4～20mA輸出;100Hz,5～24V隔離(lí)脈沖流量輸(shū)出,最大10mA;USB接口(kǒu)連接PC端🔴FoxView軟✊件(jian)查㊙️看❤️、設置、校(xiao)準、數據記錄(lu)等功能;HART和RS485Modbus可(kě)選;
(3)采用Cal-VTM在線(xiàn)驗證校準功(gōng)能:該功能是(shì)可以在線原(yuan)位校💞準❗流👨‍❤️‍👨量(liàng)計準确度,測(ce)試傳感器功(gōng)能性和相關(guan)信号處理電(diàn)路,隻需一個(gè)按鍵即可。在(zài)測試結束後(hou),流量計會顯(xian)示成🏃功或失(shi)⛹🏻‍♀️敗信息并存(cun)儲Cal-VTM校驗數據(jù)以便随時查(chá)看。在測試過(guò)程中,流量計(ji)的微處理器(qì)調節信号傳(chuan)感器的信号(hào),并判斷其電(diàn)氣💃特性,将這(zhe)些數據與流(liu)量計電子單(dān)元中存儲的(de)出廠标定數(shù)據🙇🏻對比,如數(shù)據在容👣差範(fan)圍内,則表明(míng)流量計測量(liang)準确。
(4)測量範(fan)圍:0.07～71Nm3/h;
(5)測量精度(dù):空氣±1%的讀數(shù),±0.2%的滿量程;其(qí)他氣體±1.5%的讀(dú)數,±0.5%的🈲滿👅量程(cheng);
(6)響應時間:0.9秒(miǎo);
(7)量程比最高(gāo)1000:1,典型100:1;
(8)安裝時(shí),上遊至少大(da)于等于8個管(guan)徑,下遊大于(yú)等于4個管徑(jing);
(9)供電:标準24VDC,±10%,0.75A;可(kě)選220VAC,50Hz,20W功率。
3應用(yòng)
3.1工藝系統簡(jian)介
　　核電機組(zǔ)在正常運行(hang)期間,需保持(chi)安全殼内與(yu)外部大🈲氣之(zhi)間的潛在過(guo)壓應小于60mbar,如(rú)超過60mbar則需采(cǎi)取措施進行(háng)降壓處理✏️。影(ying)響安全殼内(nei)部壓力變化(hua)的因素有✂️殼(ké)内氣動控制(zhi)設備的工作(zuo)排🌈氣和漏氣(qì)、殼内外壓差(chà)導緻貫穿件(jiàn)的洩漏🤩等,其(qí)中氣動控制(zhi)設💰備的工作(zuo)排氣或漏氣(qì)是導緻核反(fǎn)應堆廠房内(nèi)壓力上升的(de)主要♍因素。根(gen)據核電站儀(yí)用壓縮空氣(qì)分配系統流(liu)程圖(下圖1),可(kě)知監視安全(quán)殼内氣動控(kong)制設備所需(xu)壓縮空氣總(zong)量的流量計(jì)爲1SAR001MD,測量信号(hào)直接送至DCS。正(zhèng)常運行時系(xì)統參數如下(xià):7.81-10bar,雜質:<1μm,含量:≤0.01mg/m3,接(jie)口管徑33.4×2.77,要求(qiu)儀表量程0-10Nm3/h。

　　原(yuan)設計供貨的(de)流量計爲法(fǎ)國福爾赫曼(man)公司生産的(de)渦輪流量計(ji),型号爲:TGN25G6.5(150#)帶前(qián)置放大器FH710,量(liang)程爲2-10Nm3/h。渦輪流(liu)量計對被測(ce)介質的潔淨(jìng)度、上下遊直(zhí)管段要求都(dōu)比較🚶高,适宜(yi)用在壓力變(bian)化不大、流速(su)比較穩定,需(xu)要精确計量(liàng)物料🌍總量的(de)場所。實際使(shǐ)用過程中發(fā)現渦輪流♉量(liang)計波動比較(jiào)大,并有歸零(ling)現象發生,流(liu)量曲線如🏃🏻‍♂️下(xia)圖2所示,其在(zài)DCS裏面的組态(tai)如下圖3所📱示(shì),計算公式如(rú)下:

　　式中:QN-換算(suàn)後标準狀态(tai)下流量,Nm3/h;QAV-現場(chǎng)流量計上傳(chuán)到DCS的流量值(zhi),m3/h;TN-标準狀态下(xià)溫度值,K;PAV-現場(chǎng)實測壓力,MPα;TAV-現(xian)場🧑🏾‍🤝‍🧑🏼實測🥰溫度(dù)值,K;PN-标準狀态(tài)下壓力,MPα;ZN、Z-修正(zheng)系數,約等于(yu)1。儀控氣源管(guan)路正常運行(hang)時壓力爲0.8MPa左(zuǒ)右🔴,由上述計(jì)算公式可知(zhi)管道内實際(ji)流量會小于(yu)2m3/h,低于儀表的(de)最小量程要(yào)求,現場将渦(wo)輪流量計拆(chāi)下後對其重(zhòng)新進行了校(xiào)驗,發現當流(liu)量低于1.5m3/h時,流(liu)量計線性⚽比(bi)較差,不能滿(mǎn)足現場要求(qiú)。現🈲場氣動設(she)💃🏻備的頻繁動(dòng)作也會導緻(zhi)整個管路的(de)壓力波動比(bǐ)較明顯,從而(ér)影響流量計(ji)的穩定測量(liang)。
　　考慮到現場(chǎng)工況比較特(te)殊,正常運行(háng)時用氣量比(bi)⭐較小,壓力🙇‍♀️波(bō)動比較大,測(ce)量範圍比較(jiao)寬,對儀表的(de)精度要求比(bǐ)較高,通㊙️過分(fen)☎️析比較各類(lèi)流量計的特(te)點後決定采(cǎi)用熱式質量(liàng)流量計對渦(wo)輪流量計進(jìn)⭐行換型改造(zao)。


3.2改造過程
3.2.1管(guǎn)路改造及電(dian)源改造
　　選用(yòng)的質量流量(liang)計型号爲:FT3-10F-SS-ST-E1-DD-B0-G1,改(gǎi)造前後流量(liang)變送器安裝(zhuang)🐪方式不變,均(jun)爲法蘭連接(jiē),管徑尺寸也(yě)不變,爲滿足(zu)流量計對上(shang)下遊直☀️管段(duàn)的要求,需對(duì)上下遊管道(dao)進行改造🌂,改(gai)造前後上下(xià)遊直管段參(can)數詳見⛷️下表(biao)1:

　　熱式質量流(liú)量計需要單(dan)獨提供24VDC直流(liú)電源,因此需(xu)要增🈲加1面220VAC轉(zhuǎn)24VDC的就地電源(yuán)箱。表頭處接(jiē)線如下圖4所(suo)示,右側接24VCD電(dian)源👉線來自就(jiu)地電源箱,左(zuo)側接信号線(xian)送至DCS。Fox熱式流(liu)量計的4-20mA輸出(chu)均爲無源輸(shū)出,需DCS側提供(gong)額外的24VDC電源(yuán),改造後🛀🏻的流(liu)量計無須壓(ya)力和溫度補(bu)償。
3.2.2DCS側接線及(ji)邏輯修改
　　現(xiàn)場過來的4-20mA流(liu)量信号先送(sòng)隔離模塊NM3480,然(ran)後通過内部(bu)數據💯通信送(song)至8通道輸入(ru)模塊NM480,信号采(cai)集流程圖如(ru)下圖5所示。通(tong)過專用25芯預(yu)制電纜與NM480模(mó)塊配套使用(yong),實現現場電(dian)流信号到功(gōng)能🔆模塊的相(xiàng)互轉接與傳(chuan)遞。根據♉是否(fǒu)需要DCS提供電(diàn)源以及有無(wu)電流限制,NM3480模(mó)塊有4種接🔴線(xiàn)模式可供選(xuan)擇,SAR001MD信号接An、Bn端(duān)子,表示需💞DCS供(gong)電且有電流(liu)限制。

　　NM480是8通道(dào)路間隔離型(xing)電流輸入模(mó)塊,通過64針歐(ou)式連接器與(yu)機籠底闆連(lián)接,配合端子(zǐ)模塊實現8通(tong)道路間隔☎️離(lí)的😄電流信号(hào)采集🌈。NM480支持Profibus-DP協(xie)議,作爲從站(zhan)與DP主站(主控(kong)制器)完🏃🏻‍♂️成數(shù)據交換。NM480模塊(kuai)依靠64針歐式(shi)連接器從端(duan)子模塊經機(jī)籠底闆輸入(ru)8路現場電流(liu)信号🈲,電壓信(xin)号經過過壓(ya)保護與信号(hào)調理電路進(jìn)入A/D轉換電路(lu),之後✂️将采集(jí)的數據經光(guāng)電隔離後送(sòng)入微控制器(qì)進行數據處(chù)理,最終通過(guo)Profibus-DP現💃場總線将(jiang)數據上傳到(dào)主控制器。NM480模(mó)💚塊的微控制(zhì)器及通💰訊電(diàn)路部分由系(xì)統輸入的5V電(diàn)源✊供電;通道(dào)采集電路部(bù)分由系統輸(shū)入的24V電源經(jing)8路相互隔離(li)的DC/DC轉換爲5V電(diàn)源供電。


　　由于(yú)熱式質量流(liu)量計以标準(zhun)單位測量氣(qi)體流量🧡而無(wu)需額外的溫(wen)度壓力補償(chang),同時可以測(ce)量過程氣體(tǐ)溫度,因此需(xu)要在DCS内對相(xiàng)關邏輯進行(háng)修改,改造前(qián)後的邏輯詳(xiang)見上圖3和下(xia)圖6,從下圖可(kě)以看出改造(zào)後的邏輯删(shan)掉了溫度和(he)壓力修正,現(xiàn)場送過來的(de)4-20mA信号即🐇爲測(ce)得的标準流(liu)量信号。
3.3改造(zao)後效果
　　現場(chang)使用熱式質(zhì)量流量計完(wán)成改造後的(de)流量曲線如(rú)😘下圖7所示,對(duì)比原流量計(jì)曲線(上圖2),可(ke)發現曲線變(biàn)化比較平緩(huǎn),整體波㊙️動較(jiao)小,測量值在(zai)8Nm3/h上下10%範圍内(nei)小幅振動,滿(man)足現場計量(liang)要求。
4結束語(yu)
　　熱擴散原理(lǐ)是一種易安(an)裝、低維護的(de)氣體流量測(ce)量方式,熱式(shi)質量流量計(jì)以其重複性(xìng)好、靈敏度高(gāo)、操作簡單🙇‍♀️等(deng)特點在工業(ye)領域得到了(le)廣泛的應用(yòng)。核島儀控用(yong)氣💛源管道流(liú)量計在使用(yong)熱式質量流(liú)👌量計進行😘成(chéng)功改造後,運(yùn)行平穩,滿足(zú)了現場精度(dù)要求和控制(zhì)要求,經過一(yī)🙇🏻年多時間的(de)觀察,在測量(liang)微小流量氣(qi)體💰情況下無(wú)論在精度、安(an)裝、維護等方(fāng)面都由于渦(wo)輪流量計。

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