摘要(yào):核電機組正(zheng)常運行過程(chéng)中需要控制(zhi)好核島内外(wài)差壓,而島内(nèi)氣動控制設(she)備的用氣量(liang)是影響内外(wai)差壓的重☔要(yao)因✔️素,因此需(xu)要對該用氣(qi)量進行準确(què)而穩定的☂️計(jì)量。原 渦輪流(liú)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(yuan)系統中的改(gǎi)造過程,通過(guo)改造前後測(ce)量值曲線的(de)對比,可以發(fa)現熱式質量(liang)流量在微小(xiǎo)流量工況下(xià)的🥵穩定性、正(zhèng)确率等指标(biao)均優于渦輪(lun)流量計。
1引言(yan)
　　熱式質量流(liu)量計是采用(yong)熱擴散原理(lǐ)直接測量氣(qì)㊙️體質量的流(liu)量計[1],無須溫(wēn)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(ji)相比,具有量(liang)程比寬、抗振(zhèn)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(dao)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(zi)式流量計 和(hé) 旋進旋渦流(liú)量計 等,較少(shǎo)使用質量流(liú)量計。防城港(gang)核電站1号機(ji)儀表壓縮👈空(kōng)氣分配系統(tong)(SAR)氣源管道上(shang)流量計SAR001MD原型(xing)号爲🔞渦輪流(liú)量計,在使用(yong)過程中發現(xian)小流量工況(kuang)下該⁉️類型流(liu)量計測量不(bú)準确,波動頻(pin)繁,線性度較(jiào)差等問題。通(tong)過分析系統(tǒng)💰狀況及各📐類(lei)型流量計特(te)點,現🌏場嘗試(shi)使用🈲熱式質(zhì)量流量計對(duì)原渦🥰輪流量(liàng)計進行了改(gai)造,改造後的(de)測量值波動(dòng)幅度大幅減(jian)小,沒有回零(ling)現象發生。
2熱(re)式質量流量(liàng)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(xing)傳感器元件(jiàn)包括兩個鉑(bó)熱電阻,當這(zhè)兩個熱電阻(zu)被置于流體(tǐ)中時,其中一(yi)個被加熱,另(ling)外一個用于(yu)測量介☂️質溫(wēn)度,兩個 熱電(dian)阻 之間的溫(wēn)差與過程流(liú)速及過程機(ji)制的性質有(yǒu)關[3],根據測量(liang)💚方式的不同(tóng)又分爲恒溫(wēn)差法[4]、恒功率(lü)法[5]。生産的屬(shu)于插入式恒(héng)溫差法流量(liàng)計,即保持兩(liang)個熱電阻之(zhī)間的溫差恒(heng)❤️定,利用金氏(shi)定律可推導(dao)出加熱功率(lǜ)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(dìng)容比熱容,J/kg·K;ρ-流(liú)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(kě)看出當保持(chí)加熱電阻和(hé)測溫電阻之(zhi)間的溫差△T不(bú)變時🔱,加熱電(dian)阻上的功率(lü)P與U1/2成正比。
流(liú)量計具有如(ru)下特點:
(1)儀表(biǎo)以标準單位(wei)測量氣體質(zhì)量流量而無(wú)須溫度🏃‍♂️及壓(yā)力補償,同時(shí)可以測量過(guò)程氣體溫度(du)。多種計量單(dān)位可現場選(xuan)擇(SCFM,SFPM,Nm3/h,kg/h等);
(2)兩路隔(gé)離4～20mA輸出;100Hz,5～24V隔離(li)脈沖流量輸(shu)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(lù)等功能;HART和RS485Modbus可(ke)選;
(3)采用Cal-VTM在線(xiàn)驗證校準功(gong)能:該功能是(shi)可以在線原(yuan)位🛀校準流👄量(liang)計準确度,測(cè)試傳感器功(gong)能性和相關(guan)信号處🏃‍♀️理電(dian)路,隻需一個(gè)按鍵即可。在(zai)測試結束後(hòu),流量計會顯(xiǎn)示成功或失(shi)敗信息并存(cún)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(chuán)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(dan)元中存儲的(de)出廠标定數(shù)據對比,如數(shù)據在容差範(fàn)圍内,則表明(míng)🈲流量計測量(liang)準确。
(4)測量範(fàn)圍:0.07～71Nm3/h;
(5)測量精度(du):空氣±1%的讀數(shu),±0.2%的滿量程;其(qi)他氣體±1.5%的讀(du)數,±0.5%的滿量程(cheng);
(6)響應時間:0.9秒(miǎo);
(7)量程比最高(gao)1000:1,典型100:1;
(8)安裝時(shi),上遊至少大(da)于等于8個管(guǎn)徑,下遊大于(yu)等于4個管徑(jìng);
(9)供電:标準24VDC,±10%,0.75A;可(ke)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(yǔ)外部⭕大氣之(zhi)間的潛在過(guo)壓應小于60mbar,如(ru)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(ke)内氣動控制(zhi)設備的😍工作(zuò)排氣和漏氣(qi)、殼内外壓差(cha)導緻貫穿件(jiàn)的洩漏㊙️等,其(qi)中氣動控制(zhi)設💁備的工作(zuò)排氣或漏氣(qì)是導緻核反(fan)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(ke)知監視安全(quan)殼内氣動控(kòng)制設備所需(xu)壓縮空氣總(zǒng)量的流量計(jì)爲1SAR001MD,測量信号(hào)直接送至DCS。正(zheng)常運行時系(xi)🌂統參數如下(xia):7.81-10bar,雜質:<1μm,含量:≤0.01mg/m3,接(jiē)口🌍管徑33.4×2.77,要求(qiú)儀表量💯程0-10Nm3/h。

　　原(yuan)設計供貨的(de)流量計爲法(fa)國福爾赫曼(màn)公司生産的(de)渦輪流量計(jì),型号爲:TGN25G6.5(150#)帶前(qian)置放大器FH710,量(liàng)程爲2-10Nm3/h。渦輪流(liú)量計對被測(cè)介質的潔😘淨(jing)度、上下遊直(zhi)管段要求🧡都(dōu)比較高,适宜(yí)用在壓力變(bian)化不大、流速(su)比較穩定✊,需(xū)要精确計量(liàng)物料總量的(de)場所。實際使(shi)用過程中發(fā)現渦輪流量(liàng)計波動比較(jiao)大,并有歸零(líng)現象發生✂️,流(liú)量曲線如🚶下(xià)圖2所示,其在(zai)DCS裏面的組态(tài)如下圖3所示(shi),計算公式如(rú)下:

　　式中:QN-換算(suan)後标準狀态(tài)下流量,Nm3/h;QAV-現場(chǎng)流量計上傳(chuan)到DCS的流量值(zhí),m3/h;TN-标準狀态下(xia)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(zhèng)系數,約等于(yú)1。儀控氣源🚩管(guǎn)路正常運行(háng)時壓力爲0.8MPa左(zuǒ)右,由上述計(jì)算🍓公式可知(zhī)管道内實際(jì)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(wō)輪流量計拆(chāi)下後對其重(zhòng)新進行了校(xiao)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(qiu)。現場氣動設(shè)備的頻繁動(dong)作🏃也會導緻(zhi)整個管路的(de)壓力波動比(bi)較明顯,從而(er)影響流量計(ji)⛹🏻‍♀️的穩定測量(liàng)。
　　考慮到現場(chǎng)工況比較特(te)殊,正常運行(hang)時用氣量比(bǐ)☂️較小,壓力🎯波(bō)‼️動比較大,測(cè)量範圍比較(jiao)寬,對儀表的(de)🥰精度要求比(bǐ)較高,通🐆過分(fèn)析比較各類(lei)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(jin)行換型改造(zao)。


3.2改造過程
3.2.1管(guan)路改造及電(diàn)源改造
　　選用(yong)的質量流量(liàng)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(zhuāng)方式不變,均(jun1)爲法蘭連接(jiē),管徑尺寸也(ye)不變,爲滿足(zú)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(gǎi)造前後上下(xià)遊直管段參(can)數詳見下表(biǎo)1:

　　熱式質量流(liu)量計需要單(dān)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(yuan)箱。表頭處接(jie)線如下圖4所(suǒ)示,右💃🏻側接🎯24VCD電(dian)源線來🌈自就(jiu)地電源箱,左(zuo)側接信号線(xiàn)‼️送至DCS。Fox熱🥵式流(liú)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(yā)力和溫度補(bǔ)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(rán)後通過内部(bu)數據通信送(sòng)至8通道輸入(rù)模塊NM480,信号采(cǎi)集流程圖如(rú)下🙇🏻圖5所示。通(tōng)過專用25芯預(yù)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(wú)電流限制,NM3480模(mo)塊有4種接線(xian)模式可供選(xuan)擇,SAR001MD信号接An、Bn端(duan)子,表示需DCS供(gòng)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(ōu)式連接器與(yǔ)機😄籠🌂底闆連(lián)接,配合端子(zǐ)模塊實現8通(tong)道路間隔離(li)的電流信号(hao)采集。NM480支持Profibus-DP協(xie)議,作爲從站(zhan)與DP主站(主控(kòng)制器)完成數(shu)據㊙️交換。NM480模塊(kuai)依靠64針歐式(shi)連接器從端(duān)子模塊經機(jī)籠底闆輸入(rù)8路現場電流(liu)信号👨‍❤️‍👨,電壓信(xìn)号經過過壓(ya)保護與信号(hao)調理電路進(jin)入A/D轉換電路(lu),之後将采集(ji)的數據經光(guang)電隔離後送(song)入微控制器(qi)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(dao)主控制器。NM480模(mo)‼️塊的微控制(zhì)器及通訊電(diàn)路部分由系(xi)統💰輸入的5V電(dian)源供電;通🔞道(dao)采集電路部(bu)分由📱系統輸(shu)入的24V電源經(jīng)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(liú)量計以标準(zhun)單位測量氣(qi)體流量而❤️無(wú)📱需額外的溫(wēn)度壓力補償(cháng),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(hang)修改,改✊造前(qian)後的邏輯🔞詳(xiang)見上🌈圖3和下(xià)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(xian)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(zào)後效果
　　現場(chǎng)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(dui)比原流量計(ji)曲線(上圖2),可(ke)發現曲線變(bian)化比較平緩(huan),整體波動較(jiào)小,測量值在(zài)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(ān)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(xing)好、靈敏度高(gāo)💋、操作簡單等(děng)特點在工業(ye)領域得到了(le)廣泛的應用(yong)。核島儀控用(yong)氣源管道流(liú)量計在使用(yòng)熱式質量流(liú)量計進行成(cheng)功改造後,運(yun)行平穩,滿足(zú)了現場精度(du)要求和控制(zhì)要求,經過一(yī)年多時間的(de)觀察,在測量(liàng)🚶微小流量氣(qi)體情況下無(wú)論在精度、安(ān)裝、維護等方(fang)面都由于♋渦(wo)輪流量計。

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