热式质量流量计在核电仪用气源管路中的应用

核电机组正常运行过程中需要控制好核岛内外差压, 而岛内气动控制设备的用气量是影响内外差压的重要因素, 因此需要对该用气量进行准确而稳定的计量。原涡轮流量计在使用过程中波动比较大, 不能满足现场要求。本文详细论述了热式质量流量计在核岛仪用气源系统中的改造过程, 通过改造前后测量值曲线的对比, 可以发现热式质量流量在微小流量工况下的稳定性、性等指标均优于涡轮流量计。

热式质量流量计是采用热扩散原理直接测量气体质量的流量计[1], 无须温度和压力补偿, 同时可以测量介质的温度, 与其他常用流量计相比, 具有量程比宽、抗振性能好、低流速时输出信号灵敏度高等特点[2]。

由于核电项目的特殊性, 核岛内主要使用容积式流量计和叶轮式流量计来进行气体流量测量, 如涡轮流量计、浮子式流量计和旋进旋涡流量计等, 较少使用质量流量计。防城港核电站1号机仪表压缩空气分配系统 (SAR) 气源管道上流量计SAR001MD原型号为涡轮流量计, 在使用过程中发现小流量工况下该类型流量计测量不准确, 波动频繁, 线性度较差等问题。通过分析系统状况及各类型流量计特点, 现场尝试使用FOX公司FT3型热式质量流量计对原涡轮流量计进行了改造, 改造后的测量值波动幅度大幅减小, 没有回零现象发生。

热式质量流量计基于热扩散原理, 其典型传感器元件包括两个铂热电阻, 当这两个热电阻被置于流体中时, 其中一个被加热, 另外一个用于测量介质温度, 两个热电阻之间的温差与过程流速及过程机制的性质有关[3], 根据测量方式的不同又分为恒温差法[4]、恒功率法[5]。Fox公司生产的FT3型属于插入式恒温差法流量计, 即保持两个热电阻之间的温差恒定, 利用金氏定律可推导出加热功率与流量间的关系如下[6]:

式中:P-消耗的电功率, 瓦;λ-流体的热导率, J/h·m·K;cv-定容比热容, J/kg·K;ρ-流体的密度, kg/m;U-流体的流速, m/h;d-热电阻直径, m;f-常数。从上式可看出当保持加热电阻和测温电阻之间的温差△T不变时, 加热电阻上的功率P与U成正比。

FT3型流量计具有如下特点:

(1) 仪表以标准单位测量气体质量流量而无须温度及压力补偿, 同时可以测量过程气体温度。多种计量单位可现场选择 (SCFM, SFPM, Nm/h, kg/h等) ;

(2) 两路隔离4~20m A输出;100Hz, 5~24V隔离脉冲流量输出, ***大10m A;USB接口连接PC端Fox View软件查看、设置、校准、数据记录等功能;HART和RS485 Modbus可选;

(3) 采用Cal-VTM在线验证校准功能:该功能是可以在线原位校准流量计准确度, 测试传感器功能性和相关信号处理电路, 只需一个按键即可。在测试结束后, 流量计会显示成功或失败信息并存储Cal-VTM校验数据以便随时查看。在测试过程中, 流量计的微处理器调节信号传感器的信号, 并判断其电气特性, 将这些数据与流量计电子单元中存储的出厂标定数据对比, 如数据在容差范围内, 则表明流量计测量准确。

(4) 测量范围:0.07~71Nm/h;

(5) 测量精度:空气±1%的读数, ±0.2%的满量程;其他气体±1.5%的读数, ±0.5%的满量程;

(6) 响应时间:0.9秒;

(7) 量程比***高1000:1, 典型100:1;

(8) 安装时, 上游至少大于等于8个管径, 下游大于等于4个管径;

(9) 供电:标准24VDC, ±10%, 0.75A;可选220V AC, 50Hz, 20W功率。

核电机组在正常运行期间, 需保持安全壳内与外部大气之间的潜在过压应小于60mbar, 如超过60mbar则需采取措施进行降压处理。影响安全壳内部压力变化的因素有壳内气动控制设备的工作排气和漏气、壳内外压差导致贯穿件的泄漏等, 其中气动控制设备的工作排气或漏气是导致核反应堆厂房内压力上升的主要因素。根据核电站仪用压缩空气分配系统流程图 (下图1) , 可知监视安全壳内气动控制设备所需压缩空气总量的流量计为1SAR001MD, 测量信号直接送至DCS。正常运行时系统参数如下:7.81-10bar, 杂质:<1μm, 含量:≤0.01mg/m, 接口管径33.4×2.77, 要求仪表量程0-10Nm/h。

图1 SAR系统流程图 (局部)  

原设计供货的流量计为法国福尔赫曼公司生产的涡轮流量计, 型号为:TGN25G6.5 (150#) 带前置放大器FH710, 量程为2-10Nm/h。涡轮流量计对被测介质的洁净度、上下游直管段要求都比较高, 适宜用在压力变化不大、流速比较稳定, 需要计量物料总量的场所。实际使用过程中发现涡轮流量计波动比较大, 并有归零现象发生, 流量曲线如下图2所示, 其在DCS里面的组态如下图3所示, 计算公式如下:

式中:QN-换算后标准状态下流量, Nm/h;QAV-现场流量计上传到DCS的流量值, m/h;TN-标准状态下温度值, K;PAV-现场实测压力, MPα;TAV-现场实测温度值, K;PN-标准状态下压力, MPα;ZN、Z-修正系数, 约等于1。仪控气源管路正常运行时压力为0.8MPa左右, 由上述计算公式可知管道内实际流量会小于2m/h, 低于仪表的***小量程要求, 现场将涡轮流量计拆下后对其重新进行了校验, 发现当流量低于1.5m/h时, 流量计线性比较差, 不能满足现场要求。现场气动设备的频繁动作也会导致整个管路的压力波动比较明显, 从而影响流量计的稳定测量。

考虑到现场工况比较特殊, 正常运行时用气量比较小, 压力波动比较大, 测量范围比较宽, 对仪表的精度要求比较高, 通过分析比较各类流量计的特点后决定采用热式质量流量计对涡轮流量计进行换型改造。

图2 涡轮流量计测量值曲线   下载原图

图3 DCS逻辑组态图 (改造前)   下载原图

本次改造选用的质量流量计型号为:FT3-10F-SS-ST-E1-DD-B0-G1, 改造前后流量变送器安装方式不变, 均为法兰连接, 管径尺寸也不变, 为满足流量计对上下游直管段的要求, 需对上下游管道进行改造, 改造前后上下游直管段参数详见下表1:

表1 改造前后上下游直管段长度    下载原表

FT3型热式质量流量计需要单独提供24VDC直流电源, 因此需要增加1面220VAC转24VDC的就地电源箱。表头处接线如下图4所示, 右侧接24VCD电源线来自就地电源箱, 左侧接信号线送至DCS。Fox热式流量计的4-20m A输出均为无源输出, 需DCS侧提供额外的24VDC电源, 改造后的流量计无须压力和温度补偿。

本电厂DCS由北京广利核工程有限公司供货, 现场过来的4-20m A流量信号先送隔离模块NM3480, 然后通过内部数据通信送至8通道输入模块NM480, 信号采集流程图如下图5所示。NM3480是广利核公司生产的8通道可外供电隔离型电流输入端子转接模块, 通过专用25芯预制电缆与NM480模块配套使用, 实现现场电流信号到功能模块的相互转接与传递。根据是否需要DCS提供电源以及有无电流限制, NM3480模块有4种接线模式可供选择, SAR001MD信号接An、Bn端子, 表示需DCS供电且有电流限制。

图4 表头接线 (24VDC电源线和4-20m A信号)   下载原图

NM480是8通道路间隔离型电流输入模块, 通过64针欧式连接器与机笼底板连接, 配合端子模块实现8通道路间隔离的电流信号采集。NM480支持ProfibusDP协议, 作为从站与DP主站 (主控制器) 完成数据交换。NM480模块依靠64针欧式连接器从端子模块经机笼底板输入8路现场电流信号, 电压信号经过过压保护与信号调理电路进入A/D转换电路, 之后将采集的数据经光电隔离后送入微控制器进行数据处理, ***终通过Profibus-DP现场总线将数据上传到主控制器。NM480模块的微控制器及通讯电路部分由系统输入的5V电源供电;通道采集电路部分由系统输入的24V电源经8路相互隔离的DC/DC转换为5V电源供电。

由于热式质量流量计以标准单位测量气体流量而无需额外的温度压力补偿, 同时可以测量过程气体温度, 因此需要在DCS内对相关逻辑进行修改, 改造前后的逻辑详见上图3和下图6, 从下图可以看出改造后的逻辑删掉了温度和压力修正, 现场送过来的4-20m A信号即为测得的标准流量信号。

现场使用热式质量流量计完成改造后的流量曲线如下图7所示, 对比原流量计曲线 (上图2) , 可发现曲线变化比较平缓, 整体波动较小, 测量值在8Nm/h上下10%范围内小幅振动, 满足现场计量要求。

热扩散原理是一种易安装、低维护的气体流量测量方式, 热式质量流量计以其重复性好、灵敏度高、操作简单等特点在工业领域得到了广泛的应用。核岛仪控用气源管道流量计在使用热式质量流量计进行成功改造后, 运行平稳, 满足了现场精度要求和控制要求, 经过一年多时间的观察, 在测量微小流量气体情况下无论在精度、安装、维护等方面都由于涡轮流量计。

图5 模拟量信号采集示意图   下载原图

图6 DCS逻辑组态图 (改造后)   下载原图

图7 热式质量流量计测量值曲线   下载原图