含气量对孔板流量计测量流量的影响与研究
[摘 要] CPR1000 核电机组发电机定子冷却水系统（GST）设计有两台冷却水泵，正常一台泵运行，另一台备用。该系统冷却水流量通过孔板流量计测量，流量低时系统发出备用泵联启信号，流量低低会触发跳机信号。本文针对国内某核电机组定子冷却水含气量造成的流量波动问题进行了模拟计算分析，研究了冷却水系统含气量变化影响流量测量的机理，并提出具体的处理措施，解决了该系统启动初期由于系统内部含气量造成的流量波动问题。
0、前言：
发电机正常运行过程中需要保证其内部的冷却， 对于定子水冷的发电机组，必须要保证定子冷却水的流量满足要求，但在系统运行过程中，由于种种原因流量可能产生大幅波动，影响系统的可靠运行。各行业关于流量波动问题目前有着很多研究，本文通过模拟分析含气量对孔板流量计测量流量的影响，并针对定子冷却水系统的特点深入分析气体来源以及制定专门的处理方案，解决系统运行过程中的流量异常波动问题。
1、系统简介：
发电机定子冷却水系统（GST）是通过一个闭式的冷却水循环回路对发电机定子绕组以及出线端进行冷却。某 CPR1000 核电机组采用的是ALSTOM 公司生产的发电机组，该发电机组为水-氢-氢冷却方式，每一根定子线棒由实心铜线和不锈钢空心线组成，通过低电导率的冷却水流过不锈钢空心线带走热量，保证发电机正常运行[1]。系统的工艺流程见图 1。
图 1 发电机定子冷却水系统工艺流程图
定子冷却水系统有两台冷却水泵 GST101PO 及GST201PO，均为卧式轴端进水泵。泵设计流量为
发电机冷却水系统设计有一高位水箱，为系统提供一个压力参考点。系统的连续排气口分别取自两台板式冷却器及系统主过滤器上方，三路管道均有一定流量的水持续排至高位水箱内部，以排除系统内部残留的气体。
国内某核电 2 号机组调试启动期间，GST 系统多次发生备用泵联启事件。如 2013 年 11 月 14 日08:50 启动 GST 系统，从 12:26 开始发生多次联启。11 月 28 日也发生多次联启，由于流量低于 100m³/h时间短于 5s，没有造成跳机后果。冷却水流量波动曲线见图 2。
图 2 定子冷却水流量波动曲线
从图 2 曲线看，每次备用泵联启前 GST002MD监测的流量都存在一个明显的波谷。经过进一步检查排除流量计本身故障以及泵本身造成的流量波动。由于定子冷却水流量的测量是通过流量孔板的前后压差来实现的，当孔板前后压差发生改变后，就会造成GST002MD 流 量 波 动[2]。 在 问 题 出 现 后 ， 对GST002MD 仪表管线进行排气检查，并在泵出口多次进行排气，泵联启现象得到改善，但偶然还会发生流量大幅波动现象。其中每次排气时取样发现，排出的水呈乳白色，水中明显含有大量细小的气泡。
3、孔板流量计测量流量受水中含气量影响的计算分析：
3.1、孔板流量计结构及原理:
标准孔板流量计有角接取压、D 和 D/2 取压和法兰取压等多种方式[4]，本文所研究的孔板流量计为角接取压，其结构示意图如图 3 所示。对于不可压缩流体的水平管流动，在忽略沿程摩擦阻力损失的情况下，根据流体流动的伯努利方程(能量守恒)和连续性原理，可以得出管道中流体理论体积流量VQ 的计算公式。 
图 3 角接取压标准孔板流量计的结构示意图
实际上，对于不可压缩流体，下游取压口并非设置在面 s2处，而是在面 s3处。考虑到在面 s1、s3上测取的平均流体压力差p 一定大于'p ，故定义流出系数 C 来修正上述公式，可得实际体积流量值的计算公式 
由以上公式可以看出，孔板测量流量与 P 呈正比关系，当压差变化时，流量就会跟随产生变化。
3.2、数值模型的建立：
由于孔板流量计结构具有对称的特点，运用Gambit 直接建立标准孔板流量计角接取压时的二维轴对称回旋结构模型,缩短计算时间[6]。***终所得网格划分模型如图 4 所示。
图 4 标准孔板流量计网格划分计算模型
为了研究不同含气量对标准孔板流量计测量的影响，在工况温度为 288.16K，流量为 180m3/h 的情况下，对水中含气量体积百分比从 0 到 5%的液态水，利用 Fluent 进行数值模拟计算和相关分析[7]。选择mixture 混合模型，设置空气为第二相，其中空气的密度=1.225kg/m3，粘度=1.7894e-5kg/(ms)。参考压力设置在原点位置，大小为 101325Pa。计算结果如表 1 和图 5 所示。
表 1 标准孔板流量计在不同含气量下的流场计算结果
含气量 n/% p1/kPa p3/kPa Dr/kPa C
| 0 | 8.0499614 | -11.500498 | 19.5504594 | 0.619246551 |
| 0.5 | 8.009751 | -11.443041 | 19.452792 | 0.620799142 |
| 1 | 7.9695488 | -11.385609 | 19.3551578 | 0.622362937 |
| 1.5 | 7.9293462 | -11.328163 | 19.2575092 | 0.623938842 |
| 2 | 7.8891401 | -11.270725 | 19.1598651 | 0.625526707 |
| 2.5 | 7.8489331 | -11.213275 | 19.0622081 | 0.627126968 |
| 3 | 7.8087324 | -11.155839 | 18.9645714 | 0.628739237 |
| 3.5 | 7.7685298 | -11.098396 | 18.8669258 | 0.630364155 |
| 4 | 7.7283237 | -11.040956 | 18.7692797 | 0.632001744 |
| 4.5 | 7.6881196 | -10.983513 | 18.6716326 | 0.63365218 |
| 5 | 7.6479194 | -10.926067 | 18.5739864 | 0.635315598 |
由表 1 可知，标准孔板流量计的平均压力值 p1随水中含气量的增加而减小，而平均压力值 p3则相反，因此平均流体压力差p 随水中含气量的增加而减小，从而造成孔板测量的流量随着含气量的增加而变小。由图 5 可知，p 与含气量基本上呈线性递减关系。 
图 5 含气量与孔板流量计平均压差关系
图 7 孔板附近压力分布图 
图 8 孔板附近速度分布图
计算结果表明，冷却水系统在处于含气量变化的工况下，孔板流量计测量的压差会随着混入气体量的增加而变小，从而导致测试流量较实际流量小。
4 、对问题的解决方案研究 ：
以上分析，孔板流量计测量的流量与系统含气量的变化有很大关系。在正常运行工况下，发电机定冷水系统含气量很低，且含气量不会有大的波动。因此，在工程实际应用上，可考虑减少含气量的方法来减少系统的流量波动，避免跳机的不良后果产生[8]。
4.1、对含气体的来源分析：
4.1.1、发电机氢气漏入系统 ：
该发电机组调试期间，对定子线棒打压试验，以及对发电机系统进行氢气泄漏率试验，并通过监视高位水箱排气流量计 GST002QD 中气体情况，结果表明，氢气泄漏进入定子冷水系统的可能性很小[9]。
发电机高位水箱正常液位为 40~80%，当水箱进水与排水造成的涡流时就可能会将水箱内部气体卷入回水管道，从而引起流量测量的变化。使用多普勒流量计测量高位水箱入口流量为 4 m3/h 左右，入口水管为 DN50 的管道，计算入口管道的流速大概为： v=q/s=(4/3600)/(3.14*0.025*0.025)=0.566 m/s 其 雷 诺 数Re=ρvd/μ=1000*0.566*0.05/0.001003=28215>2500 ，从而判断入口管道处的水流为湍流状态[10]，该速度的水流进入高位水箱，可能形成漩涡造成气体进入系统中。
4.1.3、 初期系统补水引入：
系统内部气体的引入还有一个来源为系统内部残存气体的析出，系统初期充水为常温的核岛除盐水，随着系统运行，水温逐渐升高,水的含气量会随着内部溶解气体的析出逐渐增大[11]。
V=V0*（S1S2）=0.825 m
表 2 压力 6bar 时溶解度表
由此可见系统启动初期，由于水温上升会析出大量的气体。
4.2、减少含气量措施分析：
减少系统内部的含气量可以减少孔板流量计所测流量的波动。以防城港核电项目为参考，由于其定子线棒是铜线棒，对水质的含氧量有严格要求[12]，
方案二：系统启动初期充水排气：
前期充水的过程中，要严格按照在线程序，通过启动密封油系统真空泵排除系统内部的残存气体，尽量减少系统的初始含气量，抽真空过程中，要调节真空油泵的入口压力调节阀，保证高位水箱的真空度[13]。
如果补水温度很低，水中会溶解大量气体，在系统持续运行过程中随着水温升高气体会逐渐析出，系统正常运行是通过热交换器上部两个排气管及主过滤器的排气管进行连续排气，由于连续排气管设计流量有限，难以短时间排出大量积存的气体，就会造成系统内部气体的聚集。所以系统在线完成后，应及时投运加热器，提高水温至系统额定温度 44.5℃，然后持续通过泵出口及冷却器的排气阀手动排气来达到减少系统含气量的目的。
方案三：消气过滤器：
通过在孔板流量计前加装消气过滤器，可以有效去除设备内部混入的气体[14]，由于系统正常运行时水是闭式循环的，期间含气量不会大幅波动和上涨，考虑消气过滤器投运与电加热器都是在系统投运初期阶段使用，可以把消气过滤器设置在电加热器下游，如图 9 所示。 
图 9 消气过滤器安装示意图
方案四：控制发电机高位水箱内部漩涡：
4.3、方案选择与实施效果：
针对该核电 2 号机流量波动的现象，根据上述方案的实施难度，优先选择方案二与方案四，共落实如下行动：
（1）系统补水时，利用发电机密封油系统的真空泵对系统抽真空补水，减少初期系统残留的气体；
（2）系统启动前，适当提高高位水箱水位至65%左右，减少可能由于漩涡引入的气体；
（3）运行初期，定期通过泵出口排气阀检查水中含气量，并通过泵出口与冷却器上的排气阀手动排气；
（4）降低发电机顶部高位水箱内部气体的压力，以利于冷却器和主过滤器上连续排气管道中的气体排出。
5、 结语 ：
发电机定子冷却水系统启动初期，由于水温上升水中溶解的气体析出，以及补水过程排气不充分，系统内部水中会混合大量气体，气体与水混合不均匀时，会加剧孔板流量计测量流量的波动，本文通过系统启动初期的人为干预，在充水过程使用抽真空上水，适当提高高位水箱液位并减小水箱压力，定期手动排气的方式，减少系统内部的含气量，使系统运行过程中的流量维持在一个稳定的工况。解决了机组调试期间出现的问题。