核电站差压流量计的误差来源和控制策略
核电站的孔板差压式流量计广泛应用, 但在核电站冷试期间运行的系统中, 多次出现流量变送器的波动情况。论文结合实际对冷试期间出现的差压变送器的波动情况, 从仪表安装规范和实际案例中, 分析差压流量计波动的误差来源和控制策略。
1、引言：
核电机组机冷试期间, 先后多次出现差压式流量变送器的示值波动, 现在从仪表特性、安装、参数设置等方面来对此问题进行分析。
2、差压变送器的安装规范：
差压变送器对流体特性、仪表安装位置、取样管线等方面要求较多, 主要是如下几点:
2.1、对流体和流动状态的要求：
压缩流体和不可压缩流体均可测量, 但必须是均匀单相流体;流体要充满管道, 管道流量应随时间推移基本维持不变。
2.2、管道条件：
安装时要求节流件的上下游需要有一定长度的直管段 (一般要求上游侧>10D, 下游侧>5D) ;节流件安装在管道中应保证与管道的同心度满足要求。
2.3、对于不同流体, 管道取样点位置的区别：
液体测量:测量液体流量时, 为防止渣滓的沉淀, 取压口应取在被测管道的侧面。同时变送器需要安装在取压口以下, 以免气泡在引压管线内聚集造成测量波动, 且取样管道朝仪表侧需保持一定的倾斜角度, 以防止取样管内的气体聚集, 影响测量值。
气体测量:测量气体流量时, 取压口应开在流程管道的顶部或侧面。变送器应安装在流程管道以上高度, 以便积聚的液体流入流程管道。
蒸汽测量:测量蒸汽流量时, 取压口应开在流程管道的侧面, 并且变送器安装在取压口的下面, 以便冷聚液能充满在导压管里。被测介质为蒸汽时, 导压管中要充满水, 以防止蒸汽直接和变送器接触, 这样变送器工作时, 其容积变化量是很微不足道的, 不需要安装冷凝罐。
2.4、对孔板的要求：
孔板入口直角锐利度合格, 管径尺寸与计算正确, 孔板厚度误差合格, 节流件附件不能产生台阶、偏心, 孔板上游端面平度合格, 环室尺寸不能产生台阶、偏心, 取压位置的焊缝不能突出, 取压孔加工规范等等。
2.5、抑制脉动流常用的措施：
当管道中流体流速和压力发生突然变化时, 容易造成脉动流, 它能引起差压的波动, 当发生脉动现象时, 会产生计量误差。抑制脉动流常用的措施有: (1) 在满足计量能力的条件下, 应选择内径较小的测量管, 为提高差压和孔径比; (2) 采用短引压管线, 减少管线中的阻力件, 并使上下游管线长度相等, 减少系统中产生谐振和压力脉动振幅增加。
3、流量波动、误差分析：
核电站中非核级差压变送器主要使用的是ROSEMOUNT生产的3051CD型差压变送器, 核级差压变送器主要使用的是1151~1154型差压变送器。
下面对产生误差的原因逐一分析:
3.1、被测介质实际物理性质的不确定度因素：
(1) 标准中要求管道内的流体应为单相的牛顿流体, 若含有一定比例的悬浮粒杂质则为非牛顿流体, 非牛顿流体会影响可膨胀性系数ε, 牛顿流体中的杂质越多, 流量测量的不确定度会增加, 而孔板流量计的计算公式中ε为恒1, 故而流量测量的误差会偏大。 (2) 流体相对密度的影响:密度参数是测量中非常重要的参数, 密度测量的不确定度直接影响整个测量系统的不确定度, 由于压力、温度的波动, 流体相对密度并不是一个固定值。因此其流量测量会出现一定程度的误差。
3.2、测量中重要设备的不确定度因素：
该项不确定度因素主要体现在孔板β比选择方面, 还包括二次仪表的不确定度。
3.3、阻尼系数不合适：
由于阻尼系数为厂家设定, 在调试前期仅会对其进行校验, 不会修改内部参数。ROSEMOUNT说明书中对降低噪声的方法为:输出阻尼和用于表压测量的参考侧滤波。阻尼时间在出厂时设定为3.2s, 如果变送器输出仍有噪音, 增加阻尼时间, 如果需要快速响应, 需减少阻尼时间。还有另外一种降低噪音的方法是在变送器的参考侧附加一段小管作为压力缓冲器。因此本次冷试期间, 阻尼系数不合适就可能是示值波动的原因, 故可以尝试从增加阻尼系数修改方面来验证。
3.4、供电电压波动：
ROSEMOUNT说明书对电源要求进行了说明, 要求用直流电源供电时, 纹波应小于2%, 即电源波动范围应小于0.48VDC。RRI这三块表为双线制, 供电为安全级DCS的卡件, 对仪表的电压进行测量, 其电压值稳定在标准范围内, 故该项可排除。
3.5、管道污物堵塞：
由于液体的取样管线一般安装在流体管道的侧面, 因此常有杂质沉淀在取样管线中, 充水排气后, 大直径的颗粒沉积依然无法完全排尽, 这对仪表波动同样有影响。
3.6、取样点前后直管段长度：
差压式流量计对取样点前后直管段长度有严格的要求, 节流件应安装在两段有恒定横截面积的圆筒形直管段之间, ***短直管段长度与节流件形式, 阻流件形式和直径比有关, 一般来说前后直管段的长度分别为>10D和>5D。
3.7、引压管线的影响：
引压管应根据被测流体的性质, 选用相应的材料制造, 其内径需大于6mm, 长度在16m以内;引压管应垂直或倾斜敷设, 其倾斜度需大于1:12, 黏度较高的流体, 其倾斜度还需增大。为了避免差压信号失真, 正负压导引管内应将气体排空。严寒地区的引压管线应做好防冻措施。
3.8、节流件同轴度安装偏差：
节流装置在工艺管线上安装时, 应注意上下游直管段与工艺管道的同轴度。产品加工中要确保下列要求:
当节流件的轴线与上、下游侧管道轴线之间距离ex满足下式时流出系数C无附加不确定度。
如上式不能满足, 而满足下式时, 流出系数C的不确定度应算术相加0.3%。
根据现场的仪表安装参数, 直径比β=0.45, 管道内径为D=82.54mm, 计算可得流出系数C在无附加不确定的情况下应ex<1mm, 在附加0.3%不确定的情况下应1mm<ex<2mm。现场节流件的实际安装同轴度可能存在该问题。
4、控制误差提高计量准确度的方法：
因为流量测量计算的不确定度是在其他影响因素都不存在附加误差的情况下计算得到的, 但是使用中由于各种原因会带来一定的附加误差, 这是需要消除的。根据实际应用情况, 提出以下控制方法及建议。
4.1、孔板节流装置必须满足标准要求：
孔板节流装置在使用前的安装中应按照标准设计和安装, 应根据孔板前阻力件形式配有足够长度的直管段。
4.2、流体中存在脉动流的改善措施：
核电站中使用的除盐水一般能达到牛顿流体, 但在流量测量中有多种原因会使得流体脉动, 可以采取以下措施减小脉动流的影响。 (1) 在满足计量能力的条件下, 应尽量选择内径较小的测量管, 以保证系统在较高的雷诺数下运行。 (2) 减小引压管线长度, 尽量减少引压管线系统中的阻力件, 并使上下游管线长度相等, 以减小谐振和压力脉动振幅。 (3) 减少流体中的杂质, 使流体保持均匀的单相牛顿流体。
4.3、加强计量管理, 建立健全各项规章制度：
在孔板流量计日常使用过程中, 要确保准确的计量, 还应至少每月一次清洗检测孔板、检查仪表零点、仪表D/A转换通道、核对流量计算程序, 对有坑蚀及划痕的孔板应及时更换, 同时还配备孔板综合测试仪定期对孔板进行几何尺寸检定。