咨询服务热线
0517-86996066
18915186518

热点资讯

咨询热线:

0517-86996066

邮件:

电话:

地址: 江苏华云仪表有限公司

核反应堆堆芯冷却剂流量测量用涡轮流量计的研


文章日期:2018-02-11|阅读数:


[ 摘 要] 为适应核反应堆堆芯冷却剂流量测量的需要, 开发研制了新型低速涡轮流量变送器,按流量信号输出不同 ,分别为磁感应模拟信号输出和数字开关量输出低速涡轮流量变送器 。实际标定和应用表明, 低速涡轮流量变送器的精度和重复性是好的, 相对误差的均方根为 1.0 %, 使用寿命长, 阻力小,线性范围宽 。

1 、引言:
  常规的工业用涡轮变送器有精度高、线性范围宽等优点 ,但也存在着使用寿命短 ,小流量时信号幅度小 ,信噪比降低, 抗干扰能力下降 、测量过程中要设置信号触发阀值等缺点, 测量堆芯冷却剂的流量时,安装于核反应堆堆芯内的燃料元件盒进口处的涡轮变送器的阻力特性必须与周围的元件盒的阻力特性匹配 ,叶轮正常转动和卡死不转时 ,要求阻力基本相等 ,所以常规的工业用涡轮流量计一般不适用于核反应堆堆芯流量测量 。
       笔者在近几年的科研中 , 在原有的常规涡轮流量变送器的基础上 ,为适应核反应堆堆芯流量测量的需要 ,发展了两种新型低速涡轮流量变送器, 发展了新的流量信号处理方法, 并成功地应用于5MW 核供热堆堆芯冷却剂流量的测量。

2、新型低速涡轮流量变送器:
 为适应核反应堆堆芯冷却剂流量测量的需要,涡轮变送器要具备使用寿命长、阻力小、叶轮正常工作和卡死不转时的阻力特性基本一致等特殊性能,根据涡轮流量计的工作原理 ,涡轮流量变送器要设计成大导程叶片的叶轮 , 使叶轮工作在较低的频率下 。为了保证叶轮在低速转动时有较大的信噪比,或采用磁感应原理检测叶轮的转速, 采用强抗干扰的频谱分析方法检测叶轮转动的频率信号 ,或采用数字涡轮流量变送器。

2.1、涡轮流量计理论模型:
   根据文献[ 1 ~ 3] 介绍, 流体以一定角度冲击涡轮流量计的叶片, 叶轮旋转, 随着转速的增加 ,流体的冲击角度减小 ,当冲击角减小到某一值时, 叶轮就以一定转速旋转 ,此时,作用在涡轮流量计叶轮上的驱动力矩和阻力矩相等, 作用在叶轮上的力矩平衡方程式为 :
  MD -Mh-Mt-Mj-MQ-MR=0 (2 —1)公式(2 —1)也可写成表示涡轮流量计流量系数ωQ(次/L)的表达式 :
表达式
公式(2 —1)和(2 —2)中 ,MD为叶片的驱动力矩 ,Mh、Mt 、Mj、MQ和 MR分别为轮壳、叶片边缘、轴承、叶轮端面和信号输出装置的阻力矩 。 ω为叶轮旋转角速度;Q 为体积流量;γ为叶片平方根平均半径;A 为流道截面积;N 为叶片数;β 为叶片螺旋角。
   按文献[ 3] 介绍, 为了求解叶片的驱动力矩 , 将涡轮展开成直列叶栅, 将螺旋叶片看作安装角等于半径 r 处的螺旋角为β 的二维平板, 将坐标建立在旋转叶片上来考察流体的相对运动。采用保角变换,运用儒可夫斯基升力定律 ,得到叶片的驱动力矩为:
驱动力矩 文献[ 3] 还给出上述阻力矩的表达式 :

有关上述公式的详细说明请见文献[ 3] 所述。
  阻力矩计算公式(2 —4)~ (2 —6)均为机械摩擦阻力矩,由表达式可以看出,其大小正比于叶轮转速ω的二次方,从中我们可以得到一个重要的启示, 如果涡轮流量计的叶轮工作在较低的转速下, 使得公式(2 —2)中(Mh+Mt+Mj+MQ+MR)趋向于零, 使代表流量系数ωQ的线性范围变宽 ,流量下限下降和上限提高,使用寿命长 ,同时也使得流经流量计的阻力损失大大地减小, 从而进一步改善了涡轮流量计的流动阻力特性。

2.2、新型低速涡轮流量计:
2.2.1、磁感应式涡轮流量变送器:

  磁感应式涡轮变送器的结构见图 2 —1 所示 ,其信号检出原理是, 流体推动涡轮转动 ,叶片切割磁力线 ,产生一周期变化的模拟电压信号 ,信号的频率在一范围内与流量成正比 ,只要测得信号的频率, 即能得到流量值 ,变送器的输出信号可以近视地表示为:
  V =Asin(2 πft +φ) (2 —8)式中 V —涡轮变送器输出的周期模拟信号;A —周期信号幅值 ;f —信号频率;Υ—信号初始相位;t —时间。
在一定范围内 ,可以认为A =βQ     β >0 (2 —9)f =ξ0Q ξ0>0其中 Q 为流量, β 和 ξ0 为常数。将式(2 —9)代入式(2 —8)得:V(Q , t)=βQsin(2πξ0Qt +φ) (2 — 10)
  由磁感应信号产生原理和公式(2 —10)可以清楚地看出,大导程叶片的叶轮转速降低,信号幅度会相应地减小 。当流量变小时 ,叶轮的转速下降, 不仅信号的频率变低 ,而且其幅度也相应变小 。所以低速涡轮流量变送器的流量信号输出频率低 ,信号幅度也小, 使得用常规涡轮流量计测量频率的方法不适用,必须采用新的测量频率的方法 。
图 2—1 磁感应式流量涡轮变送器结构简图
图 2—1 磁感应式流量涡轮变送器结构简图
  2.2.2、频谱分析测量输出信号的频率频:
  谱分析法基于积分变换理论 ,着眼于信号在无限或有限区间上的整体性质和特征, 对信号的具体的个别细节并不敏感。带有噪声的周期信号, 其频率信号自始自终有确定的性质和规律 , 而随机干扰信号仅仅影响信号的个别细节, 所以具有很强的抗干扰能力 ,频谱分析法的另一个突出优点是, 在频率测定过程中没有必要设置信号电平的触发阀 , 从而消除了仪表灵敏度对测量精度的影响, 避开了整个测量过程中信号触发电平的设置 。
  设在时间域 t 中的信号f(t),其傅立叶变换定义为 :F(j ω)=∞-∞f(t)e-jωtdt (2 —11)式中 F(jω)称为 f(t)的谱函数 , 其值 F (jω) 称为幅度谱函数 ,是 ω的实函数。对于具体的 ω=ω0 时 ,值 F (jω) 值反映了 f(t)中频率为 ω0的正弦分量相对值的大小 。
  实际应用时 , 采集足够长的信号样本, 用快速DFT 代替信号的傅立叶变换 , 找出信号 f(t )在频域里对应的***大幅度谱的频率分量 ,这个分量就是周期信号的基频, 代表着信号基本变化的频率信息, 而别的频率分量只是反映了信号波形的不同形状 , 即所谓的谐波分量 。图 2 —2 表明, 涡轮变送器信号在很强的50Hz 干扰下 ,有用频率信号的幅度谱远远大于干扰频率信号的幅度谱 ,表明谱频谱分析法有很强的检出有用的信号频率的能力, 上述所说的磁感应式涡轮流量变速器和频谱分析测量信号频率的结合 ,构成一种新型的低速涡轮流量计 。
图 2—2 涡轮流量变送器流量信号的频谱分析结果

图 2—2 涡轮流量变送器流量信号的频谱分析结果

2.2.3、数字涡轮流量变送器:
  数字涡轮变送器的结构简图见图 2 —3 所示,(2.5 ×2.5 ×5.0)mm 的磁体嵌在叶轮上 ,叶轮转动的频率信号通过微型干簧管的开与闭或微型霍尔数字位置敏感元件的 0 与 1 信号检出 。
图 2—3 数字涡轮流量变送器结构简图


图 2—3 数字涡轮流量变送器结构简图
   2.2.4、流量信号的输出:
  图 2 —3 所示的数字涡轮变送器的流量信号输出为方波电压信号 ,其幅度由外接直流电压 Vcc 、电阻 R1 和电阻 R2 决定, 与叶轮转动速度无关, 脉冲宽度 τ/ f 与磁体的几何尺寸和在叶轮上的布置有关 ,其频率 f 由流量决定 。图 2 —4 是数字信号输出原理图 ,输出电压 U(t)可用下式描述:
  U(t)=VccR1 +R2R2 ∑∞i =1{μ(t -if)-μ[ (t -if)-τf] } (2 —12)式中:f 为频率, τ为满足 0 <τ<1 的常数 , t 为时间, μ(t)为阶跃函数 ,该函数由下式定义μ(t)=0   t ≤01   t >0(2 —13)由式(2 —12)决定的是频率为 f , 宽度为τf, 幅度为VccR1 +R2R2 的方波电压信号 , 在一定的范围内有如下的关系 :f =ξ0Q (2 — 14)其中 , Q 为流量, ξ0为常数 , 将式(2 —14)代入式(2 —12)得U(Q , t )=VccR1 +R2R 2 ∑∞i =1[ μ(t -iξ0Q)-μ(t -iξ0Q-τξ0Q)]由上式决定的 U(Q , t)是一频率为 f 、与流量 Q 成正比、幅度为VccR1 +R2R2 、占空比为τ1 -τ的方波周期信号,其信号幅度与叶轮的转速无关 ,即使在小流量下 ,也有很好的信噪比 ,这种信号非常适用于核环境下的测量。
图 2—4  数字涡轮流量变送器的数字信号输出原理图

图 2—4  数字涡轮流量变送器的数字信号输出原理图

3、低速涡轮流量变送器的阻力特性:
  运用理论分析和实验结合的方法, 研究了一组不同叶型的涡轮流量变送器的阻力损失, 正常转动和卡死不转时的阻力, 图 3 —1 是一组公称直径 Dg=50mm 的不同叶型的变送器的阻力损失曲线,图示表明 ,大导程叶片涡轮变送器 ,流通阻力小, 即使出现卡死不转的工况 ,将对流动阻力也不会产生严重的影响,非常适合于核反应堆堆芯流量测量。
图 3—1 Dg =50mm 时,    不同叶型的涡轮流量变送器的阻力损失


图 3—1 Dg =50mm 时, 不同叶型的涡轮流量变送器的阻力损失

4、低速涡轮流量变送器的实验标定和结果:
 图4 —1 是涡轮变送器流量特性标定曲线 ,这是一组 Dg =50mm 、叶片导程 ZL =167 、400 和 600mm的3 个涡轮流量变送器的实际标定的流量系数 ξ~流量 Q 的特性曲线 ,其中 ZL =600mm 的涡轮流量变送器的信号检测为磁感应式的 。图示表明 ,低速涡轮流量变送器重复性和精度是好的, 流量系数的相对误差均方根是 1.0 %。
图 4 —1  3 种不同叶片导程涡轮流量变送器    (Dg =50mm)的 ξ~ Q 曲线

图 4 —1  3 种不同叶片导程涡轮流量变送器(Dg =50mm)的 ξ~ Q 曲线
表 4 —1  测定结果摘要

表 4 —1 是标定结果摘要 , 工业常用的 Dg =50mm 的涡轮流量计 , 流量下限 1.67L/s , 表 4 —1 所示表明 ,随着叶片导程增大, 流量下限逐步下降, 结果符合涡轮流量计理论模型 。从图 4 —1 和表 4 —1可以看出, 流量下限约低于同口径普通涡轮变送器30 %左右 , 流量上限也肯定会提高(由于标定条件所限,未测得),由于低速运转,使用寿命也必定会有较大的提高 。
图 5 —1  反应堆功率为 5MW 时测量结果
图 5 —1  反应堆功率为 5MW 时测量结果

5、低速涡轮流量变送器在 5MW 低温核供热堆堆芯流量测量上的应用:
 为测定 5MW 低温核供热堆堆芯燃料元件盒流量, 4 只磁感应式低速涡轮变送器安装在不同部的燃料元件盒入口处 ,流量信号分别用 4 根铠装电缆,通过密封引出管引出反应堆压力壳和安全壳 ,再由电缆送到控制室 , 由 PC 机对信号进行采集和频谱分析测频 ,得到元件盒入口处的流量, 图 5 —1 是一典型工况下的实测结果 ,从图中可以清楚地看出 ,在0°和 270°位置上的流量信号噪声干扰很大 , 但对测量结果没有丝毫影响。

6、结束语:
   大导程叶片低速涡轮流量变送器能很好地适用于核反应堆堆芯流量测量 ,尤其是冷却剂为自然循环的核反应堆 。已成功地测定了 5MW 低温核供热堆堆芯燃料元件盒冷却剂的流量 ,为 5MW 核供热堆物理和热工设计提供了一批有价值的实验数据, 这对于发展核供热技术具有重要意义。


随机推荐