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核電廠在線流量儀表選型設計
發布時間:2019-10-28

摘要:通過對福清核電廠1,2#機組的在線流量儀表應用情況進行學習和總結,分析核電廠在線流量儀表選型設計的注意事項,給出了核電廠中在線流量儀表選型設計的要點和難點。在現行的核安全法規要求下對于后續新建核電廠在線流量儀表選型設計具有一定的指導意義。
0引言
  流量測量在核電廠監控系統中具有舉足輕重的作用。與其它熱工檢測儀表相比,在線流量測量技術和儀表類型更多樣,選型設計更復雜。福清核電廠1,2#機組(主輔系統)使用了421塊在線流量計,包含了節流裝置(孔板流量計和文丘里)、浮子、容積式、電磁流量計渦街流量計超聲波流量計六大類型,涉及多種工況,各種類型所占比例分布如圖1所示。本文從在線流量計可測性和可靠性對流量儀表選型設計注意事項進行分析,并輔以實際案例分析。
在線流量計分布圖
1核電廠在線流量計可測性
  各類在線流量計的可測性,主要考慮介質參數、適用口徑和直管段要求。
1.1介質參數
  介質參數主要包括介質的類型、密度、粘度、允許的壓損值以及各種工況下所測介質的溫度、壓力和流量范圍(電磁流量計還需要考慮介質的電導率是否在可測范圍之內)。
①單一介質的類型主要是指氣體和液體,一般情況,容積式流量計和電磁流量計只用來測量液體;其它流量計對于兩種單一介質均可測。
②密度在體積流量測量中至關重要,常溫常壓下的介質密度是穩定的,是可校準的,密度不穩定的情況主要是指氣體,比如蒸汽等,一般需要溫壓補償進行流量校正。
③粘度主要是液體介質參數,對于所有與介質直接接觸的流量計都有關系,主要是影響測量精度,尤其是對于容積式流量計這種機械接液部件直接測量的流量計影響較大。
④一般情況,流量測量產生壓損最大的是容積式流量計,其次是節流式差壓流量計,沒有壓損的是超聲波流量計和電磁流量計。
⑤溫度和壓力也是影響流量計使用的重要指標,節流式差壓流量計、電磁流量計對于溫壓適用性最強;浮子流量計中玻璃管浮子流量計只能用于低溫低壓工況;容積式流量計對壓力不敏感,但是在高溫下容易熱膨脹變形,溫度太低又會導致材質變脆,所以只適用于-30~160℃溫度范圍;超聲波流量計在測量氣體的時候要求P≥0.3MPa。
⑥流量范圍主要是指最小流速和量程比。一般情況下,流量測量均為滿管流,不同流量計能測量的最小流速是有限值的,比如渦街流量計常壓條件可測最小流速為0.4m/s,電磁流量計可測最小流速0.1m/s等。量程比是流量計的重要參數,一般情況下,差壓變送器的量程比一般為3:1,最大可達10:1;浮子流量計最大可達10:1;容積式、渦街、電磁和超聲波的量程比均可到30:1或者40:1。
1.2適用口徑
  絕大部分的流量計需要與工藝管道直接連接,對于工藝管道的口徑,不同的流量計有不同的適用范圍,非特殊情況一般不進行變徑處理。一般情況下,節流式差壓流量計適用于DN≥50的管徑;浮子流量可以用于DN<50的管徑,最大不超過DN250;容積式流量計適用于DN15~DN500;渦街流量計適用于DN15~DN400;電磁流量計適用于DN2.5~DN3000;超聲波流量計原理上對口徑無要求,尤其擅用于大口徑流量測量。
1.3直管段要求
  除了浮子流量計和容積式流量計對直管段基本沒要求以外,其它流量計對于直管段均有要求,而且前后(上下游)直管段越長越好,如表1所示。

  不同流量計廠家對于直管段的最小長度有不同的要求,在很多工程中,普遍采用的最小直管段長度為前10D后5D。
2核電廠在線流量計可靠性
  在滿足可測性之后,需要考慮流量計的可靠性。核電產品首先要考慮滿足現行相關核安全法規對設備等級的要求,其次要考慮儀表的精度、響應時間、環境因素和校準維護。
2.1設備等級
  目前國內獲得審批的核電項目中,核安全局要求安裝在安全級管道的流量儀表保持抗震完整性,即流量儀表的機械部件抗震等級與工藝管道抗震等級保持一致,并對儀表材料和焊接增加了相關要求;對于流量儀表的電氣部件,需要根據其執行的功能來確定是1E級或者NC級。
2.2精度
  不同的工況和監控聯鎖要求對流量計的輸出信號有不同的精度要求(考慮線性度、遲滯性與重復性因素在內的參考精度)。常見的在線流量計中,精度最高的是容積式流量計,次之是節流式差壓流量計和渦街流量計,再次之是電磁流量計,精度最差的是浮子流量計和超聲波流量計。
2.3響應時間
  響應時間(量程中值附近,在10%的階躍輸入變化下,輸出上升或下降63.2%需要的時間)在流量計參與聯鎖控制的時候至關重要。平時說的響應時間主要是指變送器(包括工作和功能類似于變送器的二次儀表)輸出電信號的時間,需要靈敏度特別高的聯鎖控制場合要求響應時間很短,比如ms級,普通的監控顯示則對響應時間沒有特殊要求,幾秒鐘甚至幾十秒鐘都可滿足要求。一般來說,節流式差壓流量計和電磁流量計的變送單元響應時間普遍可以達到0.5S以內,渦街和容積式還有超聲波基本都可以控制在1s內。
2.4環境因素
  環境因素是決定儀表是否可以長期穩定工作的重要因素之一,主要是輻照、振動和水塵。
  輻照對于儀表的長期穩定工作是一個挑戰,對于安裝布置在輻照區域(指紅、橙、黃區)的在線流量計,必須具備抗輻照能力。比如XREA059MD在嶺澳二期選用重慶川儀一體式電磁流量計,在方福項目中選用上海光華電磁流量計,因光華所供電磁流量計轉換器部分不能滿足黃區的抗輻照能力,所以分體安裝,把轉換器安裝布置到綠區房間,福清二期選用E-mag電磁流量計,因其滿足黃區的輻照強度,又回歸一體式。
  振動對渦街流量計和超聲波流量計的工作有較大影響,比如一般壓電式渦街流量計可耐受0.2g的振動,電容式渦街流量計可耐受0.5~1g的振動。這幾類流量計都不能適用于強振動場所,在弱振動場合,可以采取相關減振措施,但是仍然會對這幾類儀表長期穩定工作帶來較大影響。
  水塵是任何工況都必須考慮的因素,我們遵照IEC529-1976外殼防護等級,對現場儀表可能出現的環境影響進行分析,進而規定此處的儀表所應具備的防護等級IPXY(X代表防塵能力,Y代表防水能力)。
2.5安裝、校準和維護
  儀表安裝是儀表選型設計必須要考慮的問題,除了流量計本身安裝有簡易和繁瑣之分,測點所在位置是否方便流量計進行安裝也必須要考慮。相對來說節流式差壓流量計是安裝最繁瑣也是最容易發生泄漏的,而法蘭式安裝的其它一體型流量計安裝相對方便,尤其是純機械計量模式的儀表,在只需就地顯示的時候尤其方便。
  所有的流量計都需要定期校準和維護,某些工況不適合頻繁對儀表進行校準和維護,比如高輻照區等,需要儀表有較好的重復性和較長壽命。
3核電廠流量計選型設計案例
  本章選取福清核電廠1,2#機組中的設備冷卻水系統主泵(001/003PO)入口流量選型設計案例進行分析。
3.1可測性分析
該流量測點的介質參數、管道口徑和前后直管段長度如下:
介質類型:除鹽水流向:水平
密度:975kg/m3動力粘度:0.378cP溫度:75℃
壓力:1.2MPa.g
流量范圍:2136/2838/3718m3/h(近2m/s~3.65m/s,量程比近2:1)
最大允許壓損:13.6KPa
口徑:24”直管段:11m(近18D)
對該流量測點的流量計選型進行可測性分析如下:
①介質類型是液體,六大類流量計均滿足測量要求;
②除鹽水電導率太低,不適合用電磁流量計;
③動力粘度0.378cP情況下最大允許壓損13.6KPa,不適合用容積式流量計。國內最好的容積式流量計廠家合肥精大,在動力粘度<30mpa.S(30cP)時,流量計在最大流量下運行時的壓損也有幾十KPa,最大可達80KPa。
④密度、溫度、壓力和量程比都在常見流量計可測范圍內。
⑤24”的口徑,不適合用浮子流量計和渦街流量計。
⑥測點所在管道可提供18D直管段,基本滿足前10D后5D的最短直管段要求。
經過可測性分析,可選用的流量計類型有節流式差壓流量計和超聲波流量計。3.2
可靠性分析
①該流量測點所在工藝管道安全等級為3級,抗震等級為1F,該流量測點需要在KIC進行指示并在流量低于500m3/h時報警,并作為PAMS1信號進BUP顯示。根據本文2.1的內容,要求在線流量計機械部件抗震等級為1F,電氣部件(二次儀表)為1E級設備,目前只有核級變送器具備1E級電氣設備要求,所以排除超聲波流量計和插入式流量計,該處只能選用節流式差壓流量計。
②該處流量測點所選流量計參考精度要求≤0.5%,功能精度≤2%,節流式差壓流量計可以滿足要求。
③該處流量測點所選流量計響應時間要求≤0.4s,可以從常見的變送器廠家艾默生、羅斯蒙特和霍尼韋爾中選擇合適的型號。
④該測點所在區域是輻射分區中的白區,對變送器外殼和本體沒有耐輻照要求,防護等級要求也較低,只有IP55。
綜上所述,該處流量測點只適合選用節流式差壓流量計,與福清核電廠1,2#機組中該處的實際儀表選型相同。
4結論
  核電廠在線流量儀表的選型設計,要同時保證可測性和可靠性。本文通過對福清核電廠1,2#機組在線流量儀表應用情況進行學習,總結分析了常見在線流量計的選型設計注意事項,對后續核電廠在線流量儀表選型設計具有一定的參考意義。

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