核電廠流量測量設計選型分析

劉 靜（上海核工程研究設計院，上海 200233）

核電廠流量測量設計選型分析

劉 靜
（上海核工程研究設計院，上海 200233）

在核電廠正常運行過程中，流量測量（如主給水流量測量、蒸汽流量測量）是進行經(jīng)濟核算所必需的一個重要參數(shù)，并且通過控制流量對核電廠的正常運行也有一定的保護作用。流量儀表種類繁多，并且在能夠適應的流體性質(zhì)、流動狀態(tài)及工作條件等方面，以及在測量范圍、精度、壓力損失等方面都各有特點。文章簡單介紹了流量測量的基本原理、多種測量方式，并針對恰?，敽穗姀S工程2號機組（C-2）中應用的測量種類、方法和要求，結(jié)合工程設計實例對流量測量的設計選型進行了具體說明。

核電廠；節(jié)流裝置；流量測量

核電廠中的工作介質(zhì)大都是流體，如液體、氣體、蒸汽等。在實際生產(chǎn)中，對工作介質(zhì)流量的測量和調(diào)節(jié)占有重要地位。不僅對保證電廠在最佳參數(shù)下運行有很大的經(jīng)濟意義，而且隨著高溫高壓大容量機組的發(fā)展，流量測量已成為保證電廠安全運行的重要環(huán)節(jié)。

目前在核電廠流量儀表的選用中，主要使用節(jié)流裝置式流量測量系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子和電磁等流量測量儀表?；诠?jié)流裝置式流量測量系統(tǒng)采用的最多，文章著重介紹這種測量方法。

1 節(jié)流裝置式流量測量系統(tǒng)

節(jié)流裝置式流量測量系統(tǒng)是指采用孔板、噴嘴、文丘里管測量滿圓管流量的測量系統(tǒng)，主要是利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時產(chǎn)生的壓力差而實現(xiàn)的。該系統(tǒng)一般由節(jié)流件、取壓裝置、前后測量段、差壓計及數(shù)據(jù)處理器（開方計算器或計算機）組成。這種流量測量系統(tǒng)的特點是：

1）原理及理論研究非常成熟；

2）結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維護使用費用低；

3）對環(huán)境適應能力強；

4）如果維護管理正確可以得到較高的測量準確度。

1.1 節(jié)流原理

實驗表明，被測介質(zhì)流經(jīng)各種節(jié)流裝置時，其流速和壓力分布特性是類似的。圖1所示為流體流經(jīng)孔板時的節(jié)流現(xiàn)象。

當連續(xù)流動的流體遇到安插在管道內(nèi)的節(jié)流裝置時，由于節(jié)流裝置的截面積比管道的截面積小，形成流體流通面積的突然縮小，在壓力（能量）作用下流體的流速增大，擠過節(jié)流孔，形成流束收縮。在擠過節(jié)流孔之后，流速又由于流通面積的變大和流束的擴大而降低。

與此同時，近管壁處的流體受到節(jié)流裝置的阻擋最大，促使一部分動壓力轉(zhuǎn)化為靜壓力，出現(xiàn)節(jié)流裝置入口端面近管壁處的流體靜壓力P1升高（即圖1中P1＞P1′）。由于慣性力的作用，流體在離開節(jié)流件之后相當距離處（即流束最小截面）收縮到最小，流速最大，根據(jù)位能、動能的相互轉(zhuǎn)化原理，靜壓力也就降低到最低。同理，在節(jié)流裝置出口端面處，由于流速已比原來增大，因此靜壓力也就較原來為低（即圖1中P2＜P1′）。故節(jié)流裝置入口側(cè)的靜壓P1比其出口側(cè)的靜壓P2大，形成靜壓力差ΔP，ΔP＝P1-P2。并且流量Q越大，流束的局部收縮和能量的轉(zhuǎn)化越明顯，因此節(jié)流裝置兩端的壓差ΔP也越大。所以測量該差壓的數(shù)值，就能間接測量流量的數(shù)值[1]。

圖1 孔板附近流束及壓力分布情況Fig.1 Flow sheaf near orifice plate and pressure distribution indication

根據(jù)流體力學原理及實驗證明，流量（Q）是與節(jié)流件前后差壓（ΔP）的平方根成正比，即

1.2 流體條件

1) 流體必須充滿圓管和節(jié)流裝置，并連續(xù)地流經(jīng)管道；

2) 流體必須是牛頓流體，在物理上和熱力學上是均勻的、單相的；

3) 流體流經(jīng)節(jié)流件時不發(fā)生相變；

4) 流體不隨時間變化或其變化非常緩慢；

5) 流體在流經(jīng)節(jié)流件之前其流束必須與管道軸線平行，不得有旋轉(zhuǎn)流。

1.3 有關(guān)參數(shù)

（1）流量系數(shù)α

α也稱為流體流經(jīng)裝置的損失系數(shù)。

對于一定的節(jié)流裝置型式和取壓方式，α決定于Re、β和管道粗糙度。

對于β值相等的同一類型的節(jié)流裝置，當流體沿著光滑管道流動時，其流量系數(shù)只是雷諾數(shù)的函數(shù)。但是，雷諾數(shù)對流量系數(shù)的影響，隨著它的數(shù)值的增大而減少。并且當雷諾數(shù)足夠大時，對于標準節(jié)流裝置來說，流量系數(shù)就不再隨著雷諾數(shù)的變化而變化了。

（2）雷諾數(shù)ReD

雷諾數(shù)是表征黏性介質(zhì)流動特性的一個無因次量。對于幾何相似的節(jié)流裝置，流量系數(shù)α僅與雷諾數(shù)ReD有關(guān)，當流體的流動情況可用相當?shù)腞eD表征時，α值相等。

（3）β

（4）介質(zhì)密度ρ

（5）膨脹系數(shù)ε

對不可壓縮性流體：ε＝1，

對可壓縮性流體：ε＜1。

（6）壓力損失δP

流束通過節(jié)流裝置時，一部分能量用來克服摩擦力和消耗在節(jié)流裝置后形成的漩渦上。從圖1可以看出，節(jié)流裝置后流體的靜壓力并不能完全恢復到節(jié)流裝置前的數(shù)值。不能恢復的這部分壓力就稱為壓力損失。

標準節(jié)流裝置的壓力損失可用下式近似的計算：

（7）壓差上限ΔPmax的確定[2]

壓差是指在標準節(jié)流件上、下游規(guī)定的取壓孔位置上測得的靜壓力的差。設計最關(guān)心的是在最大流量時所取的最大壓差ΔPmax。最大壓差的大小影響測量精度、測量范圍、壓力損失及安裝所需直管段的長度等。節(jié)流裝置型式確定后，最大壓差完全取決于直徑比β。在同樣流量下，β越小，ΔP越大。

但是直徑比β越小，也會帶來下述不利因素：

1) 壓力損失增加，即增加了動力損耗；

2) 測量靜壓力不大的蒸汽和氣體時，采用較大的ΔP將使比值max增大；當流量變化時，會引起比值的較大波動。因而，使ε值產(chǎn)生偏差，影響了測量精度。

壓差上限ΔPmax應在考慮到上述許多相互矛盾的因素下，根據(jù)現(xiàn)場要求和被測介質(zhì)的已知參數(shù)等選擇最適宜的數(shù)值。選擇壓差上限時，一般情況下應盡量滿足下面幾項要求：

1) 在全部測量范圍內(nèi)，流量系數(shù)α是恒定值；

2) 產(chǎn)生的壓力損失不超過現(xiàn)場的容許值；

3) 需要的最小直管段長度，現(xiàn)場可以滿足。

1.4 取壓方式和使用范圍

核電廠中應用的節(jié)流裝置取壓方式主要包括：徑距取壓法、法蘭取壓法和角接取壓法。

（1）徑距取壓法

徑距取壓又稱D、1/2D取壓。上游取壓管中心位于節(jié)流裝置前端面距離為D的管道上游處；下游取壓管中心位于節(jié)流裝置前端面距離為1/2D的管道下游處。

徑距取壓標準孔板用于管徑D為12.5～570 mm和直徑比β為0.2～0.75范圍內(nèi)，雷諾數(shù)ReD范圍為6×103～108。

（2）法蘭取壓法

法蘭取壓的取壓裝置為設有取壓孔的法蘭，如圖2所示。

圖2 法蘭取壓裝置示意圖Fig.2 Sketch of flange tap

不論管道的直徑大小，法蘭取壓的上、下游取壓管中心均位于距節(jié)流裝置兩側(cè)相應端面的距離S=S′＝（25.4±0.8）mm處。這種取壓方式的優(yōu)點如下：當由一種直徑比更換為另一種直徑比時，取壓點位置不變。

法蘭取壓標準孔板用于管徑D為50～750 mm和直徑比β為0.10～0.75范圍內(nèi)，雷諾數(shù)ReD范圍為8×103～107。

（3）角接取壓法

角接取壓包括單獨鉆孔和環(huán)室取壓兩種結(jié)構(gòu)（見圖3）。

上、下游側(cè)取壓孔的軸線分別與節(jié)流裝置上、下游側(cè)端面的距離等于取壓孔徑的一半或取壓環(huán)隙寬度的一半。取壓點均在節(jié)流元件前后夾緊（或環(huán)室）內(nèi)壁上。單獨鉆孔應力求取壓導管與管道軸線垂直，與節(jié)流件前后緊固端面的夾角不大于3°。

圖3 單獨鉆孔和環(huán)室示意圖Fig.3 Sketch of single tap and ring chamber tap

環(huán)室取壓用于管道D為50～1 000 mm和直徑比β為0.22～0.80范圍內(nèi)，雷諾數(shù)ReD范圍為5×103～107。

比較上述各種取壓方式，角接取壓法有以下優(yōu)點：

1) 容易實現(xiàn)環(huán)室取壓，提高了測量精確度，縮短了安裝時所需要的最小直管段；

2) 實際雷諾數(shù)大于界限雷諾數(shù)時，流量系數(shù)僅是β的函數(shù)，當β一定時，流量系數(shù)α為定值，這時流量和壓差間有恒定關(guān)系；

3) 由于管壁粗糙度逐漸改變而產(chǎn)生的摩擦損失影響最小。

基于上述原因，角接取壓法被廣泛采用。環(huán)室有均壓作用，所取的壓差比較穩(wěn)定，應用更為廣泛。但當管徑超過500 mm時，環(huán)室加工麻煩，耗材多，一般都采用單獨鉆孔取壓。

1.5 標準節(jié)流裝置的種類

（1）標準孔板

標準孔板是一塊具有圓形開孔并與管道同心且直角入口邊緣非常銳利的薄板。其厚度E≤0.05D。同時孔板厚度不宜小于3 mm和大于10 mm。

標準孔板的最大優(yōu)點是加工方便、安裝容易、但壓力損失較大。因為在同一β值下，孔板引起流束的擾動要比噴嘴和文丘里管顯著。此外，測量大管徑高溫高壓介質(zhì)時，孔板容易變形。

（2）孔板常用的取壓方式

孔板常用的取壓方式是角接取壓、法蘭取壓等。

（3）標準噴嘴

標準噴嘴是由兩個圓弧曲面構(gòu)成的入口收縮部分和與之相接的圓筒形喉部組成的。

從加工及成本而言，雖比不上孔板，但較文丘里管優(yōu)越。和孔板比較，在同一β值下，α值大，測量范圍大，而需直管段則較短。運行中，對介質(zhì)污臟和沖刷的敏感性低，使用壽命長。

（4）標準文丘里噴嘴

標準文丘里噴嘴有長式和短式之分，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示。

長式文丘里噴嘴（圖4中心線以下部分）出口圓錐的最大內(nèi)徑等于管道內(nèi)徑，而短式文丘里噴嘴（圖4中心線以上部分）的出口圓錐的最大內(nèi)徑小于管道內(nèi)徑。

文丘里噴嘴的流量系數(shù)在較寬的范圍內(nèi)變化不大，因此其測量精度較高。而核電廠中的主給水流量用于測量反應堆的熱功率，精度要求較高，一般采用文丘里噴嘴進行測量。

（5）標準節(jié)流裝置的選擇原則

基于測量的準確度、壓力損失的大小、直管段所需的長度、是否方便安裝等方面，標準節(jié)流裝置的選擇原則可以歸納為以下幾點：

圖4 標準文丘里噴嘴（箭頭表示流束方向）Fig.4 Standard venturi nozzle

1) 要求節(jié)流裝置產(chǎn)生的壓力損失較小時，可選用噴嘴、文丘里噴嘴或文丘里管。但在壓差值相等以及被測流量也相等時，孔板和噴嘴的壓力損失大小大致上是相同的。文丘里噴嘴和文丘里管較孔板和噴嘴的壓力損失值要小得多。

2) 測量某些容易使節(jié)流裝置弄臟、磨損和變形的臟污及侵蝕性介質(zhì)時，噴嘴要較孔板優(yōu)越得多。

3) 流量值和差壓值都相等時，噴嘴比孔板的直徑比β小。在這種情況下，噴嘴有較高的測量精度，而且需要的直管段長度也較短。

4) 在加工制造和安裝方面，以孔板為最簡單，噴嘴次之，文丘里噴嘴和文丘里管最復雜。其成本也與此相同。管徑越大時，這種差別就越顯著。

1.6 非標準節(jié)流裝置

由于核電工程的特殊性，核電廠中使用的節(jié)流裝置在加工工藝和材質(zhì)等方面都有一些特殊要求，以滿足安全等級、質(zhì)量保證等級和抗震要求的非標節(jié)流裝置，具體如表1所示。

表1 非標節(jié)流裝置要求Table1 Requirements of non-standard throttling device

此外，在不同的工藝條件下，節(jié)流裝置與工藝管道的連接方式也有所不同：

1) 介質(zhì)溫度、壓力在高溫（340 ℃）高壓（15.5 MPa）條件下的核安全級節(jié)流裝置，節(jié)流裝置與工藝管道采用焊接的連接方式。

2) 介質(zhì)溫度、壓力在小于250 ℃、小于10 MPa條件下的核安全級節(jié)流裝置，節(jié)流裝置與工藝管道可采用焊接或法蘭的連接方式。

2 轉(zhuǎn)子流量計

轉(zhuǎn)子流量計，又稱浮子流量計，也是利用流體流動節(jié)流原理的一種流量測量儀表，在一根由下向上擴大的垂直錐管中，圓形橫截面的浮子的重力是由液體動力承受的，從而使轉(zhuǎn)子可以在錐管內(nèi)自由地上升和下降。由于轉(zhuǎn)子的重量在轉(zhuǎn)子做上下移動時是不變的，因此轉(zhuǎn)子處于任一平衡位置時，其兩端壓差也為恒定值，故轉(zhuǎn)子流量計又稱為恒壓差式流量計。

轉(zhuǎn)子流量計是僅次于差壓式流量計應用范圍最寬廣的一類流量計，優(yōu)勢如下：

1) 流量極低時，也可以實現(xiàn)精確測量；

2) 壓力損耗較??；

3) 本地指示，無須輔助電源；

4) 前后直管段較短。

3 電磁流量計

電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應定律制成的一種測量導電性液體的儀表。

測量流量時，流體流過垂直于流動方向的磁場，導電性液體的流動感應出一個與平均流速（即體積流量）成正比的電壓，因此要求被測的流動液體具有最低限度的電導率。其感應電壓信號通過兩個與液體直接接觸的電極檢出，并通過電纜傳送至放大器，然后轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一輸出信號。

電磁流量計有一系列優(yōu)良特性,可以解決其他流量計不易應用的問題，如臟污流、腐蝕流的測量。具體如下：

1) 測量不受流體密度、黏度、溫度、壓力和電導率變化的影響；

2) 測量管內(nèi)無活動及阻流部件，無壓損，直管段要求低，不易堵塞；

3) 測量管內(nèi)無可動部件或突出于管內(nèi)的部件，因而原理損失較小；

4) 流量范圍大，口徑范圍寬；

5) 反應迅速，可以用于測量脈動流量；

6) 可應用腐蝕性流體。

但是也存在一些缺點：

1) 不能測量電導率很低的液體,如石油制品；

2) 不能測量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體；

3) 不能用于較高溫度，一般使用的溫度范圍為0～200 ℃；

4) 結(jié)構(gòu)復雜，成本高。

4 實例說明

選用流量儀表是一項復雜的工作，必須因地制宜、全面考慮。

下面以C-2工程中的某系統(tǒng)為例進行說明：

某泵出口流量的工藝參數(shù)如下：

溫度正常流量流量變化范圍管道尺寸允許壓損180 ℃450 m3/h 50～650 m3/h φ219.1×12.7 2 m水柱

根據(jù)工藝參數(shù)進行計算，得出使用標準孔板測量將無法滿足工藝允許壓損的結(jié)論，因此有必要把選用的節(jié)流件改為噴嘴。計算結(jié)果如下：

壓力損失變送器的差壓前直管段后直管段0.69 18 kPa 60 kPa L=5.4 m L=1.4 m β

計算后發(fā)現(xiàn)工藝管道的前后直管段無法滿足計算所要求的最小直管段長度[根據(jù)GB 2624-1981標準中β值與前后直管段的對應關(guān)系（β＝ 0.69對應的前直管段要求是28D,最小要14D)[3]。因而重新計算，提高差壓上限，使β值減小。再次計算的結(jié)果如下：

壓力損失變送器的差壓前直管段后直管段0.56 82 kPa 160 kPa L=3.2 m L=1.2 m β

雖然工藝前直管段仍然無法滿足要求，但是已經(jīng)滿足了最小直管段的要求（只是附加極限相對誤差會±0.5%），基本滿足流量的測量要求，所以選用第二次的計算結(jié)果。

5 總結(jié)

在核電廠的設計過程中，考慮的內(nèi)容主要是：測量對象、工藝介質(zhì)、環(huán)境條件、放射性強度、安全等級、質(zhì)保等級和使用壽命等。一般來說，使用壽命放在第一位，流量儀表精度是次要的。因為大多數(shù)流量儀表僅作控制、顯示用，除非要求有累計計量的流量儀表才考慮精度要求高一些，如電磁流量計。所以對核電廠中使用的流量儀表（一次部分）第一步考慮的是孔板或噴嘴，如果發(fā)現(xiàn)上述兩種流量儀表不適合，才考慮選用其他流量儀表。

[1] 《化工測量及調(diào)節(jié)儀表》編寫組. 化工測量儀表 [M].上海：上海人民出版社，1977：28.(Preparation team of Chemical Engineering Measurement and Regulating Instrument. Chemical Engineering Measurement Instrument [M]. Shanghai: Shanghai People's Publishing House, 1977:28.)

[2] 孫淮清，張寶鑫，等. 流量測量節(jié)流裝置設計手冊 [M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1966：11.(SUN Huai-qing, ZHANG Bao-xin, et al. Design Handbook for Flow Measurement Throttle Device [M]. Beijing: Mechanical Industry Press, 1966:11.)

[3] GB 2624—1981，流量測量節(jié)流裝置 第一部分：節(jié)流件為角接取壓、法蘭取壓的標準孔板和角接取壓的標準噴嘴 [S]. (B 2624-1981, Flow Measurement Throttle Device (Part I): the throttling components are of standard corner taping and flange taping orifice plate, and standard corner taping nozzles [S].)

Flow Measurement Analysis for Nuclear Power Plant

LIU Jing
(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute，Shanghai 200233，China)

During the normal operation of nuclear power plant, flow measurement (such as main feedwater measurement, steam flow measurement) is an important parameter for economic accounting，and there is some protection effect on the normal operation by flow control. There are a wide variety of flow meters and they have different characteristics in the fluid properties, flow and working conditions to which the flow meters are adapted, as well as in the measurement range, precision, pressure loss and other aspects. The paper firstly introduces the basic principles, kinds and methods of flow measurement for CHASNUPP 2（C-2）, and gives the detailed explanation of instrument selection for flow measurement with the example of the project.

nuclear power plant；throttling device；flow measurement

TM623 Article character: A Article ID: 1674-1617(2013)01-0079-06

TM623

A

1674-1617(2013)01-0079-06

2012-09-18

劉 靜（1978—），女，安徽阜陽人，工程師，大學本科，從事核電廠儀控系統(tǒng)設計工作。