熱式質(zhì)量流量計(jì)在AP1000中的應(yīng)用

摘要：三門(mén)核電的AP1000項(xiàng)目采用了熱式質(zhì)量流量計(jì)對(duì)暖通系統(tǒng)的部分氣體質(zhì)量流量參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，這在國(guó)內(nèi)的核電站尚屬首次。文章對(duì)比分析了熱式質(zhì)量流量計(jì)和差壓式氣體流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，并介紹了熱式質(zhì)量流量計(jì)在AP1000核電站中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：熱式質(zhì)量流量計(jì)；差壓式質(zhì)量流量計(jì)；AP1000；氣體質(zhì)量測(cè)量

中圖分類(lèi)號(hào)：TH814 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）15-0035-03

氣體流量作為核電站暖通系統(tǒng)的重要測(cè)量參數(shù)，其測(cè)量結(jié)果直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。目前國(guó)內(nèi)核電站的暖通系統(tǒng)使用的氣體流量計(jì)以差壓式流量計(jì)為主。隨著工藝系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)流量測(cè)量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的要求越來(lái)越高，流量測(cè)量技術(shù)的發(fā)展也日新月異，各種新型流量計(jì)相繼問(wèn)世。熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)是氣體質(zhì)量流量測(cè)量領(lǐng)域逐漸興起的一種新型流量計(jì)。采用美國(guó)西屋公司開(kāi)發(fā)的第三代壓水堆核電技術(shù)（AP1000）的三門(mén)核電站在國(guó)內(nèi)的核電站中首次使用熱式質(zhì)量流量計(jì)對(duì)氣體的質(zhì)量流量進(jìn)行測(cè)量。

1 國(guó)內(nèi)核電站氣體流量測(cè)量現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)核電站的氣體流量測(cè)量目前以均速皮托管、轉(zhuǎn)子流量計(jì)等節(jié)流式差壓式流量計(jì)為主，有些項(xiàng)目也使用了渦街流量計(jì)、靶式流量計(jì)等新型流量計(jì)對(duì)暖通系統(tǒng)的氣體流量進(jìn)行測(cè)量。

1.1 節(jié)流式差壓式流量計(jì)

節(jié)流式差壓式流量計(jì)是根據(jù)安裝于管道中流量檢測(cè)件產(chǎn)生的差壓、已知的流體條件和檢測(cè)件與管道的幾何尺寸來(lái)測(cè)量流量的儀表。節(jié)流式差壓式流量計(jì)由檢測(cè)件和差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表組成。通常以檢測(cè)件的型式對(duì)節(jié)流式差壓式流量計(jì)分類(lèi)，如孔板流量計(jì)、文丘里管流量計(jì)及均速皮托管流量計(jì)等。

節(jié)流式差壓流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：其標(biāo)準(zhǔn)孔板結(jié)構(gòu)易于復(fù)制，簡(jiǎn)單牢固，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)，對(duì)振動(dòng)不敏感，抗干擾能力強(qiáng)。其缺點(diǎn)是：測(cè)量精度不高，壓損大，量程比低，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝條件的要求較高。節(jié)流裝置與差壓顯示儀表之間的引壓管線易產(chǎn)生泄露、堵塞及凍結(jié)，從而造成信號(hào)失真。

1.2 渦街流量計(jì)

渦街流量計(jì)是根據(jù)卡門(mén)（Karman）渦街原理研究生產(chǎn)的：當(dāng)穩(wěn)定的流體流經(jīng)有一定長(zhǎng)度的直管道時(shí)，撞擊沉浸在流體中的非線性柱體，在流體的下游會(huì)產(chǎn)生漩渦。當(dāng)流體的雷諾數(shù)在一定的范圍內(nèi)時(shí)，卡門(mén)漩渦的釋放頻率與流體的速度成正比。所以檢測(cè)出卡門(mén)漩渦的釋放頻率就可求得流速，并由流速求得體積流量。

相比節(jié)流式差壓式流量計(jì)，渦街流量計(jì)無(wú)需導(dǎo)壓管和三閥組等，可減少泄露、堵塞和凍結(jié)等故障。其精確度較高，可達(dá)到±1%滿(mǎn)量程。壓損小，約為節(jié)流式差壓流量計(jì)的1/3，量程比可達(dá)20∶1。但渦街流量計(jì)對(duì)管道機(jī)械振動(dòng)較敏感，不宜用于強(qiáng)振動(dòng)場(chǎng)所。由于其測(cè)量原理，渦街流量計(jì)對(duì)管道直管段的長(zhǎng)度要求較高，且管道的口徑越大，渦街流量計(jì)的分辨率越低，因此不適用于大口徑管道。且受壓力脈動(dòng)或流量脈動(dòng)影響較大，不適用于脈動(dòng)流體的測(cè)量。

1.3 靶式流量計(jì)

靶式流量計(jì)屬于差壓式流量計(jì)的一種，其主要原理如下：當(dāng)介質(zhì)在測(cè)量管中流動(dòng)時(shí)，因其自身的動(dòng)能與靶板產(chǎn)生壓差，而產(chǎn)生對(duì)靶板的作用力，使靶板產(chǎn)生位移，其作用力的大小與介質(zhì)流速的平方成正比，靶板所受的作用力經(jīng)靶桿傳遞，使傳感器的彈性體產(chǎn)生變化，從而將位移轉(zhuǎn)換為傳感器對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，而流量則與電壓的平方成正比。

靶式流量計(jì)的精度高于節(jié)流式差壓流量計(jì)，能測(cè)量微小流量，且壓力損失較低，約為標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的一半。但其易出現(xiàn)零點(diǎn)漂移、滿(mǎn)度不準(zhǔn)、靶片松動(dòng)、內(nèi)部部件松動(dòng)等故障，不適用于大流量測(cè)量。

2 熱式質(zhì)量流量計(jì)

2.1 熱式質(zhì)量流量計(jì)原理

熱式質(zhì)量流量計(jì)可以直接測(cè)量氣體的質(zhì)量流量。它的基本原理是利用外部熱源對(duì)流體加熱，測(cè)量因流體流動(dòng)造成的溫度場(chǎng)變化來(lái)獲得質(zhì)量流量，溫度場(chǎng)的變化用加熱器前后端的溫差來(lái)表示，被測(cè)流體的質(zhì)量Qm與加熱器前后端溫差Δt之間的關(guān)系如下：

Qm=P/（JCpΔt） （1）

式中：

P—加熱器的功率

J—熱工當(dāng)量

Cp—被測(cè)流體的定壓比熱

Δt—加熱器前后端的溫度

按其測(cè)量原理，熱式質(zhì)量流量計(jì)又可分為恒功率法和恒溫差法兩種質(zhì)量流量計(jì)。由上式可知，若采用恒定功率法，則溫差Δt與質(zhì)量流量Qm成反比，測(cè)得溫差Δt即可求得Qm；如果采用恒定溫差法，則加熱器輸入功率P與質(zhì)量流量成正比，測(cè)得加熱器輸入功率P則可求得Qm值。

2.2 熱式質(zhì)量流量計(jì)特點(diǎn)

相比差壓式流量計(jì)，熱式質(zhì)量流量計(jì)有以下特點(diǎn)：

（1）量程比高：一般可達(dá)為100∶1；

（2）無(wú)活動(dòng)部件，無(wú)分流管的熱式流量?jī)x表無(wú)阻流件，壓力損失很??；帶分流管的熱式質(zhì)量流量計(jì)，雖測(cè)量管道中有阻流件，但壓力損失也遠(yuǎn)小于差壓式流量計(jì)，可以忽略不計(jì)。

（3）使用性能相對(duì)可靠，其不需要壓力傳感器和計(jì)算單元，僅有流量傳感器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，出現(xiàn)故障概率小。

（4）精度高，以Delta M的TM6000系列為例，其氣體的測(cè)量精度最高可達(dá)±0.02%滿(mǎn)量程。

（5）只需一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，可以同時(shí)測(cè)得質(zhì)量流量、溫度、壓力三個(gè)參數(shù)。

（6）與差壓式流量計(jì)相比，價(jià)格昂貴，響應(yīng)速度較慢。

（7）對(duì)于被測(cè)量氣體成分變化較大的場(chǎng)所，由于比熱容值和熱導(dǎo)率的變化，熱式質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量值會(huì)出現(xiàn)較大變化而產(chǎn)生誤差。

2.3 兩種熱式質(zhì)量流量計(jì)比較

（1）與恒功率法熱式質(zhì)量流量計(jì)相比，恒溫差法熱式質(zhì)量流量計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間快。因?yàn)楹愎β史崾劫|(zhì)量流量計(jì)測(cè)量值是從實(shí)際溫度變化獲得，測(cè)量管質(zhì)量和檢測(cè)元件質(zhì)量的熱慣性會(huì)降低響應(yīng)速度；恒溫差法熱式質(zhì)量流量計(jì)的溫度分布沒(méi)有變化，不受檢測(cè)元件質(zhì)量的熱慣性影響。

（2）恒功率法熱式質(zhì)量流量計(jì)的最大可測(cè)量流量較大。而對(duì)于恒溫差法熱式質(zhì)量流量計(jì)，對(duì)于大流量工況，它要求對(duì)被加熱電阻的能量快速加大才能保證恒定的溫差。但是由于能量的增大受到電源本身功率的影響以及被加熱的鉑電阻最大允許電流的影響，其最大測(cè)量值受到限制。

（3）恒功率法熱式質(zhì)量流量計(jì)不容易受到臟濕介質(zhì)的影響。恒溫差法熱式質(zhì)量流量計(jì)為了使其對(duì)溫度快速響應(yīng)和保持恒定的溫差，一般鉑電阻做得比較細(xì)，這樣對(duì)于臟濕介質(zhì)測(cè)量時(shí)，其附著物對(duì)加熱鉑電阻的散熱會(huì)產(chǎn)生較大的影響，嚴(yán)重時(shí)將使其測(cè)量精度大大降低。

（4）恒溫差法熱式質(zhì)量流量計(jì)適合測(cè)量低流速小管徑的微小流量；恒功率法熱式質(zhì)量流量計(jì)更適合大管徑的中高流量測(cè)量。

3 熱式質(zhì)量流量計(jì)在AP1000中的應(yīng)用

AP1000需要測(cè)量氣體流量的系統(tǒng)主要有壓縮空氣和儀表空氣系統(tǒng)、主控室應(yīng)急可居留系統(tǒng)、放射性廢氣系統(tǒng)、安全殼空氣過(guò)濾系統(tǒng)及各廠房的暖通系統(tǒng)。不同的系統(tǒng)的氣體流量、工況不一樣，對(duì)氣體流量計(jì)的要求也不一樣。傳統(tǒng)的差壓式流量計(jì)已經(jīng)難以滿(mǎn)足AP1000對(duì)氣體流量測(cè)量的所有要求。

（1）小流量工況：比如AP1000的放射性廢氣處理系統(tǒng)的氣體流量較低，設(shè)計(jì)要求為0～2.55nm?/h，正常運(yùn)行期間的氣體流量?jī)H0.99nm?/h。差壓式流量計(jì)在這么小的流量工況下，其精度無(wú)法滿(mǎn)足要求。綜合上述各流量計(jì)的特點(diǎn)，三門(mén)核電站選用了DeltaM公司基于等比恒溫差法原理的TM6000系列熱式質(zhì)量流量計(jì)對(duì)放射性廢氣處理系統(tǒng)、壓縮空氣和儀表空氣系統(tǒng)、主控室應(yīng)急可居留系統(tǒng)的氣體流量參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。TM6000系列熱式質(zhì)量流量計(jì)的響應(yīng)時(shí)間小于0.5s，對(duì)于氣體的測(cè)量精度可達(dá)讀數(shù)的±1%，滿(mǎn)量程的±0.02%，能夠很好地滿(mǎn)足設(shè)計(jì)求。

（2）精度要求高、響應(yīng)時(shí)間要求不高的大流量工況：AP1000附屬輔助廠房非放射性通風(fēng)系統(tǒng)的氣體流量設(shè)計(jì)要求為0～10831nm?/h，精度要求為±2%，但對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求不高。在這樣的大流量工況下，差壓式流量計(jì)的精度難以滿(mǎn)足要求，而恒溫差式的熱式質(zhì)量流量計(jì)不適合如此大的流量測(cè)量，因此三門(mén)核電站選用了FCI公司基于恒功率原理的ST系列熱式質(zhì)量流量計(jì)。ST系列恒功率熱式質(zhì)量流量計(jì)可以用于大流量的高精度測(cè)量，其測(cè)量工作溫度范圍為-40℃～454℃，精度為±0.75%，F(xiàn)CI的MT系列熱式質(zhì)量流量計(jì)量程可以達(dá)到169901nm3/h，能滿(mǎn)足AP1000的安全殼再循環(huán)冷卻系統(tǒng)的大流量要求。由于熱式質(zhì)量流量計(jì)的量程比可達(dá)100∶1，因此同一型號(hào)的熱式質(zhì)量流量計(jì)還可以滿(mǎn)足多種型號(hào)的需要，比如AP1000附屬輔助廠房非放射性通風(fēng)系統(tǒng)的氣體流量的設(shè)計(jì)要求有0～3398nm3/h，0～10831nm3/h，0～4757nm3/h，0～11681nm3/h四種量程，而ST102A一款熱式質(zhì)量流量計(jì)就能滿(mǎn)足這四種量程的要求。這就減少了備件的庫(kù)存，也便于今后的備件管理和設(shè)備維護(hù)。

（3）對(duì)于AP1000的核島保健物理和熱檢修車(chē)間、放射性控制區(qū)、廢物廠房等區(qū)域的暖通系統(tǒng)及安全殼空氣過(guò)濾系統(tǒng)，這些區(qū)域的特點(diǎn)是氣體流量適中，對(duì)精度的要求不高，響應(yīng)時(shí)間要求較高，可能有放射劑量。根據(jù)這些特點(diǎn)，三門(mén)核電站選用了基于差壓式原理的均速皮托管對(duì)這些氣體流量參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。均速皮托管的使用壽命長(zhǎng)，響應(yīng)時(shí)間迅速，價(jià)格適中，能夠很好地滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)的差壓式流量計(jì)相比，熱式質(zhì)量流量計(jì)在精度、量程比、壓損、安裝便利性等方面有顯著優(yōu)勢(shì)。一塊熱式質(zhì)量流量計(jì)能同時(shí)測(cè)量氣體質(zhì)量流量、氣體溫度、壓力三種參數(shù)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的測(cè)量裝置，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。但與差壓式流量計(jì)相比，熱式質(zhì)量流量計(jì)的價(jià)格仍較為昂貴，這也影響了熱式質(zhì)量流量計(jì)的大規(guī)模應(yīng)用。但隨著流量測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，相信熱式質(zhì)量流量計(jì)的成本將下降，功能也將不斷改進(jìn)，能夠適應(yīng)更復(fù)雜的系統(tǒng)工況，也能為系統(tǒng)提供更為準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。三門(mén)核電站作為國(guó)內(nèi)首個(gè)選用熱式質(zhì)量流量計(jì)的AP1000項(xiàng)目，其運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)也將為后續(xù)的核電項(xiàng)目的氣體流量測(cè)量?jī)x表的選型提供很好的借鑒。

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作者簡(jiǎn)介：何凡帆（1983—），男，供職于中核集團(tuán)三門(mén)核電有限公司調(diào)試處，研究方向：數(shù)字化儀控系統(tǒng)。