熱式質(zhì)量流量計(jì)在核電廠液體微小流量測(cè)量中的應(yīng)用

戚佳杰

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233)

流量是核電廠運(yùn)行過程中重要的過程參數(shù)之一，常用的流量測(cè)量?jī)x表有孔板流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、電磁流量計(jì)以及熱式質(zhì)量流量計(jì)等。熱式質(zhì)量流量計(jì)目前多用于工業(yè)中氣體流量的測(cè)量，在核電廠中則普遍應(yīng)用于通風(fēng)系統(tǒng)流量測(cè)量場(chǎng)合。在采用軸封型主泵的核電廠中，主泵第三級(jí)密封泄漏流是典型的微小流量工況?？装辶髁坑?jì)和超聲波流量計(jì)通常并不適用或不能取得良好的測(cè)量效果[1]。熱式質(zhì)量流量計(jì)自問世以來，已在核電廠通風(fēng)系統(tǒng)中獲得了成功的應(yīng)用，而在液體微小流量測(cè)量方面，熱式質(zhì)量流量計(jì)也具有一定的適用性。

熱式質(zhì)量流量計(jì)是利用熱傳導(dǎo)原理，即通過流動(dòng)中的流體與熱源之間的熱量交換，來測(cè)量介質(zhì)流量的儀表，主要可分為兩類：利用流體流動(dòng)傳遞熱量改變測(cè)量管壁溫度分布(即熱傳導(dǎo)分布)效應(yīng)的熱分布式流量計(jì)，也稱為量熱式質(zhì)量流量計(jì)；利用熱消散效應(yīng)(基于金氏定律)的侵入式質(zhì)量流量計(jì)，也稱為導(dǎo)熱式質(zhì)量流量計(jì)或插入式質(zhì)量流量計(jì)。

熱分布式質(zhì)量流量計(jì)的工作原理是在測(cè)量管外壁上、下游各繞兩組加熱/檢測(cè)線圈，兩組線圈通以恒定電流加熱，當(dāng)流體靜止(無流量通過)時(shí)，兩組線圈中心上、下游溫度分布處于對(duì)稱平衡狀態(tài)，兩組檢測(cè)線圈的電阻相等；當(dāng)有流體流動(dòng)時(shí)，流體將上游管壁熱量帶走傳遞給下游管壁，破壞原平衡狀態(tài)，線圈電阻產(chǎn)生差異，檢測(cè)其差值從而求得流體質(zhì)量流量：

(1)

式中A——熱傳導(dǎo)系數(shù)；

cp——被測(cè)介質(zhì)的定壓比熱容；

K——常數(shù)。

熱消散效應(yīng)(基于金氏定律)侵入式質(zhì)量流量計(jì)的工作原理是將兩個(gè)溫度傳感器(一般為鉑熱電阻)分別置于管道的流體中，由其中一個(gè)鉑電阻測(cè)得流體本身的溫度T，另一個(gè)鉑電阻經(jīng)一定功率的電加熱，其溫度TV高于T，當(dāng)流體靜止時(shí)其溫度最高，伴隨著管道中流體流量的增加，流體流動(dòng)帶走更多熱量使TV降低，即可通過溫度差求取流量值?；诮鹗隙傻臒峤z熱散失率為：

H/L=ΔT[λ+2(πλcvρVd)1/2]

(2)

式中cv——流體的定容比熱容；

d——熱絲直徑；

H/L——單位長(zhǎng)度熱散失率；

V——流體的流速；

ρ——流體的密度；

λ——流體的熱導(dǎo)率。

侵入式質(zhì)量流量計(jì)根據(jù)對(duì)鉑熱電阻的加熱方式，又分為恒功率式、恒溫差式和恒比率式。

恒功率式是在加熱電路上用一個(gè)恒定功率的電能對(duì)鉑電阻進(jìn)行加熱，流體介質(zhì)在靜態(tài)時(shí)，被加熱的鉑電阻和沒有被加熱的鉑電阻之間溫度差最大，隨著流體介質(zhì)的流動(dòng)，被加熱鉑電阻上溫度降低，則兩個(gè)鉑電阻之間的溫差減小。恒功率式熱式質(zhì)量流量計(jì)是通過測(cè)量溫差的變化來獲得流體介質(zhì)流量的變化。

恒溫差式是加熱一支鉑電阻，使其比不加熱的鉑電阻高出一個(gè)恒定的溫度。隨著流體介質(zhì)的流動(dòng)，被加熱的鉑電阻由于散熱而導(dǎo)致溫度降低，通過反饋電路反饋到處理器增大加熱器的電流(也可以是電壓)來保持其溫差為恒定值，再通過檢測(cè)變化的電流(或電壓)來獲得流量的變化值。

恒比率式是在恒溫差原理的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)施加在加熱端熱電阻上的加熱電流以保證被加熱的鉑電阻阻值與不加熱的鉑電阻阻值成一恒定比率。同恒溫差式質(zhì)量流量計(jì)一樣，恒比率式質(zhì)量流量計(jì)也是通過檢測(cè)變化的電流來獲得管道中流體的流量值。

2 核電廠中微小流量的測(cè)量與熱式質(zhì)量流量計(jì)的應(yīng)用

2.1 核電廠中的典型微小流量測(cè)量工況

在使用軸封型反應(yīng)堆冷卻劑泵(主泵)的核電廠中，主泵的第三級(jí)密封泄漏流是一種典型的微小流量工況。軸封系統(tǒng)是軸封型主泵的關(guān)鍵部件，其長(zhǎng)期可靠運(yùn)行不僅關(guān)系到核電廠的正常運(yùn)行，也直接影響到核電廠的安全。軸封的功能是保證核電廠正常運(yùn)行期間從一回路系統(tǒng)沿主泵泵軸向安全殼空間環(huán)境的反應(yīng)堆冷卻劑泄漏量基本為零，要求其長(zhǎng)期處于高壓差工況，并維持可控泄漏率。軸封一旦失效會(huì)導(dǎo)致核電廠一回路的壓力邊界完整性喪失，其泄漏率如果超過了化容系統(tǒng)的補(bǔ)給能力，則會(huì)導(dǎo)致潛在的小破口失水事故的發(fā)生，影響電廠安全。典型的流體動(dòng)壓型軸封系統(tǒng)通常由3道串聯(lián)機(jī)械密封和1道停車密封組成，通過降壓裝置將一回路系統(tǒng)壓力分配到串聯(lián)的各級(jí)密封上面，從而降低單級(jí)密封承受的壓力，增加主泵軸封長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。通過三級(jí)降壓，主泵第三道密封之后壓力降低至大氣壓?？紤]到若主泵第三級(jí)密封泄漏流流量過大，說明密封可能已磨損或損壞，流量過小，則對(duì)密封面的散熱和潤(rùn)滑不利，而影響軸封壽命。因而在核電廠正常運(yùn)行工況下，主泵第三級(jí)密封泄漏流的流量約為5L/h左右[1]，當(dāng)流量達(dá)到50L/h時(shí)，則需要產(chǎn)生報(bào)警提醒操作員。

2.2 常用的主泵第三級(jí)密封泄漏流量測(cè)量方法

目前在多個(gè)核電廠(例如秦山核電)中，采用容積式流量測(cè)量的方法，即通過液位儀表測(cè)量主泵密封泄漏流量在容器中的變化速率來推算泄漏流量。測(cè)量示意圖如圖1所示。

圖1 容積式流量測(cè)量裝置示意圖

容積式流量測(cè)量裝置一般由容器(允許流入和流出)和液位開關(guān)組成。當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)，容器內(nèi)的液位隨液體流入和流出速率的變化而變化：

(3)

式中a——容器下泄口的面積；

A——容器的截面積；

f(t)——泄漏流的瞬時(shí)流量；

h(t)——容器內(nèi)液位。

當(dāng)流量增大時(shí)，流入容器的流量大于經(jīng)容器下泄口流出的流量，容器內(nèi)的液位開始上升。當(dāng)上升至容器內(nèi)的設(shè)定點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)液位開關(guān)動(dòng)作，發(fā)生報(bào)警，表明第三級(jí)泄漏流的流量過大。若將液位測(cè)量?jī)x表由液位開關(guān)改為液位變送器，并配合數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，則可獲取泄漏流實(shí)時(shí)流量。

2.3 熱式質(zhì)量流量計(jì)的適用性

考慮到容積式流量測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，安裝維護(hù)和校準(zhǔn)不方便，有必要在滿足精度和抗震性能要求的前提下，采用安裝和維護(hù)方便的其他形式流量測(cè)量?jī)x表。熱式質(zhì)量流量計(jì)已在氣體流量測(cè)量領(lǐng)域獲得了成功的應(yīng)用，具有無可動(dòng)部件、壓損小及量程比寬等特點(diǎn)，例如在核電廠的通風(fēng)系統(tǒng)中，已成功地替代皮托管成為重要的測(cè)量方式。但在液位流量測(cè)量領(lǐng)域，熱式質(zhì)量流量計(jì)的應(yīng)用仍具有局限性。

由式(2)可知，熱絲的熱散失率與流體的熱導(dǎo)率、比熱容、流速和密度有關(guān)。相對(duì)于通風(fēng)系統(tǒng)中的空氣來說，水是一種具有較大比熱容、較大密度和熱導(dǎo)率的介質(zhì)。在相同的流速下，水帶走的熱量遠(yuǎn)大于空氣，對(duì)于以恒定功率加熱熱端鉑電阻的恒功率型熱式質(zhì)量流量計(jì)，為了適應(yīng)水流量的測(cè)量，加熱電路會(huì)采用比較高的加熱功率為熱端鉑電阻進(jìn)行加熱；對(duì)于恒溫差型的熱式質(zhì)量流量計(jì)，為了維持兩個(gè)鉑電阻之間恒定的溫差，加熱電路同樣會(huì)處于比較高的加熱功率狀態(tài)下，且加熱功率將隨水流量的增大而增大。因而，無論是恒功率型還是恒溫差型，加熱功率的提高會(huì)對(duì)流量計(jì)的安全性和壽命有很大的影響，也使其應(yīng)用環(huán)境造成一定的局限性。而恒比率式流量計(jì)由于通過調(diào)節(jié)施加在熱端熱電阻上的加熱電流，使熱端熱電阻的阻值與冷端熱電阻的阻值成一恒定比率，因而同恒溫差式流量計(jì)相比，在測(cè)量相同流速流體的情況下，恒比率式流量計(jì)熱端鉑電阻的加熱電流要小于恒溫差式，因而其加熱功率不會(huì)過高而產(chǎn)生儀表安全性和使用壽命方面的不利影響。對(duì)于主泵第三級(jí)密封泄漏流這種微小流量的測(cè)量，相對(duì)于恒功率式和恒溫差式，恒比率式熱式質(zhì)量流量計(jì)具有更好的應(yīng)用價(jià)值，然而對(duì)于較大液體流量的測(cè)量則并不適用。恒比率式流量計(jì)的熱端鉑電阻加熱電流IH與介質(zhì)質(zhì)量流量m的關(guān)系為：

(4)

式中AP——流體流經(jīng)管道的截面積；

AS——傳感器參與熱交換部分的表面積；

C1、C2——通過校準(zhǔn)確定的常數(shù)；

d——熱電阻傳感器直徑；

k——流體熱導(dǎo)率；

LS——傳感器損耗能量的因數(shù)；

n——校準(zhǔn)過程中通過回歸確定的指數(shù)；

Pr——流體的普朗特?cái)?shù)；

RC——冷端鉑電阻阻值；

RC0——冷端鉑電阻在0℃時(shí)的阻值；

RH——熱端鉑電阻阻值；

RH0——熱端鉑電阻在0℃時(shí)的阻值；

α——鉑電阻的參數(shù)。

2.3.1基本性能

熱式質(zhì)量流量計(jì)作為一種直接測(cè)量質(zhì)量流量的智能型流量?jī)x表，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、數(shù)字化程度高及安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。熱式質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量精度一般約為±1%，重復(fù)性為±0.2%；量程比寬可達(dá)100∶1，最高可達(dá)1000∶1；在-40～60℃的環(huán)境溫度下可正常工作；可耐受3MPa或更高的管道壓力；允許介質(zhì)工作溫度-70～400℃；允許被測(cè)液體的流速為0～4m/s；支持HART協(xié)議。另外，具有壓損小、直管段要求低和允許動(dòng)態(tài)修正的特點(diǎn)，其響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，未采用特殊設(shè)計(jì)時(shí)可達(dá)幾秒。熱式質(zhì)量流量計(jì)具有一體式和分體式兩種結(jié)構(gòu)，在累積輻照劑量較大區(qū)域，可采用分體式流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，信號(hào)處理部分布置于累積輻照劑量較小區(qū)域。

主泵第三級(jí)密封泄漏流正常工況下在5L/h左右，達(dá)到50L/h時(shí)報(bào)警，不用于過程控制。在電廠正常運(yùn)行工況下，測(cè)點(diǎn)所在區(qū)域的環(huán)境溫度約為50℃以下，工作壓力小于0.6MPa，工作溫度小于100℃，要求測(cè)量范圍的量程比約為30∶1，屬于非1E級(jí)測(cè)點(diǎn)。因此，就測(cè)量要求而言，熱式質(zhì)量流量計(jì)適用于主泵第三級(jí)密封泄漏流量的測(cè)量。

2.3.2抗震性能

由于主泵第三級(jí)密封泄漏流測(cè)點(diǎn)位于安全殼內(nèi)，周圍存在1E級(jí)儀表和核級(jí)管道，盡管測(cè)點(diǎn)本身不需要在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件工況下執(zhí)行功能，但不應(yīng)對(duì)其他需要執(zhí)行功能的設(shè)備或儀表造成損害，因而用于該測(cè)點(diǎn)的儀表應(yīng)滿足抗震要求，在SSE地震載荷下，滿足結(jié)構(gòu)完整性的要求,避免放射性物質(zhì)經(jīng)儀表破口向環(huán)境釋放以及對(duì)周圍1E級(jí)儀表和核級(jí)設(shè)備產(chǎn)生潛在危害。

熱式質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，除進(jìn)行抗震試驗(yàn)外，抗震分析亦可用于分析其抗震性能。在抗震分析中，需要重點(diǎn)對(duì)薄弱部位進(jìn)行應(yīng)力分析，通常包括傳感器與管道相交的節(jié)點(diǎn)處、螺紋連接處及法蘭連接處等位置。

對(duì)某一型號(hào)熱式質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行抗震分析，取三向峰值加速度為6g。通過應(yīng)力分析表明，流量計(jì)的第一階自振頻率大于33Hz，在地震載荷作用下，薄弱部位的計(jì)算應(yīng)力值均小于規(guī)定的應(yīng)力限值，從而認(rèn)為其在SSE地震載荷下，結(jié)構(gòu)完整性可以得到保證。

2.3.3耐輻照性能

因主泵第三級(jí)密封泄漏流測(cè)點(diǎn)位于安全殼內(nèi)，在電廠正常運(yùn)行工況下，探頭所處的環(huán)境具有一定的電離輻射存在。因而，用于該測(cè)點(diǎn)的儀表應(yīng)能經(jīng)受一定的累積輻照劑量而測(cè)量結(jié)果仍在要求的測(cè)量精度范圍內(nèi)。目前，對(duì)于儀表的耐輻照性能，主要采用試驗(yàn)法進(jìn)行驗(yàn)證。

對(duì)某一型號(hào)分體式熱式質(zhì)量流量計(jì)探頭進(jìn)行耐輻照試驗(yàn)，輻射源采用鈷-60，試驗(yàn)時(shí)間持續(xù)40h以上，累積輻照劑量約2×104Gy，輻照后進(jìn)行功能試驗(yàn)，流量計(jì)的輸出維持在測(cè)量精度范圍內(nèi)，表明該型流量計(jì)可以經(jīng)受若干年的累積輻照劑量而不損壞。

2.3.4安裝

為便于安裝和維護(hù)，流量計(jì)可采用法蘭-法蘭連接的形式。在一般情況下，為了滿足測(cè)量精度，熱式質(zhì)量流量計(jì)對(duì)于前后直管段的要求較高，部分型號(hào)的流量計(jì)要求的直管段長(zhǎng)度可達(dá)到前15D、后5D以上。但由于流量計(jì)允許動(dòng)態(tài)修正，經(jīng)過標(biāo)定和修正后，可降低熱式質(zhì)量流量計(jì)的前后直管段要求。對(duì)于主泵第三級(jí)密封泄漏流的測(cè)量，熱式質(zhì)量流量計(jì)可滿足安裝和維護(hù)要求。

2.4 水流量測(cè)量試驗(yàn)驗(yàn)證

熱式質(zhì)量流量計(jì)在出廠前均經(jīng)過出廠標(biāo)定，以確保其性能滿足要求。此外，為了驗(yàn)證流量計(jì)在主泵第三級(jí)密封泄漏流量測(cè)量場(chǎng)合的適用性，搭建了模擬試驗(yàn)裝置如圖2所示。試驗(yàn)裝置由玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、壓力表、Swagelok計(jì)量閥和管道組成。流量計(jì)探頭安裝在壓力表和閥門之間，測(cè)量信號(hào)通過電纜送至流量計(jì)的數(shù)據(jù)處理單元，并最終在顯示儀上進(jìn)行顯示。計(jì)量閥用于調(diào)節(jié)試驗(yàn)裝置的流量，玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)得的結(jié)果作為熱式質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量結(jié)果的參考，壓力表用于試驗(yàn)裝置試驗(yàn)過程壓力的測(cè)量。

圖2 模擬試驗(yàn)裝置

由于主泵第三級(jí)密封泄漏流的流量在正常運(yùn)行工況下約為5L/h左右，當(dāng)達(dá)到50L/h時(shí)需要發(fā)出報(bào)警。因此，試驗(yàn)點(diǎn)可適當(dāng)取為5L/h以下、5L/h、5～50L/h和50L/h以上。通過調(diào)節(jié)計(jì)量閥達(dá)到各選取試驗(yàn)點(diǎn)的流量，將熱式質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果與玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，熱式質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)果與玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的結(jié)果是相符的。

2.5 布置設(shè)計(jì)

采用熱式質(zhì)量流量計(jì)替代容積式流量測(cè)量裝置測(cè)量主泵第三級(jí)密封泄漏流量，對(duì)于簡(jiǎn)化泄漏流管道布置和儀表安裝具有一定的積極作用。然而為了確保流量計(jì)正常工作，以及安裝和維護(hù)方便，流量計(jì)的布置也需要采取一些措施。一般泄漏流管道的通徑采用DN25mm，由于泄漏流量小，在電廠運(yùn)行過程中，可能出現(xiàn)泄漏流管道內(nèi)介質(zhì)不滿管的情況，這一情況對(duì)于流量計(jì)的測(cè)量是不利的。為了滿足流量計(jì)測(cè)量條件，采取如下措施：熱式質(zhì)量流量計(jì)自帶管道采用通徑較小的管道，如DN8mm，與泄漏流管道通過異徑接頭進(jìn)行連接；在流量計(jì)下游適當(dāng)位置設(shè)置一段向上的坡度后再向下接至下泄管道，替代直接向下接至下泄管道的做法。通過上述措施，避免泄漏流管道內(nèi)出現(xiàn)介質(zhì)不滿管的情況。另外，流量計(jì)與管道采用法蘭安裝，以簡(jiǎn)化安裝和維護(hù)。

3 結(jié)束語

盡管熱式質(zhì)量流量計(jì)的響應(yīng)時(shí)間較慢，但對(duì)于核電廠中對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求不高的液體微小流量測(cè)量場(chǎng)合，它提供了另外一種選擇。除熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)外，近些年出現(xiàn)了基于珀?duì)柼?yīng)的制冷型熱式質(zhì)量流量計(jì)，對(duì)于液體流量的測(cè)量，也表現(xiàn)出一定的適用性。新型儀表的出現(xiàn)，為過程測(cè)量提供了新的方法，但其實(shí)際應(yīng)用需基于充分地分析和驗(yàn)證。

[1] 叢國輝，王元，馬家炯，等.百萬千瓦級(jí)核電廠主泵軸封技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].流體機(jī)械，2013,41(12):36～42,56.