熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)工作方式及核電現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

張少南　周小瑄

摘 要：熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)的工作原理分為恒功率法以及恒溫差法，它不僅可以直接測(cè)量流體的質(zhì)量流量也可以在標(biāo)準(zhǔn)狀況下測(cè)量流體的體積流量，經(jīng)過輸出量的設(shè)置也可以作為流量或液位開關(guān)使用，具有測(cè)量精度高（其精度通常能夠達(dá)到±0.75%（讀數(shù)）、±0.5%（滿量程），部分產(chǎn)品能夠達(dá)到±0.01%（讀數(shù)）、±0.1%（滿量程），安裝便捷快速，工作穩(wěn)定便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，作為流量計(jì)，因此在廣泛應(yīng)用于石油化工、食品加工、醫(yī)藥衛(wèi)生、空氣凈化、水處理以及電站運(yùn)行等諸多領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)；AP1000；現(xiàn)場(chǎng)儀表調(diào)

中圖分類號(hào)：TH814；TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）23-0137-02

0 前言

在中國(guó)建設(shè)的三代核電AP1000電廠中，熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)多應(yīng)用于核島內(nèi)的暖通系統(tǒng)氣體流量測(cè)量，其中更是包括對(duì)主控制留居供氣流量這樣的關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量，涉及儀表總數(shù)多達(dá)80余臺(tái)。

可預(yù)見的是，熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)這種設(shè)計(jì)原理較為先進(jìn)的流量測(cè)量?jī)x表將在核電廠有更為廣闊的應(yīng)用。

目前市場(chǎng)上廠商常見且滿足核電特殊使用需求的熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)主要有的5到6家，如KURZ、MAGNATROL、E+H、FCI、SIERRA、DELTA-M。由于專利的限制，除FCI采用和功率法測(cè)量外，其余公司多采用恒溫差測(cè)量法。作為該領(lǐng)域資深廠商，F(xiàn)CI不僅能夠提供滿足普通工況下的熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)，也能夠提供極端工況下（高輻照、抗震）的產(chǎn)品，但由于采用恒功率原理，造成儀表上電后需要一定時(shí)間才能達(dá)到自身熱平衡，啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。而采用了恒溫差原理的儀表，上電后無需較長(zhǎng)時(shí)間便可達(dá)到熱平衡，啟動(dòng)較快，便于調(diào)試。

1 熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)工作原理

熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)有兩種工作原理，一是恒功率式，一是恒溫差式，雖然原理不同但兩者結(jié)構(gòu)相似，都擁有一對(duì)熱電阻（RTD）探頭位于探桿末端，一個(gè)稱為參考段用于測(cè)量流體溫度，另一個(gè)為工作端用于感應(yīng)流體質(zhì)量流量。儀表上電后，工作端實(shí)際為一個(gè)低功率的加熱探頭，制造與參考端之間的溫差，形成靜態(tài)熱平衡。當(dāng)有介質(zhì)流經(jīng)兩個(gè)探頭時(shí)，工作端的探頭所制造的溫差因介質(zhì)質(zhì)量流量的變化而改變（既流體將加熱端所產(chǎn)生的熱量帶走，造成連探頭溫差變化），而該溫差的變化與流體的質(zhì)量流量成正比例關(guān)系，又與流速成正比關(guān)系，因此通過測(cè)量參考端與工作端之間的溫差就可以得出流體的質(zhì)量流量，以及流體流速。唯一不同的是，恒功率式工作端的加熱功率不變，而恒溫差式是維持連探頭溫差不變，功率則根據(jù)需要持續(xù)補(bǔ)償修正。

典型的熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)輸出信號(hào)為4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)或電壓信號(hào)，可配備HART通信協(xié)議或MODBUS等接口，因其本質(zhì)上就是一個(gè)熱電阻，所以多數(shù)型號(hào)的熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)也可以提供溫度信號(hào)輸出。并且，只要通過信號(hào)轉(zhuǎn)換，將輸出信號(hào)設(shè)置為0和1的開關(guān)量，質(zhì)量流量計(jì)也可作為流量、液位開關(guān)使用，如圖1所示。

2 熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)構(gòu)

熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)主要由變送器、探桿、探頭三部分組成。

其中，變送器由交流（100-240VAC）或直流（18-30VDC）供電，位于探桿一端，其內(nèi)部主要裝有電源處理模塊以及信號(hào)處理模塊，前者用于對(duì)電源進(jìn)行濾波以及電源分配和電壓轉(zhuǎn)換，后者用于A/D信號(hào)處理、轉(zhuǎn)換、放大并同時(shí)對(duì)工作端與參考端熱電阻進(jìn)行必要的溫度補(bǔ)償積極矯正，經(jīng)線性化處理后，最終輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（4-20mA，0-5VDC等）。

探桿通常為不銹鋼材質(zhì)，其插入深度通常為管道直徑的1/3-2/3處，多為活動(dòng)插拔式設(shè)計(jì)，方便插入深度的在線調(diào)整。

探頭主要部件為兩個(gè)熱電阻（參考端、工作端），呈柱狀，安裝時(shí)前后排布位于探桿的另一端。通常選取分度號(hào)為正溫度系數(shù)的PT100、PT500、PT1000、PT2000。

此外，為了達(dá)到高精度的測(cè)量，可在探桿上安裝多組探頭，在探桿上開出大小相同的數(shù)個(gè)孔洞，每組探頭皆裝在每個(gè)孔洞中，這樣介質(zhì)可同時(shí)流經(jīng)數(shù)組探頭，能夠更加準(zhǔn)確地測(cè)量流場(chǎng)每點(diǎn)的流量，從而提高測(cè)量精度。每組探均由熱套管隔開，避免工作端的熱量互相影響。

3 熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)的安裝

根據(jù)探頭與變送器之間安裝和使用需求質(zhì)量流量計(jì)可以配置為一體化安裝和分體式安裝。

熱擴(kuò)散質(zhì)量流量計(jì)與管道連接的方式通常為插入式安裝和管段式安裝，前者分為法蘭螺紋安裝和法蘭安裝，適用管徑一般為DN80-6000mm，后者要求儀表自帶管段適用管徑一般為DN15-2000mm。

標(biāo)準(zhǔn)工況下要求，熱擴(kuò)散質(zhì)量流量計(jì)安裝為前直管段10D（D為管道內(nèi)徑），后直管段5D，且前直管段15D內(nèi)無彎頭、變徑、閥門等影響流場(chǎng)的阻力部件。

而實(shí)際工況往往要復(fù)雜得多，無法滿足前10后5的直管段要求，此時(shí)要求廠家根據(jù)工況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)流場(chǎng)標(biāo)定，采用多位置安裝或多探頭形式降低直管段過短或流場(chǎng)復(fù)雜的影響。

探桿上通常標(biāo)有刻度和流體流向箭頭，安裝時(shí)箭頭方向需要與實(shí)際工況下流體流向相同，插入深度根據(jù)管道直徑確定，單探頭通常插入管道直徑1/2處，多組探頭通常插入管道的1/3-2/3處。

如果儀表安裝與垂直管道中，為確保其測(cè)量精度，安裝探頭時(shí)通常將工作端放置于上方。

4 熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)的調(diào)試

熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方法大致相同，根據(jù)不同的型號(hào)略有差異，以主控室留居系統(tǒng)中的兩臺(tái)流量計(jì)為例：

流量計(jì)A/B位于主控室外門廳內(nèi)，位于同一管道前后相鄰安裝。用于在MCR通風(fēng)系統(tǒng)喪失后，檢測(cè)由高壓氣瓶輸送給主控室、值長(zhǎng)室的氣體流量（該氣體用于保證主控室、值長(zhǎng)室人員72小時(shí)留居所用氣體）。

如圖2，該系統(tǒng)主路為C，經(jīng)V005、流量計(jì)A/B、V045、噴射器、濾網(wǎng)最終在主控和值長(zhǎng)室釋放。

A/B為輔路，在主路不可用時(shí)，由A＼B輔路為主控室留居人員提供可用氣體。

A路徑經(jīng)V005、流量計(jì)A/B、V046、孔板、消聲器釋放至值長(zhǎng)室。

B路徑經(jīng)V001、流量計(jì)A/B、V046、孔板、消聲器釋放至值長(zhǎng)室。

調(diào)試過程中主路C、輔路A/B流量顯示差距較大，需要通過操作V045、V046閥門進(jìn)行主路、輔路切換，各取5點(diǎn)完成3組流量數(shù)據(jù)記錄。同時(shí)，在機(jī)柜側(cè)觀測(cè)并記錄ABC3組數(shù)據(jù)。接著，在現(xiàn)場(chǎng)通過DAQ現(xiàn)場(chǎng)讀數(shù)記錄ABC3組數(shù)據(jù)。

校驗(yàn)方法：用電阻箱模擬測(cè)量端熱電阻溫度信號(hào)來代表實(shí)際測(cè)量中的流量變化。按照?qǐng)D中示意的方式接線，測(cè)量環(huán)境溫度，固定此時(shí)參考端阻值。然后，以次改變測(cè)量端電阻箱阻值，記錄DAQ中流量數(shù)據(jù)。用萬用表測(cè)量輸入電阻值并進(jìn)行調(diào)教。

所需設(shè)備：DAQ信號(hào)采集器、電阻箱、萬用表、電纜數(shù)根、拆裝工具等

接線方法：測(cè)量環(huán)境溫度后，將參考段設(shè)置在固定的阻值。將電阻箱串入測(cè)量端，信號(hào)輸出連接至DAQ。流量計(jì)A/B用自制電源線、電纜并聯(lián)，接地共用。示意圖見圖3：

需要注意的是：

（1）并聯(lián)電源屏蔽接地應(yīng)選用與額定電壓相符合的電纜規(guī)格。如單根1mm較細(xì)，可臨時(shí)用雙根代替。（2）參考端不需改變電阻信號(hào)，環(huán)境溫度測(cè)得后即可知道其固定阻值。（3）電阻箱的選用應(yīng)注意量程范圍和精度。（4）為保證流道內(nèi)無氣體積壓，切換流道時(shí)應(yīng)保持原流道暢通，待新流道閥門開啟后再關(guān)閉原流道閥門。

5 結(jié)語

由于我國(guó)基礎(chǔ)工業(yè)薄弱，從原材料，設(shè)計(jì)研發(fā)，到制造生產(chǎn)中質(zhì)量控制與國(guó)外廠家仍有相當(dāng)大的差距而儀表工業(yè)在起步時(shí)已大大落后西方，早期國(guó)內(nèi)工廠所使用的儀表又均依賴國(guó)外進(jìn)口。當(dāng)前，我國(guó)自行生產(chǎn)制造的現(xiàn)有產(chǎn)品品種、規(guī)格、精確度和可靠性尚且不能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，特別是在核電站所使用的熱擴(kuò)散質(zhì)量流量計(jì)幾乎全部為國(guó)外進(jìn)口。核電站儀表國(guó)產(chǎn)化是一項(xiàng)具有較高難度的系統(tǒng)工程。我國(guó)核電發(fā)展堅(jiān)持“自主設(shè)計(jì)、自主制造、自主建設(shè)、自主運(yùn)營(yíng)”的自主化路線，儀表作為不可或缺的“關(guān)鍵重大設(shè)備”，涉及核電站的安全運(yùn)營(yíng)，影響到整個(gè)國(guó)家和人民的安全，其核心技術(shù)和產(chǎn)品必須全面掌握。另外，設(shè)備的采購(gòu)固然要國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)公開競(jìng)爭(zhēng)，但過去的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，國(guó)內(nèi)廠商參與競(jìng)標(biāo)有利于形成良性的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備采購(gòu)成本降低。因此，無論從安全角度還是市場(chǎng)角度來分析，核電儀表都應(yīng)該盡快、全面實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。