基于超聲波流量計的HFETR二次水流量測量系統(tǒng)

徐 兵，楊先軍，蔣 波，王 雷，江易蔚，徐 宇，韓良文

（中國核動力研究設(shè)計院，成都 610005）

0 引言

高通量工程試驗堆（簡稱HFETR）流體流量連續(xù)監(jiān)測，對于反應(yīng)堆安全運行具有重要的意義。原二次水總管入口流量測量系統(tǒng)采用差壓法測量二次水流量，由孔板、差壓變送器、配電器和數(shù)字顯示表構(gòu)成。為響應(yīng)國家節(jié)能環(huán)保要求，在保證系統(tǒng)運行安全的前提下，改為僅啟動一臺二次水主泵對運行期間二次側(cè)冷卻水管道進(jìn)行供水。由于一臺主泵無法實現(xiàn)管內(nèi)液體滿管，管道上部存有少量空氣，受孔板流量計測量原理限制，需要頻繁地進(jìn)行排氣操作，嚴(yán)重影響正常測量，給反應(yīng)堆運行帶來安全風(fēng)險。

本系統(tǒng)采用超聲波流量計測量代替原有的孔板流量計，實現(xiàn)二次水流量較準(zhǔn)確的監(jiān)測，提高測量的穩(wěn)定性和可靠性。

1 測量原理對比

流量傳感器是將流量信號轉(zhuǎn)化為差壓信號或頻率信號的儀表。工業(yè)上常用的流量測量儀表種類很多，按照其測量原理來分類，可分為：差壓式流量計和速度流量計等。差壓式流量計是利用管內(nèi)流體通過節(jié)流元件時，其流量與節(jié)流件內(nèi)的壓差之間的關(guān)系來確定管道內(nèi)流量[1]；速度式流速測量儀表是利用管內(nèi)流體的流速和流量成比例關(guān)系[2]。

1.1 孔板流量計

孔板流量計是將標(biāo)準(zhǔn)孔板與多參數(shù)差壓變送器配套組成的高量程比差壓流量裝置。在管道中安裝一個孔板，流體流過孔板時速度增加，壓強(qiáng)減小，孔板兩側(cè)的靜壓頭之差正好是管中動壓頭之差，再通過差壓變送器將孔板前后的壓差信號在變送器內(nèi)部轉(zhuǎn)化為電流或電壓信號，輸出與流量成線性函數(shù)關(guān)系的直流信號。

孔板流量計的測量是建立在以孔板穩(wěn)定流動的基礎(chǔ)上，當(dāng)管內(nèi)流體不滿管時，管道中由于氣體的流速和壓力發(fā)生突然變化，造成脈動流，它能引起差壓的波動。測量點有脈動現(xiàn)象時，穩(wěn)定原理不存在，直接導(dǎo)致差壓變送器輸出在零和滿量程之間波動，影響到孔板流量計正常測量。

1.2 超聲波流量計

超聲波流量計是實現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的裝置，超聲波流量計可以發(fā)射超聲波和接收超聲波回波，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。在流體中，超聲波束在液體中傳播時，液體的流動將使傳播的時間產(chǎn)生微小的變化，并且其傳播時間的變化正比于液體的流速，其關(guān)系符合下列表達(dá)式：

式（1）中：θ 為聲束與液體流動方向的夾角；M 為聲束在液體的直線傳播次數(shù)；D 為管道內(nèi)徑；Tup為聲束在正方向上的傳播時間；Tdown為聲束在逆方向上的傳播時間。

超聲波向上下游傳播速度由于迭加了流體流速而不同，在相距L 的兩處分別放置兩組超聲波發(fā)生器和接收器（T1,R1）和（T2,R2），兩臺超聲波發(fā)生器相向發(fā)送超聲波信號，通過測量超聲波發(fā)送器上、下游等距離處接受到的超聲波信號的時間差ΔT、相位差或頻率差來測量流速[3]。

圖1 孔板流量計測量原理Fig.1 Measurement principle of orifice flowmeter

根據(jù)液體流速，結(jié)合管道橫截面面積可計算出流體的流量，當(dāng)管道不滿管時，流過管道的液體截面積與管道截面積不相等，影響到流量測量準(zhǔn)確性。

由于二次水管道運行期間管道上部存在有少量空氣，孔板流量計數(shù)據(jù)波動較大，雖然超聲波流量計同樣存在測量不準(zhǔn)確等問題，但是數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，能夠通過超聲波流量計數(shù)據(jù)為二次水流量是否斷流提供較為準(zhǔn)確的判斷依據(jù)。并且超聲波傳感器采用外夾式安裝，能夠在不損壞管道的前提下完成安裝，因此最終確定采用超聲波流量計代替孔板流量計實現(xiàn)對二次水流量的測量。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于超聲波流量計的二次水流量測量系統(tǒng)包括超聲波探頭、流量計主機(jī)、信號隔離器和記錄儀。

本系統(tǒng)采用速度式流量測量儀表，利用管內(nèi)流體的流速和流量成一定的比例關(guān)系。超聲波流量計探頭測量上、下游等距離處接收到的超聲波信號的時間差ΔT，并將此信號輸入到流量計主機(jī)，流量計主機(jī)對超聲波時間差ΔT進(jìn)行運算，并轉(zhuǎn)換成速度之差，進(jìn)而測得流體流速。根據(jù)管內(nèi)流體的流速和流量成一定的比例關(guān)系的原理計算出流體流量，流體流量顯示在流量計主機(jī)顯示面板上，同時輸出4mA DC ～20mA DC 遠(yuǎn)傳流量信號，通過屏蔽電纜從超聲波流量計主機(jī)傳輸至信號隔離器，經(jīng)I/V 轉(zhuǎn)換成1V DC ～5V DC 送至數(shù)顯記錄儀顯示流量值。超聲波二次水流量測量系統(tǒng)構(gòu)成如圖2 所示。

2.2 系統(tǒng)安裝

根據(jù)超聲波流量計測量原理，需要在同一管道相鄰安裝兩個超聲波流量計[4]。超聲波流量計探頭采用外夾式安裝方式安裝在“協(xié)作橋”附近的HFETR 二次水入口母管管道上，在操作平臺上部的母管管道側(cè)面選取兩個安裝位置，分別安裝兩個探頭，兩個探頭中心線與管道中軸線水平平行，兩個探頭間距0.8m，與管道接觸面位置添加聲耦合劑，用夾具和不銹鋼帶將探頭壓緊固定在管道上，探頭安裝完畢后恢復(fù)管道防腐。超聲波流量計主機(jī)安裝在附近柴油機(jī)房值班室墻壁上。

圖2 超聲波二次水流量測量系統(tǒng)Fig.2 Ultrasonic secondary water flow measurement system

信號隔離器用導(dǎo)軌安裝在HFETR 主控室儀表屏后，將超聲波流量計遠(yuǎn)傳信號電纜接入信號隔離器輸入端，輸出端連接記錄儀，用于顯示和記錄二次水流量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)安裝布置如圖3 所示。

圖3 超聲波二次水流量測量系統(tǒng)布置Fig.3 Arrangement of ultrasonic secondary water flow measurement system

3 系統(tǒng)測試

基于超聲波流量計的HFETR 二次水流量測量系統(tǒng)測試過程分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試，靜態(tài)測試用于測試后端系統(tǒng)轉(zhuǎn)化精度，動態(tài)測試用于測試系統(tǒng)整體測量穩(wěn)定性。

3.1 靜態(tài)測試

靜態(tài)測試通過將超聲波流量計主機(jī)與傳輸線斷開，在傳輸線端子依次輸入4mA、8mA、12mA、16mA、20mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號模擬超聲波流量計主機(jī)輸出，觀察記錄儀顯示數(shù)據(jù)。

由表1 可以看出，遠(yuǎn)傳線路與顯示儀表的誤差在允許誤差范圍之內(nèi)，滿足使用要求。

3.2 動態(tài)測試

動態(tài)測試按照二次水的實際運行工況進(jìn)行，測試分為二次水管道流量滿管和不滿管兩種工況進(jìn)行。在滿管工況下，啟動兩臺大泵，對二次水管線排氣后，二次水流量測量系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，間隔10min 記錄1 組流量數(shù)據(jù)，記錄3組流量數(shù)據(jù)。

滿管測試實驗完畢后，僅啟動一臺小泵，在一臺小泵的運行情況下，二次水管道不能滿管。二次水流量測量系統(tǒng)穩(wěn)定后，間隔10min 記錄一組流量數(shù)據(jù)，記錄3 組流量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄見表2。

由表2 中數(shù)據(jù)可以看出，在二次水流量滿管工況下，超聲波流量計與原孔板流量測量數(shù)據(jù)均在9000t/h 左右，兩套測量系統(tǒng)測量值最大偏差為320t/h；在一臺小泵運行工況下，超聲波流量計有較穩(wěn)定的測量值，原孔板流量顯示負(fù)值，無法得到測量數(shù)據(jù)。

根據(jù)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)儀器儀表設(shè)備的精度進(jìn)行系統(tǒng)誤差計算[5]。超聲波流量計精度1 級，信號隔離器精度0.5 級，雙筆數(shù)顯記錄儀數(shù)顯部分0.5 級，可得基于超聲波流量計的HFETR 二次水流量測量系統(tǒng)誤差為：

表1 遠(yuǎn)傳線路與顯示儀表調(diào)試數(shù)據(jù)Table 1 Commissioning data of remote transmission line and display instrument

滿足測量誤差要求。

4 結(jié)語

經(jīng)過對系統(tǒng)靜態(tài)測試和動態(tài)測試，基于超聲波流量計的HFETR 二次水流量測量系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，在二次水流量不滿管的情況下可正常對流量數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)，在流量不滿管導(dǎo)致孔板流量計不能正常測量的情況下可以繼續(xù)對二次水流量進(jìn)行監(jiān)測。經(jīng)長期運行考驗，超聲波流量計測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，可代替孔板流量計完成對二次水回路流量的測量。

表2 動態(tài)調(diào)試數(shù)據(jù)Table 2 Dynamic debugging data