熱式質(zhì)量流量計(jì)是采用熱擴(kuò)散原理直接測量氣體質(zhì)量的流量計(jì)[1], 無須溫度和壓力補(bǔ)償, 同時(shí)可以測量介質(zhì)的溫度, 與其他常用流量計(jì)相比, 具有量程比寬、抗振性能好、低流速時(shí)輸出信號靈敏度高等特點(diǎn)[2]。

由于核電項(xiàng)目的特殊性, 核島內(nèi)主要使用容積式流量計(jì)和葉輪式流量計(jì)來進(jìn)行氣體流量測量, 如渦輪流量計(jì)、浮子式流量計(jì)和旋進(jìn)旋渦流量計(jì)等, 較少使用質(zhì)量流量計(jì)。防城港核電站1號機(jī)儀表壓縮空氣分配系統(tǒng) (SAR) 氣源管道上流量計(jì)SAR001MD原型號為渦輪流量計(jì), 在使用過程中發(fā)現(xiàn)小流量工況下該類型流量計(jì)測量不準(zhǔn)確, 波動頻繁, 線性度較差等問題。通過分析系統(tǒng)狀況及各類型流量計(jì)特點(diǎn), 現(xiàn)場嘗試使用FOX公司FT3型熱式質(zhì)量流量計(jì)對原渦輪流量計(jì)進(jìn)行了改造, 改造后的測量值波動幅度大幅減小, 沒有回零現(xiàn)象發(fā)生。

熱式質(zhì)量流量計(jì)基于熱擴(kuò)散原理, 其典型傳感器元件包括兩個(gè)鉑熱電阻, 當(dāng)這兩個(gè)熱電阻被置于流體中時(shí), 其中一個(gè)被加熱, 另外一個(gè)用于測量介質(zhì)溫度, 兩個(gè)熱電阻之間的溫差與過程流速及過程機(jī)制的性質(zhì)有關(guān)[3], 根據(jù)測量方式的不同又分為恒溫差法[4]、恒功率法[5]。Fox公司生產(chǎn)的FT3型屬于插入式恒溫差法流量計(jì), 即保持兩個(gè)熱電阻之間的溫差恒定, 利用金氏定律可推導(dǎo)出加熱功率與流量間的關(guān)系如下[6]:

式中:P-消耗的電功率, 瓦;λ-流體的熱導(dǎo)率, J/h·m·K;cv-定容比熱容, J/kg·K;ρ-流體的密度, kg/m;U-流體的流速, m/h;d-熱電阻直徑, m;f-常數(shù)。從上式可看出當(dāng)保持加熱電阻和測溫電阻之間的溫差△T不變時(shí), 加熱電阻上的功率P與U成正比。

FT3型流量計(jì)具有如下特點(diǎn):

(1) 儀表以標(biāo)準(zhǔn)單位測量氣體質(zhì)量流量而無須溫度及壓力補(bǔ)償, 同時(shí)可以測量過程氣體溫度。多種計(jì)量單位可現(xiàn)場選擇 (SCFM, SFPM, Nm/h, kg/h等) ;

(2) 兩路隔離4~20m A輸出;100Hz, 5~24V隔離脈沖流量輸出, ***大10m A;USB接口連接PC端Fox View軟件查看、設(shè)置、校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)記錄等功能;HART和RS485 Modbus可選;

(3) 采用Cal-VTM在線驗(yàn)證校準(zhǔn)功能:該功能是可以在線原位校準(zhǔn)流量計(jì)準(zhǔn)確度, 測試傳感器功能性和相關(guān)信號處理電路, 只需一個(gè)按鍵即可。在測試結(jié)束后, 流量計(jì)會顯示成功或失敗信息并存儲Cal-VTM校驗(yàn)數(shù)據(jù)以便隨時(shí)查看。在測試過程中, 流量計(jì)的微處理器調(diào)節(jié)信號傳感器的信號, 并判斷其電氣特性, 將這些數(shù)據(jù)與流量計(jì)電子單元中存儲的出廠標(biāo)定數(shù)據(jù)對比, 如數(shù)據(jù)在容差范圍內(nèi), 則表明流量計(jì)測量準(zhǔn)確。

(4) 測量范圍:0.07~71Nm/h;

(5) 測量精度:空氣±1%的讀數(shù), ±0.2%的滿量程;其他氣體±1.5%的讀數(shù), ±0.5%的滿量程;

(6) 響應(yīng)時(shí)間:0.9秒;

(7) 量程比***高1000:1, 典型100:1;

(8) 安裝時(shí), 上游至少大于等于8個(gè)管徑, 下游大于等于4個(gè)管徑;

(9) 供電:標(biāo)準(zhǔn)24VDC, ±10%, 0.75A;可選220V AC, 50Hz, 20W功率。

核電機(jī)組在正常運(yùn)行期間, 需保持安全殼內(nèi)與外部大氣之間的潛在過壓應(yīng)小于60mbar, 如超過60mbar則需采取措施進(jìn)行降壓處理。影響安全殼內(nèi)部壓力變化的因素有殼內(nèi)氣動控制設(shè)備的工作排氣和漏氣、殼內(nèi)外壓差導(dǎo)致貫穿件的泄漏等, 其中氣動控制設(shè)備的工作排氣或漏氣是導(dǎo)致核反應(yīng)堆廠房內(nèi)壓力上升的主要因素。根據(jù)核電站儀用壓縮空氣分配系統(tǒng)流程圖 (下圖1) , 可知監(jiān)視安全殼內(nèi)氣動控制設(shè)備所需壓縮空氣總量的流量計(jì)為1SAR001MD, 測量信號直接送至DCS。正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)參數(shù)如下:7.81-10bar, 雜質(zhì):<1μm, 含量:≤0.01mg/m, 接口管徑33.4×2.77, 要求儀表量程0-10Nm/h。

原設(shè)計(jì)供貨的流量計(jì)為法國福爾赫曼公司生產(chǎn)的渦輪流量計(jì), 型號為:TGN25G6.5 (150#) 帶前置放大器FH710, 量程為2-10Nm/h。渦輪流量計(jì)對被測介質(zhì)的潔凈度、上下游直管段要求都比較高, 適宜用在壓力變化不大、流速比較穩(wěn)定, 需要計(jì)量物料總量的場所。實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)渦輪流量計(jì)波動比較大, 并有歸零現(xiàn)象發(fā)生, 流量曲線如下圖2所示, 其在DCS里面的組態(tài)如下圖3所示, 計(jì)算公式如下:

式中:QN-換算后標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下流量, Nm/h;QAV-現(xiàn)場流量計(jì)上傳到DCS的流量值, m/h;TN-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下溫度值, K;PAV-現(xiàn)場實(shí)測壓力, MPα;TAV-現(xiàn)場實(shí)測溫度值, K;PN-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下壓力, MPα;ZN、Z-修正系數(shù), 約等于1。儀控氣源管路正常運(yùn)行時(shí)壓力為0.8MPa左右, 由上述計(jì)算公式可知管道內(nèi)實(shí)際流量會小于2m/h, 低于儀表的***小量程要求, 現(xiàn)場將渦輪流量計(jì)拆下后對其重新進(jìn)行了校驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)當(dāng)流量低于1.5m/h時(shí), 流量計(jì)線性比較差, 不能滿足現(xiàn)場要求。現(xiàn)場氣動設(shè)備的頻繁動作也會導(dǎo)致整個(gè)管路的壓力波動比較明顯, 從而影響流量計(jì)的穩(wěn)定測量。

考慮到現(xiàn)場工況比較特殊, 正常運(yùn)行時(shí)用氣量比較小, 壓力波動比較大, 測量范圍比較寬, 對儀表的精度要求比較高, 通過分析比較各類流量計(jì)的特點(diǎn)后決定采用熱式質(zhì)量流量計(jì)對渦輪流量計(jì)進(jìn)行換型改造。

本次改造選用的質(zhì)量流量計(jì)型號為:FT3-10F-SS-ST-E1-DD-B0-G1, 改造前后流量變送器安裝方式不變, 均為法蘭連接, 管徑尺寸也不變, 為滿足流量計(jì)對上下游直管段的要求, 需對上下游管道進(jìn)行改造, 改造前后上下游直管段參數(shù)詳見下表1:

FT3型熱式質(zhì)量流量計(jì)需要單獨(dú)提供24VDC直流電源, 因此需要增加1面220VAC轉(zhuǎn)24VDC的就地電源箱。表頭處接線如下圖4所示, 右側(cè)接24VCD電源線來自就地電源箱, 左側(cè)接信號線送至DCS。Fox熱式流量計(jì)的4-20m A輸出均為無源輸出, 需DCS側(cè)提供額外的24VDC電源, 改造后的流量計(jì)無須壓力和溫度補(bǔ)償。

本電廠DCS由北京廣利核工程有限公司供貨, 現(xiàn)場過來的4-20m A流量信號先送隔離模塊NM3480, 然后通過內(nèi)部數(shù)據(jù)通信送至8通道輸入模塊NM480, 信號采集流程圖如下圖5所示。NM3480是廣利核公司生產(chǎn)的8通道可外供電隔離型電流輸入端子轉(zhuǎn)接模塊, 通過專用25芯預(yù)制電纜與NM480模塊配套使用, 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場電流信號到功能模塊的相互轉(zhuǎn)接與傳遞。根據(jù)是否需要DCS提供電源以及有無電流限制, NM3480模塊有4種接線模式可供選擇, SAR001MD信號接An、Bn端子, 表示需DCS供電且有電流限制。

NM480是8通道路間隔離型電流輸入模塊, 通過64針歐式連接器與機(jī)籠底板連接, 配合端子模塊實(shí)現(xiàn)8通道路間隔離的電流信號采集。NM480支持ProfibusDP協(xié)議, 作為從站與DP主站 (主控制器) 完成數(shù)據(jù)交換。NM480模塊依靠64針歐式連接器從端子模塊經(jīng)機(jī)籠底板輸入8路現(xiàn)場電流信號, 電壓信號經(jīng)過過壓保護(hù)與信號調(diào)理電路進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換電路, 之后將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)光電隔離后送入微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, ***終通過Profibus-DP現(xiàn)場總線將數(shù)據(jù)上傳到主控制器。NM480模塊的微控制器及通訊電路部分由系統(tǒng)輸入的5V電源供電;通道采集電路部分由系統(tǒng)輸入的24V電源經(jīng)8路相互隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換為5V電源供電。

由于熱式質(zhì)量流量計(jì)以標(biāo)準(zhǔn)單位測量氣體流量而無需額外的溫度壓力補(bǔ)償, 同時(shí)可以測量過程氣體溫度, 因此需要在DCS內(nèi)對相關(guān)邏輯進(jìn)行修改, 改造前后的邏輯詳見上圖3和下圖6, 從下圖可以看出改造后的邏輯刪掉了溫度和壓力修正, 現(xiàn)場送過來的4-20m A信號即為測得的標(biāo)準(zhǔn)流量信號。

現(xiàn)場使用熱式質(zhì)量流量計(jì)完成改造后的流量曲線如下圖7所示, 對比原流量計(jì)曲線 (上圖2) , 可發(fā)現(xiàn)曲線變化比較平緩, 整體波動較小, 測量值在8Nm/h上下10%范圍內(nèi)小幅振動, 滿足現(xiàn)場計(jì)量要求。

熱擴(kuò)散原理是一種易安裝、低維護(hù)的氣體流量測量方式, 熱式質(zhì)量流量計(jì)以其重復(fù)性好、靈敏度高、操作簡單等特點(diǎn)在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。核島儀控用氣源管道流量計(jì)在使用熱式質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行成功改造后, 運(yùn)行平穩(wěn), 滿足了現(xiàn)場精度要求和控制要求, 經(jīng)過一年多時(shí)間的觀察, 在測量微小流量氣體情況下無論在精度、安裝、維護(hù)等方面都由于渦輪流量計(jì)。