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核电厂在线流量仪表选型设计
发布时间:2019-10-28

摘要:通过对福清核电厂1,2#机组的在线流量仪表应用情况进行学习和总结,分析核电厂在线流量仪表选型设计的注意事项,给出了核电厂中在线流量仪表选型设计的要点和难点。在现行的核安全法规要求下对于后续新建核电厂在线流量仪表选型设计具有一定的指导意义。
0引言
  流量测量在核电厂监控系统中具有举足轻重的作用。与其它热工检测仪表相比,在线流量测量技术和仪表类型更多样,选型设计更复杂。福清核电厂1,2#机组(主辅系统)使用了421块在线流量计,包含了节流装置(孔板流量计和文丘里)、浮子、容积式、电磁流量计涡街流量计超声波流量计六大类型,涉及多种工况,各种类型所占比例分布如图1所示。本文从在线流量计可测性和可靠性对流量仪表选型设计注意事项进行分析,并辅以实际案例分析。
在线流量计分布图
1核电厂在线流量计可测性
  各类在线流量计的可测性,主要考虑介质参数、适用口径和直管段要求。
1.1介质参数
  介质参数主要包括介质的类型、密度、粘度、允许的压损值以及各种工况下所测介质的温度、压力和流量范围(电磁流量计还需要考虑介质的电导率是否在可测范围之内)。
①单一介质的类型主要是指气体和液体,一般情况,容积式流量计和电磁流量计只用来测量液体;其它流量计对于两种单一介质均可测。
②密度在体积流量测量中至关重要,常温常压下的介质密度是稳定的,是可校准的,密度不稳定的情况主要是指气体,比如蒸汽等,一般需要温压补偿进行流量校正。
③粘度主要是液体介质参数,对于所有与介质直接接触的流量计都有关系,主要是影响测量精度,尤其是对于容积式流量计这种机械接液部件直接测量的流量计影响较大。
④一般情况,流量测量产生压损最大的是容积式流量计,其次是节流式差压流量计,没有压损的是超声波流量计和电磁流量计。
⑤温度和压力也是影响流量计使用的重要指标,节流式差压流量计、电磁流量计对于温压适用性最强;浮子流量计中玻璃管浮子流量计只能用于低温低压工况;容积式流量计对压力不敏感,但是在高温下容易热膨胀变形,温度太低又会导致材质变脆,所以只适用于-30~160℃温度范围;超声波流量计在测量气体的时候要求P≥0.3MPa。
⑥流量范围主要是指最小流速和量程比。一般情况下,流量测量均为满管流,不同流量计能测量的最小流速是有限值的,比如涡街流量计常压条件可测最小流速为0.4m/s,电磁流量计可测最小流速0.1m/s等。量程比是流量计的重要参数,一般情况下,差压变送器的量程比一般为3:1,最大可达10:1;浮子流量计最大可达10:1;容积式、涡街、电磁和超声波的量程比均可到30:1或者40:1。
1.2适用口径
  绝大部分的流量计需要与工艺管道直接连接,对于工艺管道的口径,不同的流量计有不同的适用范围,非特殊情况一般不进行变径处理。一般情况下,节流式差压流量计适用于DN≥50的管径;浮子流量可以用于DN<50的管径,最大不超过DN250;容积式流量计适用于DN15~DN500;涡街流量计适用于DN15~DN400;电磁流量计适用于DN2.5~DN3000;超声波流量计原理上对口径无要求,尤其擅用于大口径流量测量。
1.3直管段要求
  除了浮子流量计和容积式流量计对直管段基本没要求以外,其它流量计对于直管段均有要求,而且前后(上下游)直管段越长越好,如表1所示。

  不同流量计厂家对于直管段的最小长度有不同的要求,在很多工程中,普遍采用的最小直管段长度为前10D后5D。
2核电厂在线流量计可靠性
  在满足可测性之后,需要考虑流量计的可靠性。核电产品首先要考虑满足现行相关核安全法规对设备等级的要求,其次要考虑仪表的精度、响应时间、环境因素和校准维护。
2.1设备等级
  目前国内获得审批的核电项目中,核安全局要求安装在安全级管道的流量仪表保持抗震完整性,即流量仪表的机械部件抗震等级与工艺管道抗震等级保持一致,并对仪表材料和焊接增加了相关要求;对于流量仪表的电气部件,需要根据其执行的功能来确定是1E级或者NC级。
2.2精度
  不同的工况和监控联锁要求对流量计的输出信号有不同的精度要求(考虑线性度、迟滞性与重复性因素在内的参考精度)。常见的在线流量计中,精度最高的是容积式流量计,次之是节流式差压流量计和涡街流量计,再次之是电磁流量计,精度最差的是浮子流量计和超声波流量计。
2.3响应时间
  响应时间(量程中值附近,在10%的阶跃输入变化下,输出上升或下降63.2%需要的时间)在流量计参与联锁控制的时候至关重要。平时说的响应时间主要是指变送器(包括工作和功能类似于变送器的二次仪表)输出电信号的时间,需要灵敏度特别高的联锁控制场合要求响应时间很短,比如ms级,普通的监控显示则对响应时间没有特殊要求,几秒钟甚至几十秒钟都可满足要求。一般来说,节流式差压流量计和电磁流量计的变送单元响应时间普遍可以达到0.5S以内,涡街和容积式还有超声波基本都可以控制在1s内。
2.4环境因素
  环境因素是决定仪表是否可以长期稳定工作的重要因素之一,主要是辐照、振动和水尘。
  辐照对于仪表的长期稳定工作是一个挑战,对于安装布置在辐照区域(指红、橙、黄区)的在线流量计,必须具备抗辐照能力。比如XREA059MD在岭澳二期选用重庆川仪一体式电磁流量计,在方福项目中选用上海光华电磁流量计,因光华所供电磁流量计转换器部分不能满足黄区的抗辐照能力,所以分体安装,把转换器安装布置到绿区房间,福清二期选用E-mag电磁流量计,因其满足黄区的辐照强度,又回归一体式。
  振动对涡街流量计和超声波流量计的工作有较大影响,比如一般压电式涡街流量计可耐受0.2g的振动,电容式涡街流量计可耐受0.5~1g的振动。这几类流量计都不能适用于强振动场所,在弱振动场合,可以采取相关减振措施,但是仍然会对这几类仪表长期稳定工作带来较大影响。
  水尘是任何工况都必须考虑的因素,我们遵照IEC529-1976外壳防护等级,对现场仪表可能出现的环境影响进行分析,进而规定此处的仪表所应具备的防护等级IPXY(X代表防尘能力,Y代表防水能力)。
2.5安装、校准和维护
  仪表安装是仪表选型设计必须要考虑的问题,除了流量计本身安装有简易和繁琐之分,测点所在位置是否方便流量计进行安装也必须要考虑。相对来说节流式差压流量计是安装最繁琐也是最容易发生泄漏的,而法兰式安装的其它一体型流量计安装相对方便,尤其是纯机械计量模式的仪表,在只需就地显示的时候尤其方便。
  所有的流量计都需要定期校准和维护,某些工况不适合频繁对仪表进行校准和维护,比如高辐照区等,需要仪表有较好的重复性和较长寿命。
3核电厂流量计选型设计案例
  本章选取福清核电厂1,2#机组中的设备冷却水系统主泵(001/003PO)入口流量选型设计案例进行分析。
3.1可测性分析
该流量测点的介质参数、管道口径和前后直管段长度如下:
介质类型:除盐水流向:水平
密度:975kg/m3动力粘度:0.378cP温度:75℃
压力:1.2MPa.g
流量范围:2136/2838/3718m3/h(近2m/s~3.65m/s,量程比近2:1)
最大允许压损:13.6KPa
口径:24”直管段:11m(近18D)
对该流量测点的流量计选型进行可测性分析如下:
①介质类型是液体,六大类流量计均满足测量要求;
②除盐水电导率太低,不适合用电磁流量计;
③动力粘度0.378cP情况下最大允许压损13.6KPa,不适合用容积式流量计。国内最好的容积式流量计厂家合肥精大,在动力粘度<30mpa.S(30cP)时,流量计在最大流量下运行时的压损也有几十KPa,最大可达80KPa。
④密度、温度、压力和量程比都在常见流量计可测范围内。
⑤24”的口径,不适合用浮子流量计和涡街流量计。
⑥测点所在管道可提供18D直管段,基本满足前10D后5D的最短直管段要求。
经过可测性分析,可选用的流量计类型有节流式差压流量计和超声波流量计。3.2
可靠性分析
①该流量测点所在工艺管道安全等级为3级,抗震等级为1F,该流量测点需要在KIC进行指示并在流量低于500m3/h时报警,并作为PAMS1信号进BUP显示。根据本文2.1的内容,要求在线流量计机械部件抗震等级为1F,电气部件(二次仪表)为1E级设备,目前只有核级变送器具备1E级电气设备要求,所以排除超声波流量计和插入式流量计,该处只能选用节流式差压流量计。
②该处流量测点所选流量计参考精度要求≤0.5%,功能精度≤2%,节流式差压流量计可以满足要求。
③该处流量测点所选流量计响应时间要求≤0.4s,可以从常见的变送器厂家艾默生、罗斯蒙特和霍尼韦尔中选择合适的型号。
④该测点所在区域是辐射分区中的白区,对变送器外壳和本体没有耐辐照要求,防护等级要求也较低,只有IP55。
综上所述,该处流量测点只适合选用节流式差压流量计,与福清核电厂1,2#机组中该处的实际仪表选型相同。
4结论
  核电厂在线流量仪表的选型设计,要同时保证可测性和可靠性。本文通过对福清核电厂1,2#机组在线流量仪表应用情况进行学习,总结分析了常见在线流量计的选型设计注意事项,对后续核电厂在线流量仪表选型设计具有一定的参考意义。

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