摘要：差壓式流量測量是電廠流量測量的重要方式，通過流量孔板與差壓變送器配合使用，可直接產(chǎn)生4mADC～20mADC的標(biāo)準(zhǔn)電流信號送控制系統(tǒng)。一直以來，管道差壓式流量計以其簡單、可靠的特性廣泛應(yīng)用于各個系統(tǒng)的管線流量測量，本文結(jié)合秦二廠現(xiàn)場設(shè)備改造過程，深入分析了差壓式流量計在對含氣泡液體流量測量過程中產(chǎn)生波動的具體原因，并提出具有針對性的改進(jìn)措施，有效提升了差壓式流量測量的穩(wěn)定性。
　　秦二廠安全殼噴淋系統(tǒng)（EAS）噴淋流量變送器，通過測得安噴管線上流量孔板兩側(cè)的差壓來實現(xiàn)噴淋流量的測量及遠(yuǎn)傳功能，該變送器為事故后監(jiān)測系統(tǒng)儀表。該變送器為EAS系統(tǒng)直接噴淋流量與循環(huán)噴淋流量的差壓流量測量變送器，現(xiàn)場測得參數(shù)并經(jīng)處理后遠(yuǎn)傳至主控室。
　　在進(jìn)行涉及該流量計的零流量現(xiàn)場試驗時，多次出現(xiàn)停泵后流量數(shù)據(jù)波動的情況，波動幅度超出誤差許可范圍。為保證現(xiàn)場設(shè)備可用，本文從測量結(jié)果波動這一問題著手，深入剖析波動產(chǎn)生的原因，并提出對應(yīng)的解決方案，應(yīng)用至現(xiàn)場后，取得了良好的成效
1故障現(xiàn)象及故障處理
1.1故障現(xiàn)象
　　安噴系統(tǒng)零流量實驗期間，曾多次出現(xiàn)小流量指示波動的情況，曾有過1個月內(nèi)連續(xù)觸發(fā)3次波動的情況發(fā)生，其波動方式為在停泵后出現(xiàn)短時間的波動峰（如圖1所示）。圖1中綠色曲線為流量，藍(lán)色曲線為泵軸承溫度，啟泵期間流量指示正常，而在停泵后（藍(lán)色曲線開始下行，證明已停泵成功）又出現(xiàn)了兩次大的波動值，較大的一次波動值約為正常啟泵期間流量值的1/4，明顯已遠(yuǎn)超誤差許可范圍。
 
1.2故障處理
　　針對這一故障，現(xiàn)場多采用充水排氣方式進(jìn)行處理，對儀表進(jìn)行充水排氣并校準(zhǔn)后，在一段時間內(nèi)儀表的測量穩(wěn)定性會有所提高，然而在進(jìn)行多次試驗后（該管線在機(jī)組運行期間不投運），流量波動的情況又會出現(xiàn)。經(jīng)統(tǒng)計，近3年內(nèi)對單個變送器校驗（含充水排氣）的工作次數(shù)多達(dá)7次。從現(xiàn)場實際效果來看，充水排氣具有見效快、操作容易等優(yōu)點，但屬于一種治標(biāo)不治本的辦法，對于應(yīng)用于事故期間及事故后處理的安全殼噴淋系統(tǒng)來說，每次使用前進(jìn)行人為校驗的行為是不現(xiàn)實的。
2背景介紹
2.1差壓式流量計測量原理
　　差壓式流量測量方式基于伯努利方程和連續(xù)性原理，通過測量液體流經(jīng)節(jié)流元件時產(chǎn)生的壓力變化，從而計算出流體流量[2]。推導(dǎo)為：
　　已知流體密度ρ；流體管道前后截面積A1、A2；截面處流體流速v1、v2；壓強(qiáng)p1、p2。根據(jù)不可壓縮理想流體的伯努利方程：
 
和流體連續(xù)性方程：
 
　　其中，A0為孔板開孔面積，μ為流束收縮系數(shù)（A2=μA0），d為節(jié)流孔直徑，D為管道內(nèi)徑。
　　上述方程均建立在流體不可壓縮及流體動量守恒的基礎(chǔ)之上。事實上，由于流體存在摩擦力和黏性，其動量有所損失，而孔板前后流體由于具備可壓縮性，前后密度并不相同，故引入流量系數(shù)α和膨脹系數(shù)ε（對于不可壓縮流體，其ε為1），并得到孔板前后的實際壓差為Δp=p1-p2，實際密度ρ2=ερ1=ερ，得到可壓縮的實際流體方程：
 
可以看出：流量與差壓的平方根成線性關(guān)系，即q∝√∆p。
　　上述公式作為差壓式流量測量的理論基礎(chǔ)，其結(jié)論決定了差壓式流量計的硬件組成，對于現(xiàn)場應(yīng)用來說，主要的組成元件包含節(jié)流元件、引壓管線及差壓變送器。差壓式流量計可以采用的節(jié)流元件包含標(biāo)準(zhǔn)孔板、節(jié)流擋板、文丘里管等，而在現(xiàn)場使用的設(shè)備中則以標(biāo)準(zhǔn)孔板居多。秦二廠安噴系統(tǒng)現(xiàn)場使用的正是標(biāo)準(zhǔn)孔板型差壓流量計。
2.2現(xiàn)場布置情況
　　秦二廠安全殼噴淋系統(tǒng)（EAS）噴淋流量變送器，通過測得安噴管線上流量孔板兩側(cè)的差壓來實現(xiàn)噴淋流量的測量及遠(yuǎn)傳功能。
　　現(xiàn)場儀表安裝于管道側(cè)方，通過引壓管線自孔板兩側(cè)接入管道，對孔板前后兩側(cè)的差壓值進(jìn)行測量，并送出4mADC～20mADC標(biāo)準(zhǔn)電流信號至控制與監(jiān)測系統(tǒng)，在控制柜系統(tǒng)中通過開方卡件與線性運算卡件處理，即可直接得到流量值。
　　現(xiàn)場采用的差壓式變送器，測量范圍0kPa～60kPa，精度0.25，通過約6m長的引壓管線由孔板引入變送器進(jìn)行測量，如圖2所示。
 
　　對國內(nèi)同類型電廠該儀表的使用情況進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)該問題在大部分同型號電站中均有存在，屬于共性問題，解決方案也多為充水排氣操作。本文所討論的解決方案具備推廣價值。
2.3不穩(wěn)定性原因分析
1）安噴泵作用原理分析
　　該表計用于測量安噴管線內(nèi)流量，安噴管線在機(jī)組正常運行期間無流量，只有在試驗期間，該表計才會起到測量的作用，此時管線內(nèi)液體來源為安全殼噴淋泵泵送的含硼水，安噴泵為葉片式立式筒形泵，泵揚程為131m，最大入口壓力0.385MPa，在試驗過程中，因氫氧化鈉虹吸管線破壞帶入空氣，噴射泵將氫氧化鈉輸送管線中的空氣吸入安噴管線內(nèi)，氣體以氣泡的形式存在于液體管線中，并隨著液體進(jìn)入引壓管線。考慮到對于儀表充水排氣可以短期消除儀表測量不穩(wěn)定問題的情況，不能排除測量不穩(wěn)定的原因為儀表管線中含氣泡。而事實上，為消除儀表管線含氣泡對于儀表測量穩(wěn)定性的影響，引壓管線上安裝有集氣罐，但由于引壓管線長度較長（約6m），集氣罐并不能起到良好的除氣作用。
2）歷史故障記錄分析
　　經(jīng)查詢歷史記錄，除了零流量試驗停泵后該表波動外，也曾出現(xiàn)過機(jī)組正常運行期間該表計出現(xiàn)小流量波動的情況，如圖3所示。從圖3中可以看到，該波動持續(xù)一段較長時間后，經(jīng)約5min的最大量程指示（故障處理工作期間斷開儀表），儀表指示復(fù)原，期間管線內(nèi)不存在液體流動的情況（功率運行期間安噴泵不啟動），查詢歷史工作記錄可以發(fā)現(xiàn)，對該故障采用充水排氣的方法進(jìn)行了處理，這一故障不同于大多數(shù)情況下的零流量試驗停泵后流量波動的產(chǎn)生條件，但其故障表現(xiàn)、故障處理方式及故障處理結(jié)果均有相似之處。
 
3）引壓管線因素分析
　　作為差壓式流量計的測量儀表，差壓式變送器的測量范圍本身較小（0kPa～60kPa），需要較高的測量精度與測量靈敏度，管線內(nèi)氣體擾動、氣體憋壓等情況均會造成力變送器的測量不穩(wěn)定，而在安噴管線中，氣體通過氣泡的形式存在，氣泡流動與匯聚均有可能引發(fā)管線內(nèi)壓力波動。在安噴泵正常工作期間，由于管線內(nèi)流量較大，差壓本身較高，擾動造成的影響較小，而停泵后主管線內(nèi)液體停止流動，引壓管線中的氣體開始移動，這一過程中，氣泡的流動、匯聚與破裂均有可能引發(fā)管線內(nèi)壓力波動，殘留氣體引發(fā)的壓力波動與憋壓情況造成了停泵之后的流量波動情況[1]。
4）信號處理回路分析
　　在流量測量的過程中，信號經(jīng)開方卡件處理，開方卡件具有小信號切除功能，當(dāng)輸入信號小于0.075V時，輸出保持為0。
　　由開方運算關(guān)系式可知，對于輸入信號為0.075～0.999之間的電壓值，經(jīng)開方卡件處理后，其輸出值大于輸入值。換言之，輸入值低于滿量程1/10的信號值經(jīng)由開方卡件運算后，如有輸出，其輸出會大于原輸入值，由于差壓值與變送器輸出電流之間滿足線性輸出關(guān)系，且I-V卡件為線性轉(zhuǎn)換關(guān)系，易知變送器測量差壓值與開方卡件輸入端電壓滿足線性運算關(guān)系，對于波動誤差，開方運算會將其放大，這也是波動較為明顯的原因之一。
　　綜合以上故障情況分析，可以判斷出流量測量不穩(wěn)定性的成因與管道內(nèi)存在氣體有密切關(guān)系。
2.4處理措施
　　綜上分析可知，小流量波動產(chǎn)生的原因為管線內(nèi)氣體產(chǎn)生的壓力擾動，要解決小流量測量不穩(wěn)定的情況，需要消除氣體造成的影響，氣體由虹吸破壞作用帶出，根據(jù)該系統(tǒng)的工作原理可知，無法做到從根源消除管線氣，解決方法主要著手于消除引壓管線內(nèi)的氣體擾動。根據(jù)現(xiàn)場的實際布置，初步的解決方案有3個：
1）在管線上布置氣體消除裝置（集氣罐等）。
2）修改變送器及引壓管線所在位置，消除引壓管線內(nèi)液體無法排空的問題。
3）采用毛細(xì)管差壓變送器，從根本上避免氣體波動。
　　對于1）、2）兩項解決方案，有成本較低、實施簡單的優(yōu)勢，但由于在安噴試驗進(jìn)行的過程中，還是有氣泡隨虹吸破壞進(jìn)入管線，依然不能完全避免氣體影響，且加裝集氣罐會在管線中引入故障點，造成系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，其中集氣罐這一方案已被證明效果不佳，不考慮采用。
　　考慮第3條方案，由連通器原理可知，主管線中的壓力變化對于差壓變送器來說不造成影響，主要的問題集中于引壓管線上，毛細(xì)管變送器通過在封閉毛細(xì)管內(nèi)填充油進(jìn)行引壓，可以避免主管線內(nèi)含氣泡液體進(jìn)入，達(dá)到從根本上消除氣體影響因素的效果。
　　綜上考慮，采用毛細(xì)管型差壓變送器對現(xiàn)場變送器與引壓管線一同更換，對原變送器、引壓管線及集氣罐進(jìn)行拆除，由孔板出口根閥后全部換為毛細(xì)管進(jìn)行引壓。改造后進(jìn)行零流量試驗，啟停泵前后流量指示保持一致，且停泵后未出現(xiàn)小流量波動，改造效果良好。改造前后測量效果對比如圖4所示，其中綠色曲線為改造后效果。
 
3總結(jié)
　　差壓式流量計作為一種廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)場所的流量測量模式，其結(jié)構(gòu)簡單，測量回路易于搭建，對純流體的測量結(jié)果精度也讓人滿意。但其受流體密度與壓強(qiáng)影響較大，特別是對于含氣泡液體來說，由于測量值為孔板差壓，對于單側(cè)波動影響的敏感度較高，通過將測量儀表更換為毛細(xì)管變送器，將單側(cè)管線等效為純液體測量，從根源上避免了氣體擾動，對于含氣泡液體管線小流量測量穩(wěn)定性改進(jìn)有明顯的功效，對于現(xiàn)場其它類似流量計以及國內(nèi)同類型電站均具有廣泛的應(yīng)用與推廣前景。

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