摘要：根據(jù)熱式質(zhì)量流量計(jì)的工作原理,以主泵第三級(jí)密封泄漏流的測(cè)量為例,分析了其在核電廠液體微小流量測(cè)量中的適用性,并與現(xiàn)有的測(cè)量方法進(jìn)行了比較。
流量是核電廠運(yùn)行過程中重要的過程參數(shù)之一,常用的流量測(cè)量?jī)x表有孔板流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、電磁流量計(jì)以及熱式質(zhì)量流量計(jì)等。熱式質(zhì)量流量計(jì)目前多用于工業(yè)中氣體流量的測(cè)量,在核電廠中則普遍應(yīng)用于通風(fēng)系統(tǒng)流量測(cè)量場(chǎng)合。在采用軸封型主泵的核電廠中,主泵第三級(jí)密封泄漏流是典型的微小流量工況�？装辶髁坑�(jì)和超聲波流量計(jì)通常并不適用或不能取得良好的測(cè)量效果，熱式質(zhì)量流量計(jì)自問世以來,已在核電廠通風(fēng)系統(tǒng)中獲得了成功的應(yīng)用,而在液體微小流量測(cè)量方面,熱式質(zhì)量流量計(jì)也具有一定的適用性。
1熱式質(zhì)量流量計(jì)的原理
熱式質(zhì)量流量計(jì)是利用熱傳導(dǎo)原理,即通過流動(dòng)中的流體與熱源之間的熱量交換，來測(cè)量介.質(zhì)流量的儀表,主要可分為兩類:利用流體流動(dòng)傳遞熱量改變測(cè)量管壁溫度分布(即熱傳導(dǎo)分布)效應(yīng)的熱分布式流量計(jì),也稱為量熱式質(zhì)量流量計(jì);利用熱消散效應(yīng)(基于金氏定律)的侵人式質(zhì)量流量計(jì),也稱為導(dǎo)熱式質(zhì)量流量計(jì)或插人式質(zhì)量流量計(jì)。
熱分布式質(zhì)量流量計(jì)的工作原理是在測(cè)量管外壁上、下游各繞兩組加熱/檢測(cè)線圈,兩組線圈通以恒定電流加熱，當(dāng)流體靜止(無流量通過)時(shí),兩組線圈中心上、下游溫度分布處于對(duì)稱平衡狀態(tài),兩組檢測(cè)線圈的電阻相等;當(dāng)有流體流動(dòng)時(shí),流體將，上游管壁熱量帶走傳遞給下游管壁,破壞原平衡狀態(tài),線圈電阻產(chǎn)生差異,檢測(cè)其差值從而求得流體質(zhì)量流量:
式中A----熱傳導(dǎo)系數(shù);
Cp----被測(cè)介質(zhì)的定壓比熱容;
K----常數(shù)。
熱消散效應(yīng)(基于金氏定律)侵人式質(zhì)量流量計(jì)的工作原理是將兩個(gè)溫度傳感器(一般為鉑熱電阻)分別置于管道的流體中，由其中一個(gè)鉑電阻測(cè)得流體本身的溫度T,另一個(gè)鉑電阻經(jīng)一定功率的電加熱,其溫度Tv高于T,當(dāng)流體靜止時(shí)其溫度最高，伴隨著管道中流體流量的增加，流體流動(dòng)帶走更多熱量使Tv降低,即可通過溫度差求取流量值。基于金氏定律的熱絲熱散失率為:
式中cp一流體的定容比熱容;
d一熱絲直徑;
H/L一單位長(zhǎng)度熱散失率;
V一流體的流速;
ρ一流體的密度;
λ一流體的熱導(dǎo)率。
侵人式質(zhì)量流量計(jì)根據(jù)對(duì)鉑熱電阻的加熱方式,又分為恒功率式、恒溫差式和恒比率式。
恒功率式是在加熱電路上用一個(gè)恒定功率的電能對(duì)鉑電阻進(jìn)行加熱，流體介質(zhì)在靜態(tài)時(shí),被加熱的鉑電阻和沒有被加熱的鉑電阻之間溫度差最大,隨著流體介質(zhì)的流動(dòng),被加熱鉑電阻上溫度降低，則兩個(gè)鉑電阻之間的溫差減小。恒功率式熱式質(zhì)量流量計(jì)是通過測(cè)量溫差的變化來獲得流體介質(zhì)流量的變化。
恒溫差式是加熱一支鉑電阻，使其比不加熱的鉑電阻高出一個(gè)恒定的溫度。隨著流體介質(zhì)的流動(dòng),被加熱的鉑電阻由于散熱而導(dǎo)致溫度降低，通過反饋電路反饋到處理器增大加熱器的電流(也可以是電壓)來保持其溫差為恒定值,再通過檢測(cè)變化的電流(或電壓)來獲得流量的變化值。恒比率式是在恒溫差原理的基礎(chǔ)上，通過調(diào).節(jié)施加在加熱端熱電阻.上的加熱電流以保證被加熱的鉑電阻阻值與不加熱的鉑電阻阻值成-恒定比率。同恒溫差式質(zhì)量流量計(jì)一樣,恒比率式質(zhì)量流量計(jì)也是通過檢測(cè)變化的電流來獲得管道中流體的流量值。
2核電廠中微小流量的測(cè)量與熱式質(zhì)量流量計(jì)的應(yīng)用
2.1核電廠中的典型微小流量測(cè)量工況
在使用軸封型反應(yīng)堆冷卻劑泵(主泵)的核電廠中,主泵的第三級(jí)密封泄漏流是一-種典型的微小流量工況。軸封系統(tǒng)是軸封型主泵的關(guān)鍵部件,其長(zhǎng)期可靠運(yùn)行不僅關(guān)系到核電廠的正常運(yùn)行,也直接影響到核電廠的安全。軸封的功能是保證核電廠正常運(yùn)行期間從一回路系統(tǒng)沿主泵泵軸向安全殼空間環(huán)境的反應(yīng)堆冷卻劑泄漏量基本為零,要求其長(zhǎng)期處于高壓差工況，并維持可控泄漏率。軸封一旦失效會(huì)導(dǎo)致核電廠一回路的壓力邊界完整性喪失,其泄漏率如果超過了化容系統(tǒng)的補(bǔ)給能力.則會(huì)導(dǎo)致潛在的小破口失水事故的發(fā)生,影響電廠安全。典型的流體動(dòng)壓型軸封系統(tǒng)通常由3道串聯(lián)機(jī)械密封和1道停車密封組成,通過降壓裝置將一回路系統(tǒng)壓力分配到串聯(lián)的各級(jí)密封上面，從而降低單級(jí)密封承受的壓力,增加主泵軸封長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。通過三級(jí)降壓，主泵第三道密封之后壓力降低至大氣壓�？紤]到若主泵第三級(jí)密封泄漏流流量過大，說明密封可能已磨損或損壞,流量過小,則對(duì)密封面的散熱和潤(rùn)滑不利，而影響軸封壽命。因而在核電廠正常運(yùn)行工況下，主泵第三級(jí)密封泄漏流的流量約為5L./h左右",當(dāng)流量達(dá)到50./h時(shí).則需要產(chǎn)生報(bào)警提醒操作員。
2.2常用的主泵第三級(jí)密封泄漏流量測(cè)量方法
目前在多個(gè)核電廠(例如秦山核電)中,采用容積式流量測(cè)量的方法，即通過液位儀表測(cè)量主泵密封泄漏流量在容器中的變化速率來推算泄漏流量。測(cè)量示意圖如圖1所示。
容積式流量測(cè)量裝置一般由容器(允許流人和流出)和液位開關(guān)組成。當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)，容器內(nèi)的液位隨液體流人和流出速率的變化而變化:
式中
a-容器下泄口的面積;
A一容器的截面積;
f(t)一泄漏流的瞬時(shí)流量;
h(t)--容器內(nèi)液位。
當(dāng)流量增大時(shí)，流人容器的流量大于經(jīng)容器下泄口流出的流量，容器內(nèi)的液位開始.上升。當(dāng)上升至容器內(nèi)的設(shè)定點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)液位開關(guān)動(dòng)作,發(fā)生報(bào)警,表明第三級(jí)泄漏流的流量過大。若將液位測(cè)量?jī)x表由液位開關(guān)改為液位變送器,并配合數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng),則可獲取泄漏流實(shí)時(shí)流量。
2.3熱式質(zhì)量流量計(jì)的適用性
考慮到容積式流量測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,安裝維護(hù)和校準(zhǔn)不方便,有必要在滿足精度和抗震.性能要求的前提下,采用安裝和維護(hù)方便的其他形式流量測(cè)量?jī)x表。熱式質(zhì)量流量計(jì)已在氣體流量測(cè)量領(lǐng)域獲得了成功的應(yīng)用,具有無可動(dòng)部件、壓損小及量程比寬等特點(diǎn),例如在核電廠的通風(fēng)系統(tǒng)中,已成功地替代皮托管成為重要的測(cè)量方式。但在液位流量測(cè)量領(lǐng)域,熱式質(zhì)量流量計(jì)的應(yīng)用仍具有局限性。
由式(2)可知,熱絲的熱散失率與流體的熱導(dǎo)率、比熱容、流速和密度有關(guān)。相對(duì)于通風(fēng)系統(tǒng)中的空氣來說,水是-種具有較大比熱容、較大密度和熱導(dǎo)率的介質(zhì)。在相同的流速下,水帶走的熱量遠(yuǎn)大于空氣,對(duì)于以恒定功率加熱熱端鉑電阻的恒功率型熱式質(zhì)量流量計(jì),為了適應(yīng)水流量的測(cè)量,加熱電路會(huì)采用比較高的加熱功率為熱端鉑電阻進(jìn)行加熱;對(duì)于恒溫差型的熱式質(zhì)量流量計(jì),為了維持兩個(gè)鉑電阻之間恒定的溫差,加熱電路同樣會(huì)處于比較高的加熱功率狀態(tài)下,且加熱功率將隨水流量的增大而增大。因而,無論是恒功率型還是恒溫差型,加熱功率的提高會(huì)對(duì)流量計(jì)的安全性和壽命有很大的影響,也使其應(yīng)用環(huán)境造成一定的局限性。而恒比率式流量計(jì)由于通過調(diào)節(jié)施加在熱端熱電阻上的加熱電流,使熱端熱電阻的阻值與冷端熱電阻的阻值成一恒定比率,因而同恒溫差式流量計(jì)相比,在測(cè)量相同流速流體的情況下,恒比率式流量計(jì)熱端鉑電阻的加熱電流要小于恒溫差式,因而其加熱功率不會(huì)過高而產(chǎn)生儀表安全性和使用壽命方面的不利影響。對(duì)于主泵第三級(jí)密封泄漏流這種微小流量的測(cè)量,相對(duì)于恒功率式和恒溫差式,恒比率式熱式質(zhì)量流量計(jì)具有更好的應(yīng)用價(jià)值，然而對(duì)于較大液體流量的測(cè)量則并不適用。恒比率式流量計(jì)的熱端鉑電阻加熱電流Ih與介質(zhì)質(zhì)量流量m的關(guān)系為:
式中Ap-一流體流經(jīng)管道的截面積;
As一傳感器參與熱交換部分的表面積;
C1、C2一通過校準(zhǔn)確定的常數(shù);
d一熱電阻傳感器直徑;
k一流體熱導(dǎo)率;
Ls一傳感器損耗能量的因數(shù);
n一校準(zhǔn)過程中通過回歸確定的指數(shù);
Pr一流體的普朗特?cái)?shù);
Rc一冷端鉑電阻阻值;
Rco一冷端鉑電阻在0℃時(shí)的阻值;
RH一熱端鉑電阻阻值;
RH0一熱端鉑電阻在0C時(shí)的阻值;,
r一恒比率參數(shù)(自加熱系數(shù)),r=
a一鉑電阻的參數(shù)。
2.3.1基本性能
熱式質(zhì)量流量計(jì)作為一種直接測(cè)量質(zhì)量流量的智能型流量?jī)x表,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、數(shù)字化程度高及安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。熱式質(zhì)量流量計(jì)的.測(cè)量精度一般約為±1%,重復(fù)性為±0.2%;量程比寬可達(dá)100:1,最高可達(dá)1000:1;在-40~60℃的環(huán)境溫度下可正常工作;可耐受3MPa或更高的管道壓力;允許介質(zhì)工作溫度-70~400℃;允許被測(cè)液體的流速為0~4m/s;支持HART協(xié)議。另外，具有壓損小、直管段要求低和允許動(dòng)態(tài)修正的特點(diǎn)，其響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),未采用特殊設(shè)計(jì)時(shí)可達(dá)幾秒。熱式質(zhì)量流量計(jì)具有一體式和分體式兩種.結(jié)構(gòu)，在累積輻照劑量較大區(qū)域，可采用分體式流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，信號(hào)處理部分布置于累積輻照劑量較小區(qū)域。
主泵第三級(jí)密封泄漏流正常工況下在5L/h左右,達(dá)到50L/h時(shí)報(bào)警,不用于過程控制。在電廠正常運(yùn)行工況下，測(cè)點(diǎn)所在區(qū)域的環(huán)境溫度約為50℃以下,工作壓力小于0.6MPa,工作溫度小于100℃，要求測(cè)量范圍的量程比約為30:1,屬于非1E級(jí)測(cè)點(diǎn)。因此,就測(cè)量要求而言，熱式質(zhì)量流量計(jì)適用于主泵第三級(jí)密封泄漏流量的測(cè)量。
2.3.2抗震性能
由于主泵第三級(jí)密封泄漏流測(cè)點(diǎn)位于安全殼內(nèi),周圍存在1E級(jí)儀表和核級(jí)管道,盡管測(cè)點(diǎn)本身不需要在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件工況下執(zhí)行功能,但不應(yīng)對(duì)其他需要執(zhí)行功能的設(shè)備或儀表造成損害，因而用于該測(cè)點(diǎn)的儀表應(yīng)滿足抗震要求，在SSE地震載荷下,滿足結(jié)構(gòu)完整性的要求,避免放射性物質(zhì)經(jīng)儀表破口向環(huán)境釋放以及對(duì)周圍1E級(jí)儀表和核級(jí)設(shè)備產(chǎn)生潛在危害。
熱式質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,除進(jìn)行抗震試驗(yàn)外,抗震分析亦可用于分析其抗震性能。在抗震分析中,需要重點(diǎn)對(duì)薄弱部位進(jìn)行應(yīng)力分析,通常包括傳感器與管道相交的節(jié)點(diǎn)處、螺紋連接處及法蘭連接處等位置。
對(duì)某一型號(hào)熱式質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行抗震分析,取三向峰值加速度為6g。通過應(yīng)力分析表明,流量計(jì)的第一-階自振頻率大于33Hz,在地震載荷作用下,薄弱部位的計(jì)算應(yīng)力值均小于規(guī)定的應(yīng)力限值,從而認(rèn)為其在SSE地震載荷下,結(jié)構(gòu)完整性可以得到保證。
2.3.3耐輻照性能
因主泵第三級(jí)密封泄漏流測(cè)點(diǎn)位于安全殼內(nèi),在電廠正常運(yùn)行工況下,探頭所處的環(huán)境具有一定的電離輻射存在。因而,用于該測(cè)點(diǎn)的儀表應(yīng)能經(jīng)受--定的累積輻照劑量而測(cè)量結(jié)果仍在要求的測(cè)量精度范圍內(nèi)。目前,對(duì)于儀表的耐輻照性能，主要采用試驗(yàn)法進(jìn)行驗(yàn)證。
對(duì)某一型號(hào)分體式熱式質(zhì)量流量計(jì)探頭進(jìn)行耐輻照試驗(yàn),輻射源采用鈷-60,試驗(yàn)時(shí)間持續(xù)40h以上，累積輻照劑量約2x104Gy,輻照后進(jìn)行功能試驗(yàn),流量計(jì)的輸出維持在測(cè)量精度范圍內(nèi)，表明該型流量計(jì)可以經(jīng)受若干年的累積輻照劑量而不損壞。
2.3.4安裝
為便于安裝和維護(hù)，流量計(jì)可采用法蘭-法蘭連接的形式。在一般情況下,為了滿足測(cè)量精度,熱式質(zhì)量流量計(jì)對(duì)于前后直管段的要求較高,部分型號(hào)的流量計(jì)要求的直管段長(zhǎng)度可達(dá)到前15D、后5D以上。但由于流量計(jì)允許動(dòng)態(tài)修正，經(jīng)過標(biāo)定和修正后,可降低熱式質(zhì)量流量計(jì)的前后直管段要求。對(duì)于主泵第三級(jí)密封泄漏流的測(cè)量，熱式質(zhì)量流量計(jì)可滿足安裝和維護(hù)要求。
2.4水流量測(cè)量試驗(yàn)驗(yàn)證
熱式質(zhì)量流量計(jì)在出廠前均經(jīng)過出廠標(biāo)定，以確保其性能滿足要求。此外,為了驗(yàn)證流量計(jì)在主泵第三級(jí)密封泄漏流量測(cè)量場(chǎng)合的適用性，搭建了模擬試驗(yàn)裝置如圖2所示。試驗(yàn)裝置由玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、壓力表、Swagelok計(jì)量閥和管道組成。流量計(jì)探頭安裝在壓力表和閥門之間,測(cè)量信號(hào)通過電纜送至流量計(jì)的數(shù)據(jù)處理單元,并最終在顯示儀上進(jìn)行顯示。計(jì)量閥用于調(diào)節(jié)試驗(yàn)裝置的流量,玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)得的結(jié)果作為熱式質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量結(jié)果的參考,壓力表用于試驗(yàn)裝置試驗(yàn)過程壓力的測(cè)量。
由于主泵第三級(jí)密封泄漏流的流量在正常運(yùn)行工況下約為5L/h左右，當(dāng)達(dá)到50L/h時(shí)需要發(fā)出報(bào)警。因此，試驗(yàn)點(diǎn)可適當(dāng)取為5L/h以下、5L/h、5~50L/h和50L/h以上。通過調(diào)節(jié)計(jì)量閥達(dá)到各選取試驗(yàn)點(diǎn)的流量,將熱式質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果與玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示,熱式質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)果與玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的結(jié)果是相符的。
2.5布置設(shè)計(jì)
采用熱式質(zhì)量流量計(jì)替代容積式流量測(cè)量裝置測(cè)量主泵第三級(jí)密封泄漏流量,對(duì)于簡(jiǎn)化泄漏流管道布置和儀表安裝具有一定的積極作用。然而為了確保流量計(jì)正常工作,以及安裝和維護(hù)方便,流量計(jì)的布置也需要采取一些措施。一般泄漏流管道的通徑采用DN25mm,由于泄漏流量小，在電廠運(yùn)行過程中,可能出現(xiàn)泄漏流管道內(nèi)介質(zhì)不滿管的情況，這一情況對(duì)于流量計(jì)的測(cè)量是不利的。為了滿足流量計(jì)測(cè)量條件，采取如下措施:熱式質(zhì)量流量計(jì)自帶管道采用通徑較小的管道,如DN8mm,與泄漏流管道通過異徑接頭進(jìn)行連接;在流量計(jì)F游適當(dāng)位置設(shè)置一段向上的坡度后再向下接至下泄管道,替代直接向下接至下泄管道的做法。通過上述措施,避免泄漏流管道內(nèi)出現(xiàn)介質(zhì)不滿管的情況。另外，流量計(jì)與管道采用法蘭安裝,以簡(jiǎn)化安裝和維護(hù)。
3結(jié)束語
盡管熱式質(zhì)量流量計(jì)的響應(yīng)時(shí)間較慢,但對(duì)于核電廠中對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求不高的液體微小流量測(cè)量場(chǎng)合,它提供了另外一種選擇。除熱擴(kuò)散式質(zhì)量流量計(jì)外,近些年出現(xiàn)了基于珀?duì)柼?yīng)的制冷型熱式質(zhì)量流量計(jì),對(duì)于液體流量的測(cè)量,也表現(xiàn)出一定的適用性。新型儀表的出現(xiàn)，為過程測(cè)量提供了新的方法,但其實(shí)際應(yīng)用需基于充分地分析和驗(yàn)證。
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