摘要：通過對(duì)福清核電廠1,2#機(jī)組的在線流量?jī)x表應(yīng)用情況進(jìn)行學(xué)習(xí)和總結(jié)，分析核電廠在線流量?jī)x表選型設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)，給出了核電廠中在線流量?jī)x表選型設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和難點(diǎn)。在現(xiàn)行的核安全法規(guī)要求下對(duì)于后續(xù)新建核電廠在線流量?jī)x表選型設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。
0引言
流量測(cè)量在核電廠監(jiān)控系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用。與其它熱工檢測(cè)儀表相比，在線流量測(cè)量技術(shù)和儀表類型更多樣，選型設(shè)計(jì)更復(fù)雜。福清核電廠1,2#機(jī)組（主輔系統(tǒng)）使用了421塊在線流量計(jì)，包含了節(jié)流裝置（孔板流量計(jì)和文丘里）、浮子、容積式、電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)和超聲波流量計(jì)六大類型，涉及多種工況，各種類型所占比例分布如圖1所示。本文從在線流量計(jì)可測(cè)性和可靠性對(duì)流量?jī)x表選型設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)進(jìn)行分析，并輔以實(shí)際案例分析。
1核電廠在線流量計(jì)可測(cè)性
各類在線流量計(jì)的可測(cè)性，主要考慮介質(zhì)參數(shù)、適用口徑和直管段要求。
1.1介質(zhì)參數(shù)
介質(zhì)參數(shù)主要包括介質(zhì)的類型、密度、粘度、允許的壓損值以及各種工況下所測(cè)介質(zhì)的溫度、壓力和流量范圍（電磁流量計(jì)還需要考慮介質(zhì)的電導(dǎo)率是否在可測(cè)范圍之內(nèi)）。
①單一介質(zhì)的類型主要是指氣體和液體，一般情況，容積式流量計(jì)和電磁流量計(jì)只用來測(cè)量液體；其它流量計(jì)對(duì)于兩種單一介質(zhì)均可測(cè)。
②密度在體積流量測(cè)量中至關(guān)重要，常溫常壓下的介質(zhì)密度是穩(wěn)定的，是可校準(zhǔn)的，密度不穩(wěn)定的情況主要是指氣體，比如蒸汽等，一般需要溫壓補(bǔ)償進(jìn)行流量校正。
③粘度主要是液體介質(zhì)參數(shù)，對(duì)于所有與介質(zhì)直接接觸的流量計(jì)都有關(guān)系，主要是影響測(cè)量精度，尤其是對(duì)于容積式流量計(jì)這種機(jī)械接液部件直接測(cè)量的流量計(jì)影響較大。
④一般情況，流量測(cè)量產(chǎn)生壓損最大的是容積式流量計(jì)，其次是節(jié)流式差壓流量計(jì)，沒有壓損的是超聲波流量計(jì)和電磁流量計(jì)。
⑤溫度和壓力也是影響流量計(jì)使用的重要指標(biāo)，節(jié)流式差壓流量計(jì)、電磁流量計(jì)對(duì)于溫壓適用性最強(qiáng)；浮子流量計(jì)中玻璃管浮子流量計(jì)只能用于低溫低壓工況；容積式流量計(jì)對(duì)壓力不敏感，但是在高溫下容易熱膨脹變形，溫度太低又會(huì)導(dǎo)致材質(zhì)變脆，所以只適用于-30~160℃溫度范圍；超聲波流量計(jì)在測(cè)量氣體的時(shí)候要求P≥0.3MPa。
⑥流量范圍主要是指最小流速和量程比。一般情況下，流量測(cè)量均為滿管流，不同流量計(jì)能測(cè)量的最小流速是有限值的，比如渦街流量計(jì)常壓條件可測(cè)最小流速為0.4m/s，電磁流量計(jì)可測(cè)最小流速0.1m/s等。量程比是流量計(jì)的重要參數(shù)，一般情況下，差壓變送器的量程比一般為3：1，最大可達(dá)10：1；浮子流量計(jì)最大可達(dá)10：1；容積式、渦街、電磁和超聲波的量程比均可到30：1或者40：1。
1.2適用口徑
絕大部分的流量計(jì)需要與工藝管道直接連接，對(duì)于工藝管道的口徑，不同的流量計(jì)有不同的適用范圍，非特殊情況一般不進(jìn)行變徑處理。一般情況下，節(jié)流式差壓流量計(jì)適用于DN≥50的管徑；浮子流量計(jì)可以用于DN<50的管徑，最大不超過DN250；容積式流量計(jì)適用于DN15~DN500；渦街流量計(jì)適用于DN15~DN400；電磁流量計(jì)適用于DN2.5~DN3000；超聲波流量計(jì)原理上對(duì)口徑無要求，尤其擅用于大口徑流量測(cè)量。
1.3直管段要求
除了浮子流量計(jì)和容積式流量計(jì)對(duì)直管段基本沒要求以外，其它流量計(jì)對(duì)于直管段均有要求，而且前后（上下游）直管段越長(zhǎng)越好，如表1所示。
不同流量計(jì)廠家對(duì)于直管段的最小長(zhǎng)度有不同的要求，在很多工程中，普遍采用的最小直管段長(zhǎng)度為前10D后5D。
2核電廠在線流量計(jì)可靠性
在滿足可測(cè)性之后，需要考慮流量計(jì)的可靠性。核電產(chǎn)品首先要考慮滿足現(xiàn)行相關(guān)核安全法規(guī)對(duì)設(shè)備等級(jí)的要求，其次要考慮儀表的精度、響應(yīng)時(shí)間、環(huán)境因素和校準(zhǔn)維護(hù)。
2.1設(shè)備等級(jí)
目前國(guó)內(nèi)獲得審批的核電項(xiàng)目中，核安全局要求安裝在安全級(jí)管道的流量?jī)x表保持抗震完整性，即流量?jī)x表的機(jī)械部件抗震等級(jí)與工藝管道抗震等級(jí)保持一致，并對(duì)儀表材料和焊接增加了相關(guān)要求；對(duì)于流量?jī)x表的電氣部件，需要根據(jù)其執(zhí)行的功能來確定是1E級(jí)或者NC級(jí)。
2.2精度
不同的工況和監(jiān)控聯(lián)鎖要求對(duì)流量計(jì)的輸出信號(hào)有不同的精度要求（考慮線性度、遲滯性與重復(fù)性因素在內(nèi)的參考精度）。常見的在線流量計(jì)中，精度最高的是容積式流量計(jì)，次之是節(jié)流式差壓流量計(jì)和渦街流量計(jì)，再次之是電磁流量計(jì)，精度最差的是浮子流量計(jì)和超聲波流量計(jì)。
2.3響應(yīng)時(shí)間
響應(yīng)時(shí)間（量程中值附近，在10%的階躍輸入變化下，輸出上升或下降63.2%需要的時(shí)間）在流量計(jì)參與聯(lián)鎖控制的時(shí)候至關(guān)重要。平時(shí)說的響應(yīng)時(shí)間主要是指變送器（包括工作和功能類似于變送器的二次儀表）輸出電信號(hào)的時(shí)間，需要靈敏度特別高的聯(lián)鎖控制場(chǎng)合要求響應(yīng)時(shí)間很短，比如ms級(jí)，普通的監(jiān)控顯示則對(duì)響應(yīng)時(shí)間沒有特殊要求，幾秒鐘甚至幾十秒鐘都可滿足要求。一般來說，節(jié)流式差壓流量計(jì)和電磁流量計(jì)的變送單元響應(yīng)時(shí)間普遍可以達(dá)到0.5S以內(nèi)，渦街和容積式還有超聲波基本都可以控制在1s內(nèi)。
2.4環(huán)境因素
環(huán)境因素是決定儀表是否可以長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的重要因素之一，主要是輻照、振動(dòng)和水塵。
輻照對(duì)于儀表的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作是一個(gè)挑戰(zhàn)，對(duì)于安裝布置在輻照區(qū)域（指紅、橙、黃區(qū)）的在線流量計(jì)，必須具備抗輻照能力。比如XREA059MD在嶺澳二期選用重慶川儀一體式電磁流量計(jì)，在方福項(xiàng)目中選用上海光華電磁流量計(jì)，因光華所供電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器部分不能滿足黃區(qū)的抗輻照能力，所以分體安裝，把轉(zhuǎn)換器安裝布置到綠區(qū)房間，福清二期選用E-mag電磁流量計(jì)，因其滿足黃區(qū)的輻照強(qiáng)度，又回歸一體式。
振動(dòng)對(duì)渦街流量計(jì)和超聲波流量計(jì)的工作有較大影響，比如一般壓電式渦街流量計(jì)可耐受0.2g的振動(dòng)，電容式渦街流量計(jì)可耐受0.5~1g的振動(dòng)。這幾類流量計(jì)都不能適用于強(qiáng)振動(dòng)場(chǎng)所，在弱振動(dòng)場(chǎng)合，可以采取相關(guān)減振措施，但是仍然會(huì)對(duì)這幾類儀表長(zhǎng)期穩(wěn)定工作帶來較大影響。
水塵是任何工況都必須考慮的因素，我們遵照IEC529-1976外殼防護(hù)等級(jí)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表可能出現(xiàn)的環(huán)境影響進(jìn)行分析，進(jìn)而規(guī)定此處的儀表所應(yīng)具備的防護(hù)等級(jí)IPXY（X代表防塵能力，Y代表防水能力）。
2.5安裝、校準(zhǔn)和維護(hù)
儀表安裝是儀表選型設(shè)計(jì)必須要考慮的問題，除了流量計(jì)本身安裝有簡(jiǎn)易和繁瑣之分，測(cè)點(diǎn)所在位置是否方便流量計(jì)進(jìn)行安裝也必須要考慮。相對(duì)來說節(jié)流式差壓流量計(jì)是安裝最繁瑣也是最容易發(fā)生泄漏的，而法蘭式安裝的其它一體型流量計(jì)安裝相對(duì)方便，尤其是純機(jī)械計(jì)量模式的儀表，在只需就地顯示的時(shí)候尤其方便。
所有的流量計(jì)都需要定期校準(zhǔn)和維護(hù)，某些工況不適合頻繁對(duì)儀表進(jìn)行校準(zhǔn)和維護(hù)，比如高輻照區(qū)等，需要儀表有較好的重復(fù)性和較長(zhǎng)壽命。
3核電廠流量計(jì)選型設(shè)計(jì)案例
本章選取福清核電廠1,2#機(jī)組中的設(shè)備冷卻水系統(tǒng)主泵（001/003PO）入口流量選型設(shè)計(jì)案例進(jìn)行分析。
3.1可測(cè)性分析
該流量測(cè)點(diǎn)的介質(zhì)參數(shù)、管道口徑和前后直管段長(zhǎng)度如下：
介質(zhì)類型：除鹽水流向：水平
密度：975kg/m3動(dòng)力粘度：0.378cP溫度：75℃
壓力：1.2MPa.g
流量范圍：2136/2838/3718m3/h（近2m/s~3.65m/s，量程比近2：1）
最大允許壓損：13.6KPa
口徑：24”直管段：11m（近18D）
對(duì)該流量測(cè)點(diǎn)的流量計(jì)選型進(jìn)行可測(cè)性分析如下：
①介質(zhì)類型是液體，六大類流量計(jì)均滿足測(cè)量要求；
②除鹽水電導(dǎo)率太低，不適合用電磁流量計(jì)；
③動(dòng)力粘度0.378cP情況下最大允許壓損13.6KPa，不適合用容積式流量計(jì)。國(guó)內(nèi)最好的容積式流量計(jì)廠家合肥精大，在動(dòng)力粘度<30mpa.S（30cP）時(shí)，流量計(jì)在最大流量下運(yùn)行時(shí)的壓損也有幾十KPa，最大可達(dá)80KPa。
④密度、溫度、壓力和量程比都在常見流量計(jì)可測(cè)范圍內(nèi)。
⑤24”的口徑，不適合用浮子流量計(jì)和渦街流量計(jì)。
⑥測(cè)點(diǎn)所在管道可提供18D直管段，基本滿足前10D后5D的最短直管段要求。
經(jīng)過可測(cè)性分析，可選用的流量計(jì)類型有節(jié)流式差壓流量計(jì)和超聲波流量計(jì)。3.2
可靠性分析
①該流量測(cè)點(diǎn)所在工藝管道安全等級(jí)為3級(jí)，抗震等級(jí)為1F，該流量測(cè)點(diǎn)需要在KIC進(jìn)行指示并在流量低于500m3/h時(shí)報(bào)警，并作為PAMS1信號(hào)進(jìn)BUP顯示。根據(jù)本文2.1的內(nèi)容，要求在線流量計(jì)機(jī)械部件抗震等級(jí)為1F，電氣部件（二次儀表）為1E級(jí)設(shè)備，目前只有核級(jí)變送器具備1E級(jí)電氣設(shè)備要求，所以排除超聲波流量計(jì)和插入式流量計(jì)，該處只能選用節(jié)流式差壓流量計(jì)。
②該處流量測(cè)點(diǎn)所選流量計(jì)參考精度要求≤0.5%，功能精度≤2%，節(jié)流式差壓流量計(jì)可以滿足要求。
③該處流量測(cè)點(diǎn)所選流量計(jì)響應(yīng)時(shí)間要求≤0.4s，可以從常見的變送器廠家艾默生、羅斯蒙特和霍尼韋爾中選擇合適的型號(hào)。
④該測(cè)點(diǎn)所在區(qū)域是輻射分區(qū)中的白區(qū)，對(duì)變送器外殼和本體沒有耐輻照要求，防護(hù)等級(jí)要求也較低，只有IP55。
綜上所述，該處流量測(cè)點(diǎn)只適合選用節(jié)流式差壓流量計(jì)，與福清核電廠1,2#機(jī)組中該處的實(shí)際儀表選型相同。
4結(jié)論
核電廠在線流量?jī)x表的選型設(shè)計(jì)，要同時(shí)保證可測(cè)性和可靠性。本文通過對(duì)福清核電廠1,2#機(jī)組在線流量?jī)x表應(yīng)用情況進(jìn)行學(xué)習(xí)，總結(jié)分析了常見在線流量計(jì)的選型設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，對(duì)后續(xù)核電廠在線流量?jī)x表選型設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。
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