摘要：針對(duì)用于核電廠核取樣系統(tǒng)流量測(cè)量的渦輪流量計(jì)在運(yùn)行過程中故障頻發(fā)的問題，進(jìn)行了流量計(jì)換型改造，以電磁流量計(jì)替代渦輪流量計(jì)進(jìn)行核取樣介質(zhì)流量測(cè)量。首先，對(duì)電磁流量計(jì)測(cè)量原理和基本組成進(jìn)行了闡述，介紹了在換型改造期間集成控制柜中電磁流量計(jì)流量顯示異常的現(xiàn)狀，并采用示波器對(duì)電磁流量計(jì)勵(lì)磁信號(hào)和電極信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試分析，確定了勵(lì)磁正常但電極信號(hào)受到較大干擾的問題。然后，對(duì)電極信號(hào)干擾源作了較為全面的排查分析及逐一驗(yàn)證，進(jìn)而提出集成控制柜的整體改造方案，并對(duì)改造后的集成控制柜進(jìn)行了低電導(dǎo)率介質(zhì)情況下的流量測(cè)量精度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量要求。改造后的集成控制柜已在核電廠機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，改造效果較好，可為相關(guān)行業(yè)類似控制柜的設(shè)計(jì)提供參考。
0引言
核能發(fā)電作為一種新型發(fā)電方式,近年來得到廣泛應(yīng)用[1-2]同時(shí),核電由于其特殊性、危險(xiǎn)性,對(duì)核電設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行、高效監(jiān)測(cè)提出了更高要求核電站核取樣系統(tǒng)原采用渦輪流量計(jì)對(duì)核取樣介質(zhì)進(jìn)行流量測(cè)量,其1、2、3、4號(hào)機(jī)組運(yùn)行的系統(tǒng)相關(guān)流量計(jì)出現(xiàn)故障的頻率較高5]核電站進(jìn)行了流量計(jì)換型改造,采用電磁流量計(jì)替代渦輪流量計(jì),測(cè)量核取樣介質(zhì)流量。本文主要針對(duì)換型改造過程中出現(xiàn)的流量計(jì)流量顯示異常、電極信號(hào)擾動(dòng)較大等問題,通過原理分析和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，對(duì)可能造成該問題的因素進(jìn)行逐一排查,進(jìn)而提出改進(jìn)措施,并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。
1電磁流量計(jì)工作原理
電磁流量計(jì)的工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律,即:導(dǎo)電性液體在垂直于磁場(chǎng)的測(cè)量管內(nèi)流動(dòng),在與液體流動(dòng)方向、磁場(chǎng)方向均垂直的方向上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[6-7]0感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向按電磁學(xué)中的右手定則確定[8],其大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度、流束和流速的大小成比例。流束的大小即測(cè)量管的內(nèi)直徑。電磁流量計(jì)測(cè)量原理如圖1所示。
感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算參見式（１）。
式中:E為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),V;K為常數(shù),無量綱;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,又可稱為磁通密度,T;D為測(cè)量管的內(nèi)直徑,m;?為測(cè)量管截面內(nèi)的平均流速,m/s。
由式(1)可知,一旦B和D確定,E就只與?有關(guān)，與流體的其他物理參數(shù)(如壓力、黏度等)均無關(guān)。
電磁流量計(jì)的測(cè)量介質(zhì)一般為電導(dǎo)率≥5μS/cm的導(dǎo)電液體。電導(dǎo)率雖不參與電磁流量計(jì)的流量計(jì)算,但因電磁流量計(jì)工作原理為導(dǎo)電流體切割磁感線.得到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)而換算出流量。流體電導(dǎo)率的高低對(duì)采集的信號(hào)強(qiáng)度有直接影響。在介質(zhì)電導(dǎo)率接近電磁流量計(jì)工作最低電導(dǎo)率要求時(shí)，流量計(jì)主板采樣得到的信號(hào)數(shù)據(jù)較弱。而當(dāng)電導(dǎo)率低于其工作特性時(shí)，可能無法測(cè)出準(zhǔn)確數(shù)據(jù);加上信號(hào)干擾等問題,信噪比差,可能導(dǎo)致流量數(shù)據(jù)波動(dòng)較大,甚至不可用。
電磁流量計(jì)主要由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成，傳感器安裝在工業(yè)過程管道.上,其作用是將通過管道內(nèi)的導(dǎo)電液體體積流量值線性變換成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào),并通過信號(hào)導(dǎo)線將此信號(hào)傳輸?shù)睫D(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器安裝在傳感器.上或離傳感器不太遠(yuǎn)的地方,將傳感器.傳輸過來的流量信號(hào)進(jìn)行放大、運(yùn)算和處理，轉(zhuǎn)換成與流量信號(hào)成正比的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出,從而進(jìn)行顯示、累積.和調(diào)節(jié)控制。
2現(xiàn)狀與問題
2.1改造前的集成控制柜
二次儀表采用盤裝結(jié)構(gòu)。多臺(tái)二次儀表安裝在集成控制柜中。每臺(tái)二次儀表獨(dú)立顯示和操作,所有二次儀表均與流量記錄儀連接,其流量信息全部存儲(chǔ)于記錄儀上。二次儀表所需供電電源開關(guān)、流量顯示、信號(hào)輸出均在集成柜面板上。
一次傳感器和轉(zhuǎn)換器之間采用電纜連接。電纜采用核級(jí)雙屏蔽電纜,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
電纜和一次傳感器之間采用接插件連接。電纜上的接插件插針如圖3所示，。
電纜線頭與接插件的插針焊接對(duì)應(yīng)表如表1所示。
電纜上連接二次儀表控制柜的一端，剝出線頭,接入控制柜的相應(yīng)位置。二次儀表集成控制柜接線如圖4所示。
2.2問題描述
Y1/9系統(tǒng)改造的電磁流量計(jì)已完成現(xiàn)場(chǎng)安裝,并上電調(diào)試。此時(shí)的流量計(jì)管線中:只有信號(hào)Y1020MD(以下簡(jiǎn)稱020MD)流量計(jì)管道充滿介質(zhì),可調(diào)試;其余流量計(jì)不具備調(diào)試條件。其中,007MD/020MD直接.影響硼表可用性
在硼表標(biāo)定前,020MD所在管線已充滿電導(dǎo)率約為8.0μS/cm的硼酸液,且管道內(nèi)流量穩(wěn)定;但發(fā)現(xiàn)流量顯示異常,擾動(dòng)過大,無法正確測(cè)量。020MD運(yùn)行曲線如圖5所示。
接入示波器觀察勵(lì)磁信號(hào)和電極反饋信號(hào),發(fā)現(xiàn)020MD勵(lì)磁波形穩(wěn)定,但采集的電極信號(hào)有較大干擾,被高頻信號(hào)淹沒。電極信號(hào)曲線如圖6所示。
3故障原因分析
對(duì)已發(fā)現(xiàn)的電極信號(hào)擾動(dòng)較大問題進(jìn)行干擾源排查驗(yàn)證。首先,對(duì)各接線回路、電磁流量計(jì)傳感器及主板進(jìn)行了故障排查,發(fā)現(xiàn)接線均按設(shè)計(jì)圖紙正確接線、傳感器阻值及絕緣測(cè)試正常、更換主板后流量顯示異常情況仍未改善。
查看電纜線束接線,發(fā)現(xiàn)采用了勵(lì)磁線圈的屏蔽層作為信號(hào)地線,而勵(lì)磁為25Hz的交流信號(hào),對(duì)流量信號(hào)的采集有干擾。
查看控制柜發(fā)現(xiàn),一次傳感器與主板間的電極反饋信號(hào)線經(jīng)過了一次端子排的中轉(zhuǎn),且020MD電極反饋信號(hào)接線在線槽內(nèi)露出屏蔽層10cm左右。此處的屏蔽不夠,信號(hào)受到干擾，導(dǎo)致流量顯示異常波動(dòng)。另外，控制柜內(nèi)主板之間沒有任何的保護(hù)和隔離,需驗(yàn)證主板間是否存在干擾,以致流量測(cè)量異常。
3.1信號(hào)地線排查
改造前的電纜線束接線如圖7所示。采用勵(lì)磁線圈的屏蔽層作為信號(hào)地線的信號(hào)地線可能設(shè)計(jì)不當(dāng)，因此需要重新鋪設(shè)信號(hào)地電纜。
因NA298房間劑量率高,16臺(tái)MD都要從就地傳感器側(cè)重新鋪設(shè)信號(hào)地線較為困難，且現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)時(shí)沒有足夠長(zhǎng)地線。為了繼續(xù)驗(yàn)證，臨時(shí)將主板信號(hào)地接到系統(tǒng)地(即傳感器外殼)。將所有流量計(jì)主板的信號(hào)地均接到系統(tǒng)地銅牌后，觀察020MD流量顯示情況。可以觀察到:020MD單臺(tái)運(yùn)行平穩(wěn),其運(yùn)行曲線如圖8所示。但整柜流量計(jì)上電運(yùn)行時(shí),020MD流量仍有較小波動(dòng),其運(yùn)行曲線如圖9所示
圖8、圖9驗(yàn)證了此種信號(hào)地設(shè)計(jì)方式是020MD流量異常的影響因素之一,需改進(jìn)。
3.2端子排處接線干擾的排查
控制柜內(nèi)020MD電極反饋信號(hào)在線槽內(nèi)露出屏蔽層10cm左右，作剪短處理后,屏蔽層覆蓋到接線端子排處。管線中充滿電導(dǎo)率約為8.0μS/cm的硼溶液時(shí),整柜.上電時(shí)020MD流量測(cè)量較穩(wěn)定,運(yùn)行曲線如圖10所示。由圖10驗(yàn)證了此處的信號(hào)線屏蔽不足也是流量不穩(wěn)的影響因素之一。
由前述可知，流體電導(dǎo)率的高低對(duì)采集的信號(hào)強(qiáng)度有直接影響。當(dāng)電導(dǎo)率低時(shí)，電極反饋的信號(hào)較弱受到干擾的影響越明顯,低電導(dǎo)率的流量測(cè)量對(duì)信號(hào)采集的要求更高。壽期末的測(cè)量介質(zhì)電導(dǎo)率約為4.0μS/cm。對(duì)此，將電導(dǎo)率降至4.0μS/cm,運(yùn)行一段時(shí)間后,觀測(cè)到020MD單臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定,運(yùn)行曲線如圖11所示。
但當(dāng)各臺(tái)流量計(jì)依次上電至整柜運(yùn)行時(shí),020MD的流量測(cè)量受到影響，，運(yùn)行曲線如圖12所示
同時(shí),為驗(yàn)證主板間是否存在較大干擾,在整柜上電020MD出現(xiàn)大幅擾動(dòng)期間，對(duì)020MD機(jī)柜內(nèi)卡件兩側(cè)增加金屬板隔離主板間干擾,觀察流量擾動(dòng)情況并無改善,從而判定主板間干擾較小。但從保護(hù)主板和減小干擾角度考慮，后期需定制封裝的機(jī)籠隔離主板。
由圖12可知，各臺(tái)流量計(jì)依次斷電至020MD單臺(tái)運(yùn)行時(shí),020MD流量顯示穩(wěn)定。
判定在測(cè)量介質(zhì)電導(dǎo)率較小(如4.0μS/cm)時(shí)，僅對(duì)接線作屏蔽處理還不夠,或造成屏蔽不足。于是依次對(duì)各流量計(jì)停送電,排查出021MD/022MD的停送電對(duì)020MD運(yùn)行影響最大。但021MD/022MD上電運(yùn)行時(shí),控制柜中021/022MD主板均離020MD主板.較遠(yuǎn),主板空間干擾弱;而傳感器進(jìn)線側(cè)端子排相鄰，因端子排側(cè)勵(lì)磁線圈存在幾十伏交流電壓,每個(gè)流量計(jì)存在一組勵(lì)磁線圈且無屏蔽,對(duì)相鄰電極信號(hào)干擾可能性更大。因此,還需排查端子排處干擾源。
前期工作:①對(duì)端子排側(cè)流量計(jì)的勵(lì)磁線套金屬屏蔽層,并接地;②對(duì)端子排側(cè)流量計(jì)的每組電極反饋.信號(hào)線套金屬屏蔽層并接地;③再次確認(rèn)傳感器側(cè)新鋪設(shè)的信號(hào)地及主板側(cè)接地接觸良好、接線無誤。
在電導(dǎo)率4.0μS/cm條件下,對(duì)整柜流量計(jì)進(jìn)行上電試驗(yàn)。觀察0.5h,020MD流量未出現(xiàn)擾動(dòng),但有上漲至136L/h趨勢(shì),未平穩(wěn),說明干擾仍沒有消失。其原因可能是后設(shè)的屏蔽沒有電纜原有的屏蔽效果好。對(duì)此,將020MD信號(hào)線及勵(lì)磁線從端子排處抽.出，單獨(dú)引線至主板且做好屏蔽,不再經(jīng)過端子排。整柜流量計(jì)重新上電,持續(xù)觀察1h,020MD流量計(jì)穩(wěn)定在130~134L/h,沒有出現(xiàn)大幅擾動(dòng)情況。端子排處.理后的整柜上電020MD運(yùn)行曲線如圖13所示。
由圖13可知,--次傳感器至主板之間的端子排中轉(zhuǎn)接線方式屏蔽不足,干擾較大，對(duì)020MD低電導(dǎo)率.流量測(cè)量有較大影響,需作重點(diǎn)改進(jìn)。
4集成控制柜改造及驗(yàn)證
Y1/9系統(tǒng)流量計(jì)主板集成在同一控制箱內(nèi)，020MD測(cè)量異常。分析排查結(jié)果為:①傳感器排查無故障;②主板無故障;③信號(hào)回路接線無誤,但屏蔽不.全面;④信號(hào)回路的信號(hào)地廠家設(shè)計(jì)不當(dāng);⑤主板間干擾用自制金屬板隔離后效果不明顯,需采用機(jī)籠進(jìn)行專門封裝;⑥線槽空間局促,動(dòng)力和信號(hào)電纜未分開，因信號(hào)電纜有屏蔽,干擾不明顯;⑦勵(lì)磁線干擾為主因;⑧低電導(dǎo)率工況下電極信號(hào)弱疊加信號(hào)干擾因素，導(dǎo)致流量測(cè)量不穩(wěn)定。
4.1主要原因
①控制柜內(nèi)流量計(jì)勵(lì)磁線與電極信號(hào)線無屏蔽,存在勵(lì)磁干擾。
②流量計(jì)信號(hào)地采用勵(lì)磁線圈屏蔽線的設(shè)計(jì)不當(dāng)。
4.2次要原因
①動(dòng)力電纜與信號(hào)電纜未完全分開。
②控制柜內(nèi)部信號(hào)線屏蔽層未完全覆蓋接線處，露出部分過長(zhǎng)。
③主板間干擾。
4.3改造措施
①取消604AR控制柜內(nèi)一次儀表到信號(hào)處理板件之間的信號(hào)端子排,改為直接使用整根電纜從一次儀表接到信號(hào)處理的板件上。
②取消勵(lì)磁線圈的屏蔽層作為信號(hào)地線。選取電極信號(hào)中的白線并接作為信號(hào)地線;原勵(lì)磁屏蔽層需接地。
③信號(hào)線的屏蔽層剝開部分的長(zhǎng)度不能超過5cm。
④在信號(hào)處理板件之間加裝金屬屏蔽罩。屏蔽罩需接地、可單獨(dú)抽出并預(yù)留測(cè)試端子和散熱孔。為保證增加金屬屏蔽罩之后散熱良好,對(duì)機(jī)柜增加一進(jìn)一出兩個(gè)散熱風(fēng)扇,并布置在合理位置。需要注意的是，其220V供電電纜不能與信號(hào)電纜布置在一起。風(fēng)扇采用拔插式電源，與記錄儀一.路并接供電,中間設(shè)置風(fēng)扇熔斷器。
⑤將220V以上的供電電纜和信號(hào)電纜分開布置,柜內(nèi)220V采用帶屏蔽層的電纜,屏蔽接到機(jī)柜接地排。
4.4試驗(yàn)驗(yàn)證
改造集成控制柜后,采用低電導(dǎo)率標(biāo)定裝置對(duì)低電導(dǎo)率情況下的電磁流量計(jì)測(cè)量正確率進(jìn)行了驗(yàn)證。測(cè)量介質(zhì)為純凈水(電導(dǎo)率為2μS/cm)和自來水配制的電導(dǎo)率分別3.5μS/cm、5μS/cm、7μS/cm的三種混合液,混合液電導(dǎo)率由檢驗(yàn)合格的電導(dǎo)率儀測(cè)得。經(jīng)檢測(cè),三種電導(dǎo)率情況下的電磁流量計(jì)測(cè)量精度均滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量要求。
改造后的集成控制柜已在核電站2、5、6號(hào)機(jī)組進(jìn)行了運(yùn)行驗(yàn)證。其中,在5號(hào)機(jī)組已穩(wěn)定運(yùn)行一年多,沒有出現(xiàn)異常狀況。
5結(jié)論.
本文針對(duì)用于核電廠核取樣介質(zhì)流量測(cè)量換型改造的電磁流量計(jì)流量顯示異常問題,從電磁流量計(jì)原理出發(fā),測(cè)試勵(lì)磁信號(hào)及電極反饋信號(hào)。由于觀測(cè)到電極信號(hào)受到較大干擾,在確認(rèn)各接線回路、電磁流量計(jì)傳感器及主板均無問題的前提下,對(duì)電極信號(hào)的干擾源進(jìn)行了逐一排查驗(yàn)證,并采取相對(duì)應(yīng)措施對(duì)干擾源進(jìn)行消除,最終對(duì)安裝電磁流量計(jì)二次儀表的集成.控制柜作整體改造。經(jīng)測(cè)試,改造后的控制柜現(xiàn)場(chǎng)運(yùn).行穩(wěn)定,無異常
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