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          基于超声波流量计的HFETR二次水流量测量系统

          来源: 中国核动力研究设计院,成都 作者:徐 兵,杨先军,蒋 波,王 雷,江易蔚,徐 宇,韩良文 发布日期:2020-07-04

                 摘 要 :高通量工程试验堆反应堆二次水回路流量测量在设计时采用孔板流量计进行测量,后期为响应国家节能环保要求,在保证系统运行安全的前提下,改为仅启动一台二次水主泵对运行期间二次侧冷却水管道进行供水。一台主泵供水导致二次水回路管道不满管,受测量原理限制,孔板流量计测量数据无法再准确反映出二次水管道内流量是否断流,给反应堆运行带来安全隐患。因此,在原管道上加装超声波流量测量系统。经测试,超声波流量计在不满管状态下依然能够测到稳定的二次水回路流量,表明基于超声波流量计的 HFETR 测量系统达到系统设计目的。

           
          0 引言
                  高通量工程试验堆(简称 HFETR)流体流量连续监测,对于反应堆安全运行具有重要的意义。原二次水总管入口流量测量系统采用差压法测量二次水流量,由孔板、差压变送器、配电器和数字显示表构成。为响应国家节能环保要求,在保证系统运行安全的前提下,改为仅启动一台二次水主泵对运行期间二次侧冷却水管道进行供水。由于一台主泵无法实现管内液体满管,管道上部存有少量空气,受孔板流量计测量原理限制,需要频繁地进行排气操作,严重影响正常测量,给反应堆运行带来安全风险。本系统采用超声波流量计测量代替原有的孔板流量计,实现二次水流量较准确的监测,提高测量的稳定性和可靠性。
           
          1 测量原理对比
                  流量传感器是将流量信号转化为差压信号或频率信号的仪表。工业上常用的流量测量仪表种类很多,按照其测量原理来分类,可分为 :差压式流量计和速度流量计等。差压式流量计是利用管内流体通过节流元件时,其流量与节流件内的压差之间的关系来确定管道内流量[1];速度式流速测量仪表是利用管内流体的流速和流量成比例关系[2] 。
           
           
          1.1 孔板流量计
                  一体化孔板流量计是将标准孔板与多参数差压变送器配套组成的高量程比差压流量装置。在管道中安装一个孔板,流体流过孔板时速度增加,压强减小,孔板两侧的静压头之差正好是管中动压头之差,再通过差压变送器将孔板前后的压差信号在变送器内部转化为电流或电压信号,输出与流量成线性函数关系的直流信号。
          孔板流量计测量原理
                  孔板流量计的测量是建立在以孔板稳定流动的基础上,当管内流体不满管时,管道中由于气体的流速和压力发生突然变化,造成脉动流,它能引起差压的波动。测量点有脉动现象时,稳定原理不存在,直接导致差压变送器输出在零和满量程之间波动,影响到孔板流量计正常测量。
           
          1.2 超声波流量计
                  超声波流量计是实现声、电转换的装置,超声波流量计可以发射超声波和接收超声波回波,并转换成相应的电信号。在流体中,超声波束在液体中传播时,液体的流动将使传播的时间产生微小的变化,并且其传播时间的变化正比于液体的流速,其关系符合下列表达式 :
          20200704155220.jpg
                  式(1)中 :θ 为声束与液体流动方向的夹角 ;M 为声束在液体的直线传播次数 ;D 为管道内径 ;T up 为声束在正方向上的传播时间 ;T down 为声束在逆方向上的传播时间。
          20200704155237.jpg
                  超声波向上下游传播速度由于迭加了流体流速而不同,在相距 L 的两处分别放置两组超声波发生器和接收器(T1,R1)和(T2,R2),两台超声波发生器相向发送超声波信号,通过测量超声波发送器上、下游等距离处接受到的超声波信号的时间差 ΔT、相位差或频率差来测量流速[3] 。
           
                  根据液体流速,结合管道横截面面积可计算出流体的流量,当管道不满管时,流过管道的液体截面积与管道截面积不相等,影响到流量测量准确性。
           
                  由于二次水管道运行期间管道上部存在有少量空气,孔板流量计数据波动较大,虽然超声波流量计同样存在测量不准确等问题,但是数据较为稳定,能够通过超声波流量计数据为二次水流量是否断流提供较为准确的判断依据。并且超声波传感器采用外夹式安装,能够在不损坏管道的前提下完成安装,因此非常终确定采用超声波流量计代替孔板流量计实现对二次水流量的测量。
           
          2 系统构成
          2.1 系统结构
                  基于超声波流量计的二次水流量测量系统包括超声波探头、流量计主机、信号隔离器和记录仪。
           
                  本系统采用速度式流量测量仪表,利用管内流体的流速和流量成一定的比例关系。超声波流量计探头测量上、下游等距离处接收到的超声波信号的时间差 ∆T,并将此信号输入到流量计主机,流量计主机对超声波时间差 ∆T进行运算,并转换成速度之差,进而测得流体流速。根据管内流体的流速和流量成一定的比例关系的原理计算出流体流量,流体流量显示在流量计主机显示面板上,同时输出 4mA DC ~ 20mA DC 远传流量信号,通过屏蔽电缆从超声波流量计主机传输至信号隔离器,经 I/V 转换成 1VDC ~ 5V DC 送至数显记录仪显示流量值。超声波二次水流量测量系统构成如图 2 所示。
          超声波二次水流量测量系统
          2.2 系统安装
                  根据超声波流量计测量原理,需要在同一管道相邻安装两个超声波流量计[4] 。超声波流量计探头采用外夹式安装方式安装在“协作桥”附近的 HFETR 二次水入口母管管道上,在操作平台上部的母管管道侧面选取两个安装位置,分别安装两个探头,两个探头中心线与管道中轴线水平平行,两个探头间距 0.8m,与管道接触面位置添加声耦合剂。
           
                  用夹具和不锈钢带将探头压紧固定在管道上,探头安装完毕后恢复管道防腐。超声波流量计主机安装在附近柴油机房值班室墙壁上。
           
                  信号隔离器用导轨安装在 HFETR 主控室仪表屏后,将超声波流量计远传信号电缆接入信号隔离器输入端,输出端连接记录仪,用于显示和记录二次水流量数据。系统安装布置如图 3 所示。
          超声波二次水流量测量系统布置
          3 系统测试
                  基于超声波流量计的 HFETR 二次水流量测量系统测试过程分为静态测试和动态测试,静态测试用于测试后端系统转化精度,动态测试用于测试系统整体测量稳定性。
           
          3.1 静态测试
                  静态测试通过将超声波流量计主机与传输线断开,在传输线端子依次输入 4mA、8mA、12mA、16mA、20mA 标准电流信号模拟超声波流量计主机输出,观察记录仪显示数据。
          远传线路与显示仪表调试数据
                  由表 1 可以看出,远传线路与显示仪表的误差在允许误差范围之内,满足使用要求。
           
          3.2 动态测试
                  动态测试按照二次水的实际运行工况进行,测试分为二次水管道流量满管和不满管两种工况进行。在满管工况下,启动两台大泵,对二次水管线排气后,二次水流量测量系统趋于稳定,间隔 10min 记录 1 组流量数据,记录 3组流量数据。
           
                  满管测试实验完毕后,仅启动一台小泵,在一台小泵的运行情况下,二次水管道不能满管。二次水流量测量系统稳定后,间隔 10min 记录一组流量数据,记录 3 组流量数据,数据记录见表 2。
          动态调试数据
                  由表 2 中数据可以看出,在二次水流量满管工况下,超声波流量计与原孔板流量测量数据均在 9000t/h 左右,两套测量系统测量值非常大偏差为 320t/h ;在一台小泵运行工况下,超声波流量计有较稳定的测量值,原孔板流量显示负值,无法得到测量数据。
           
                  根据系统各个环节仪器仪表设备的精度进行系统误差计算[5] 。超声波流量计精度 1 级,信号隔离器精度 0.5 级,双笔数显记录仪数显部分 0.5 级,可得基于超声波流量计的 HFETR 二次水流量测量系统误差为 :
          20200704155420.jpg
           
                  满足测量误差要求。
           
          4 结语
                  经过对系统静态测试和动态测试,基于超声波流量计的 HFETR 二次水流量测量系统测量数据稳定可靠,在二次水流量不满管的情况下可正常对流量数据进行测量,达到了系统设计目标,在流量不满管导致孔板流量计不能正常测量的情况下可以继续对二次水流量进行监测。经长期运行考验,超声波流量计测量数据稳定可靠,可代替孔板流量计完成对二次水回路流量的测量。
           
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