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核電廠在線流量儀表選型設計分析

發布日期:2014-09-18 10:10:31  來源:  作者:  瀏覽次數:
【導讀】:摘要:通過對福清核電廠1,2#機組的在線流量儀表應用情況進行學習和總結,分析核電廠在線流量儀表選型設計的注意事項,給出了核電廠中在線流量儀表選型設計的要點和難點。在......
摘要:通過對福清核電廠1,2#機組的在線流量儀表應用情況進行學習和總結,分析核電廠在線流量儀表選型設計的注意事項,給出了核電廠中在線流量儀表選型設計的要點和難點。在現行的核安全法規要求下,對于后續新建核電廠在線流量儀表選型設計具有一定的指導意義。

引言
    流量測量在核電廠監控系統中具有舉足輕重的作用。與其它熱工檢測儀表相比,在線流量測量技術和儀表類型更多樣,選型設計更復雜。福清核電廠1,2#機組(主輔系統) 使用了421塊在線流量計,包含了節流裝置(孔板和文丘里)、浮子、容積式、電磁、渦街和超聲波六大類型,涉及多種工況,各種
類型所占比例分布如圖1所示。本文從在線流量計可測性和可靠性對流量儀表選型設計注意事項進行分析,并輔以實際案例分析。
在線流量計分布圖
在線流量計分布圖
1 核電廠在線流量計可測性
各類在線流量計的可測性,主要考慮介質參數、適用口徑和直管段要求。

1.1 介質參數
    介質參數主要包括介質的類型、密度、粘度、允許的壓損值以及各種工況下所測介質的溫度、壓力和流量范圍(電磁流量計還需要考慮介質的電導率是否在可測范圍之內)。
    ①單一介質的類型主要是指氣體和液體,一般情況,容積式流量計和電磁流量計只用來測量液體;其它流量計對于兩種
單一介質均可測。
    ②密度在體積流量測量中至關重要,常溫常壓下的介質密度是穩定的,是可校準的,密度不穩定的情況主要是指氣體,比如蒸汽等,一般需要溫壓補償進行流量校正。
    ③粘度主要是液體介質參數,對于所有與介質直接接觸的流量計都有關系,主要是影響測量精度,尤其是對于容積式流量計這種機械接液部件直接測量的流量計影響較大。
    ④一般情況,流量測量產生壓損非常大的是容積式流量計,其次是節流式差壓流量計,沒有壓損的是超聲波流量計和電磁流量計。
    ⑤溫度和壓力也是影響流量計使用的重要指標,節流式差壓流量計、電磁流量計對于溫壓適用性非常強;浮子流量計中玻璃管浮子流量計只能用于低溫低壓工況;容積式流量計對壓力不敏感,但是在高溫下容易熱膨脹變形,溫度太低又會導致材質變脆,所以只適用于-30~160℃溫度范圍;超聲波流量計在測量氣體的時候要求P≥0.3MPa。
⑥流量范圍主要是指非常小流速和量程比。一般情況下,流量測量均為滿管流,不同流量計能測量的非常小流速是有限值的,比如渦街流量計常壓條件可測非常小流速為0.4m/s,電磁流量計可測非常小流速0.1m/s等。量程比是流量計的重要參數,一般情況下,差壓變送器的量程比一般為3:1,非常大可達10:1;浮子流量計非常大可達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
    絕大部分的流量計需要與工藝管道直接連接,對于工藝管道的口徑,不同的流量計有不同的適用范圍,非特殊情況一般不進行變徑處理。一般情況下,節流式差壓流量計適用于DN≥50的管徑;浮子流量計可以用于DN<50的管徑,非常大不超過DN250;容積式流量計適用于DN15~DN500;渦街流量計適用于DN15~DN400;電磁流量計適用于DN2.5~DN3000;超聲波流量計原理上對口徑無要求,尤其擅用于大口徑流量測量。

1.3 直管段要求
    除了浮子流量計和容積式流量計對直管段基本沒要求以外,其它流量計對于直管段均有要求,而且前后(上下游) 直管段越長越好,如表1所示。

常見在線流量計直管段要求
不同流量計廠家對于直管段的非常小長度有不同的要求,在很多工程中,普遍采用的非常小直管段長度為前10D后5D。

2 核電廠在線流量計可靠性
    在滿足可測性之后,需要考慮流量計的可靠性。核電產品首先要考慮滿足現行相關核安全法規對設備等級的要求,其次要考慮儀表的精度、響應時間、環境因素和校準維護。

2.1 設備等級
    目前國內獲得審批的核電項目中,核安全局要求安裝在安全級管道的流量儀表保持抗震完整性,即流量儀表的機械部件抗震等級與工藝管道抗震等級保持一致,并對儀表材料和焊接增加了相關要求;對于流量儀表的電氣部件,需要根據其執行的功能來確定是1E級或者NC級。

2.2 精度
    不同的工況和監控聯鎖要求對流量計的輸出信號有不同的精度要求(考慮線性度、遲滯性與重復性因素在內的參考精度)。常見的在線流量計中,精度非常高的是容積式流量計,次之是節流式差壓流量計和渦街流量計,再次之是電磁流量計,精度非常差的是浮子流量計和超聲波流量計。

2.3 響應時間
    響應時間(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%需要的時間) 在流量計參與聯鎖控制的時候至關重要。平時說的響應時間主要是指變送器(包括工作和功能類似于變送器的二次儀表) 輸出電信號的時間,需要靈敏度特別高的聯鎖控制場合要求響應時間很短,比如ms級,普通的監控顯示則對響應時間沒有特殊要求,幾秒鐘甚至幾十秒鐘都可滿足要求。一般來說,節流式差壓流量計和電磁流量計的變送單元響應時間普遍可以達到0.5S以內,渦街和容積式還有超聲波基本都可以控制在1s內。

2.4 環境因素
    環境因素是決定儀表是否可以長期穩定工作的重要因素之一,主要是輻照、振動和水塵。
    輻照對于儀表的長期穩定工作是一個挑戰,對于安裝布置在輻照區域(指紅、橙、黃區) 的在線流量計,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,在方福項目中選用上海光華電磁流量計,因光華所供電磁流量計轉換器部分不能滿足黃區的抗輻照能力,所以分體安裝,把轉換器安裝布置到綠區房間,福清二期選用E-mag電磁流量計,因其滿足黃區的輻照強度,又回歸一體式。
    振動對渦街流量計和超聲波流量計的工作有較大影響,比如一般壓電式渦街流量計可耐受0.2g的振動,電容式渦街流量計可耐受0.5~1g的振動。這幾類流量計都不能適用于強振動場所,在弱振動場合,可以采取相關減振措施,但是仍然會對這幾類儀表長期穩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外殼防護等級,對現場儀表可能出現的環境影響進行分析,進而規定此處的儀表所應具備的防護等級IPXY(X代表防塵能力,Y代表防水能力)。

2.5 安裝、校準和維護
    儀表安裝是儀表選型設計必須要考慮的問題,除了流量計本身安裝有簡易和繁瑣之分,測點所在位置是否方便流量計進行安裝也必須要考慮。相對來說節流式差壓流量計是安裝非常繁瑣也是非常容易發生泄漏的,而法蘭式安裝的其它一體型流量計安裝相對方便,尤其是純機械計量模式的儀表,在只需就地顯
示的時候尤其方便。
    所有的流量計都需要定期校準和維護,某些工況不適合頻繁對儀表進行校準和維護,比如高輻照區等,需要儀表有較好的重復性和較長壽命。

3 核電廠流量計選型設計案例
本章選取福清核電廠1,2#機組中的設備冷卻水系統主泵(001/003PO) 入口流量選型設計案例進行分析。

3.1 可測性分析
該流量測點的介質參數、管道口徑和前后直管段長度如下:
介質類型:除鹽水流向:水平
密度:975kg/m³ 動力粘度: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)
非常大允許壓損:13.6KPa
口徑:24” 直管段:11m(近18D)

對該流量測點的流量計選型進行可測性分析如下:
①介質類型是液體,六大類流量計均滿足測量要求;
②除鹽水電導率太低,不適合用電磁流量計;
③動力粘度0.378cP情況下非常大允許壓損13.6KPa,不適合用容積式流量計。國內非常好的容積式流量計廠家合肥精大,在動力粘度<30mpa.S(30cP) 時,流量計在非常大流量下運行時的壓損也有幾十KPa,非常大可達80KPa。
④密度、溫度、壓力和量程比都在常見流量計可測范圍內。
⑤24”的口徑,不適合用浮子流量計和渦街流量計。
⑥測點所在管道可提供18D直管段,基本滿足前10D后5D的非常短直管段要求。
    經過可測性分析,可選用的流量計類型有節流式差壓流量計和超聲波流量計。

3.2 可靠性分析
①該流量測點所在工藝管道安全等級為3級,抗震等級為1F,該流量測點需要在KIC進行指示并在流量低于500m³/h時

3.3 OPENAT平臺介紹
    OPENAT是Wavecom公司為GPRS/GSM無線CPU開發的一款實時操作系統,集成了內存分配、Flash 管理、數據流管理、GPIO管理、總線管理、定時器管理等多種功能。底層為嵌入式API應用層,它包括程序初始化API、AT命令API,操作系統API、標準API、流控API、總線API等,包含了建立在OPENAT 基礎之上的應用開發層函數庫。應用開發層(簡稱ADL)函數庫為開發人員提供了上層應用接口,簡化了嵌入式應用的開發,同時還提供了嵌入式應用框架,包括消息解析器及服務聲明機制。

3.4 短信及無線數據交互功能設計
    市場常用的無線GPRS模塊無法滿足短信數據與無線數據交互同時進行,現場的模塊使用也是要么使用無線數據交互功能,要么使用短信數據交互功能,智能GPRS模塊可以同時兼容上述功能。同時增加無線配置參數的遠程設置,常用的通訊配置參數如短信號碼管理參數、主站IP端口號參數、服務器客戶端參數、APN及密碼參數等。因為參數設置進程在模塊內部完成,這樣就節省了外部CPU所需要的通信規約交互數據。電壓監測儀的短信及無線數據交互功能流程圖如圖3所示。
短信及無線數據交互功能流程圖

    模塊接收到數據報文后,首先需判斷接收的報文是通過無線數據交互獲得還是通過短信獲得,判斷完畢后再進行參數設置或者數據交互報文判斷,根據發送報文類型進行相應的報文回復,并通過原有的接收手段進行發送。若非參數設置和數據交互報文,則將接收報文直接發送。

3.5 電壓統計功能設計
    智能GPRS模塊內部的液晶顯示進程、規約進程、數據存儲進程及電壓統計進程需同時使用電壓質量統計數據,為了方便進程間數據的共享,本次設計專門建立簡易數據庫,多個進程可同時從數據庫中進行數據讀取寫入。鍵盤、液晶顯示使用定時中斷進行讀取及界面刷新。數據存儲功能可存儲電壓異常數據,也可進行3分鐘內的液晶顯示及鍵盤操作存儲。具體參考圖4電壓監測儀的電壓統計功能圖。
電壓監測儀的電壓統計功能圖

4 設計創新點
    本次電壓監測儀的設計使用智能GPRS模塊進行數據的統計、存儲、采集、液顯、鍵盤采集等功能,可以節省掉傳統電壓監測儀設計的CPU及外圍電路,大大節省設計成本及裝置功耗,增加產品的市場競爭力,同時也為未來產品設計提供一個參考方向。

5 結論
   本次電壓監測儀可使用多種智能模塊進行測試對比(硬件封裝兼容多廠家模塊),智能模塊可選用MD251、SIM900等,通過模擬現場的多次測試表明,選用智能GPRS模塊設計的電壓監測儀,能夠快速準確的提供各種數據,滿足現場使用要求,具有很好的應用和發展前景。

 

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