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热式質量流量計在AP1000中的应用说明

作者:凯时AG网站_官方网站手机版
气体流量作为核电站暖通系统的重要测量参数,其测量结果直接影响到整个系统的运行质量。目前国内核电站的暖通系统使用的气体流量计以差压式流量计为主。随着工艺系统的发展,对流量测量的准确度和稳定性的要求越来越高,流量测量技术的发展也日新月异各种新型流量计相继问世。热式气体質量流量計是气体质量流量测量领域逐渐兴起的一种新型流量计。采用美国西屋公司开发的第三代压水堆核电技术(AP1000)的门核电站在国内的核电站中使用热式質量流量計对气体的质量流量进行测量。
国内核电站气体流量测量现状,国内核电站的气体流量测量目前以均速皮托管、转子流量计等节流式差压式流量计为主,有些项目也使用了凯时AG网站、靶式流量计等新型流量计对暖通系统的气体流量进行测量。
 
1.氣體流量進行測量。
1.1節流式差壓式流量計
节流式差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。节流式差压式流量计由检测件和差压转换和流量显示仪表组成。通常以检测件的型式对节流式差压式流量计分类,如孔板流量計、文丘里管流量计及均速皮托管流量计等。
節流式差壓流量計的優點是:其標准孔板結構易于複制,簡單牢固,性能穩定可靠,使用壽命長,對振動不敏感,抗幹擾能力強。其缺點是:測量精度不高,壓損大,量程比低,對現場安裝條件的要求較高。節流裝置與差壓顯示儀表之間的引壓管線易産生泄露、堵塞及凍結,從而造成信號失真。
1.2凯时AG网站
凯时AG网站是根据卡门( Karman)涡街原理研究生产的:当稳定的流体流经有一定长度的直管道时,撞击沉浸在流体中的非线性柱体,在流体的下游会产生漩涡。当流体的雷诺数在一定的范围内时,卡门漩涡的释放频率与流体的速度成正比。所以检测出卡门漩涡的释放频率就可求得流速,并由流速求得体积流量相比节流式差压式流量计,凯时AG网站无需导压管和三阀组等,可减少泄露、堵塞和冻结等故障。其精确度较高,可达到士1%满量程。压损小,约为节流式差压流量计的1/3,量程比可达20:1。但凯时AG网站对管道机械振动较敏感,不宜用于强振动场所。由于其测量原理,凯时AG网站对管道直管段的长度要求较高,且管道的口径越大,凯时AG网站的分辨率越低,因此不适用于大口径管道。且受压力脉动或流量脉动影响较大,不适用于脉动流体的测量。
1.3靶式流量計
靶式流量計屬于差壓式流量計的一種,其主要原理如下:當介質在測量管中流動時,因其自身的動能與靶板産生壓差,而産生對靶板的作用力,使靶板産生位移,其作用力的大小與介質流速的平方成正比,靶板所受的作用力經靶杆傳遞,使傳感器的彈性體産生變化,從而將位移轉換爲傳感器對應的電壓信號,而流量則與電壓的平方成正比。
靶式流量计的精度高于节流式差压流量计,能测量微小流量,且压力损失较低,约为标准孔板流量計的但其易出现零点漂移、满度不准、靶片松动、内部部件松动等故障,不适用于大流量测量。
 
2.热式質量流量計
2.1热式質量流量計原理
热式質量流量計可以直接测量气体的质量流量。它的基本原理是利用外部热源对流体加热,测量因流体流动造成的温度场变化来获得质量流量,温度场的变化用加热器前后端的温差来表示,被测流体的质量Qm与加热器前后端温差△t之间的关系如下:
Qm=P/(JCp△t)
式中:
P-加熱器的功率
J-熱工當量
Cp一被測流體的定壓比熱
△t一加熱器前後端的溫度
按其测量原理,热式質量流量計又可分为恒功率法和恒温差法两种質量流量計。由上式可知,若采用恒定功率法,则温差△t与质量流量Qm成反比,测得温差△t即可求得Qm;如果采用恒定温差法,则加热器输入功率P与质量流量成正比,测得加热器输入功率P则可求得Qm值
2.2热式質量流量計特点
相比差压式流量计,热式質量流量計有以下特点:
(1)量程比高:一般可達爲100:1
(2)无活动部件,无分流管的热式流量仪表无阻流件,压力损失很小;带分流管的热式質量流量計,虽测量管道中有阻流件,但压力损失也远小于差压式流量计,可以忽略不计。
(3)使用性能相對可靠,其不需要壓力傳感器和計算單元,僅有流量傳感器,結構簡單,出現故障概率小。
(4)精度高,以 Delta M的TM6000系列为例,其气体的测量精度zui高可达士0.02%满量程。
(5)只需一個測量點,可以同時測得質量流量、溫度、壓力三個參數。
(6)與差壓式流量計相比,價格昂貴,響應速度較慢。
(7)对于被测量气体成分变化较大的场所,由于比热容值和热导率的变化,热式質量流量計的测量值会现较大变化而产生误差。
2.3两种热式質量流量計比较
(1)与恒功率法热式質量流量計相比,恒温差法热式質量流量計的zui大优点是响应时间快。因为恒功率法热式质量流暈计测量值是从实际温度变化获得,测量管质量和检测元件质量的热惯性会降低响应速度:恒温差法热式質量流量計的温度分布没有变化,不受检测元件质量的热惯性影响。
(2)恒功率法热式質量流量計的zui大可测量流量较大。而对于恒温差法热式質量流量計,对于大流量工况,它要求对被加热电阻的能量快速加大才能保证恒定的温差。但是由于能量的增大受到电源本身功率的影响以及被加热的铂电阻zui大允许电流的影响,其zui大测量值受到限制。
(3)恒功率法热式質量流量計不容易受到脏湿介质的影响。恒温差法热式質量流量計为了使其对温度快速响应和保持恒定的温差,一般铂电阻做得比较细,这样对于脏湿介质测量时,其附着物对加热铂电阻的散热会产生较大的影响,严重时将使其测量精度大大降低。
(4)恒温差法热式質量流量計适合测量低流速小管径的微小流量;恒功率法热式質量流量計更适合大管径的中高流量测量。
 
3.热式質量流量計在AP1000中的应用
AP1000需要測量氣體流量的系統主要有壓縮空氣和儀表空氣系統、主控室應急可居留系統、放射性廢氣系統、安全殼空氣過濾系統及各廠房的暖通系統。不同的系統的氣體流量、工況不一樣,對氣體流量計的要求也不一樣。傳統的差壓式流量計已經難以滿足AP1000對氣體流量測量的所有要求。
(1)小流量工况:比如AP1000的放射性废气处理系统的气体流量较低,设计要求为0~2.55nm³/h,正常运行期间的气体流量仅0.99nm3/h。差压式流量计在这么小的流量工况下,其精度无法满足要求。综合上述各流量计的特点,三门核电站选用了基于等比恒温差法原理的热式質量流量計对放射性废气处理系统、压缩空气和仪表空气系统、主控室应急可居留系统的气体流量参数进行测量。热式質量流量計的响应时间小于0.5s,对于气体的测量精度可达读数的士1%,满量程的士0.02%,能够很好地满足设计要求。
(2)精度要求高、响应时间要求不高的大流量工况:AP1000附属辅助厂房非放射性通风系统的气体流量设计要求为0~10831nm3³/h,精度要求为士2%,但对响应时间要求不高。在这样的大流量工况下,差压式流量计的精度难以满足要求,而恒温差式的热式質量流量計不适合如此大的流量测量,因此三门核电站选用了FCI公司基于恒功率原理的ST系列热式質量流量計。ST系列恒功率热式質量流量計可以用于大流量的高精度测量,其测量工作温度范围为-40℃~454℃,精度为士0.75%,FCI的MT系列热式質量流量計量程可以达到169901nm³/h,能满足AP1000的安全壳再循环冷却系统的大流量要求。由于热式質量流量計的量程比可达100:1,因此同一型号的热式質量流量計还可以满足多种型号的需要,比如AP1000附属辅助厂房非放射性通风系统的气体流量的设计要求有0~3398nm³/h
0~10831nm³/h,0~4757nm³/h,0~11681nm³/h四种量程,而ST102A一款热式質量流量計就能满足这四种量程的要求。这就减少了备件的库存,也便于今后的备件管理和设备维护。
(3)對于AP1000的核島保健物理和熱檢修車間、放射性控制區、廢物廠房等區域的暖通系統及安全殼空氣過濾系統,這些區域的特點是氣體流量適中,對精度的要求不高,響應時間要求較高,可能有放射劑量。根據這些特點,三門核電站選用了基于差壓式原理的均速皮托管對這些氣體流量參數進行測量。均速皮托管的使用壽命長,響應時間迅速,價格適中,能夠很好地滿足設計要求。
 
4.結語
與傳統的差壓式流量計相比,热式質量流量計在精度、量程比、压损、安装便利性等方面有显著优势。块热式質量流量計能同时测量气体质量流量、气体温度、压力三种参数,简化了系统的测量装置,有利于系统的稳定经济运行。但与差压式流量计相比,热式質量流量計的价格仍较为昂贵,这也影响了热式質量流量計的大规模应用。但随着流量测量技术的发展,相信热式質量流量計的成本将下降,功能也将不断改进,能够适应更复杂的系统工况,也能为系统提供更为准确的测量结果。三门核电站作为国内选用热式質量流量計的AP1000项目,其运行维护经验也将为后续的核电项目的气体流量测量仪表的选型提供很好的借鉴。
 
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