CPR1000核岛仪用压缩空气流量测量仪表换型研究及实践

徐 颖，许金泉，杨宗伟，于 航

(中广核工程有限公司，广东 深圳 518000)

0 引言

安全壳是核电厂防止一回路放射性物质外泄的最后一道安全屏障，其泄漏率监测及完整性判断对机组安全运行非常重要。CPR1000核电厂通过安全壳泄漏率监测系统(containment leakage monitoring system,EPP)，在线监测安全壳泄漏率。泄漏率计算模型遵循安全壳内气体质量守恒原理。其中，核岛仪用压缩空气流量测量值是泄漏率计算模型的重要输入。CPR1000核电厂核岛仪用压缩空气系统(instrument compressed air distribution system,SAR)流量计SAR001MD初始选型为涡轮流量计，在使用过程中仪表本体故障率高、测量值波动幅度大、频繁归零等异常严重影响安全壳的泄漏率监测，同时带来了较高的运行和维修成本。综合SAR系统运行工况、原始仪表连接方式的匹配、各类型仪表的应用特点、数字化仪控系统(digital control system,DCS)信号接口等多方面因素考虑，最终选用恒温差热式质量流量计对其进行换型改造。换型后的热式质量流量计运行稳定、测量值波动幅度明显减小，有效保障了安全壳泄漏率监测的准确性和稳定性。

1 SAR001MD初始选型及应用情况

SAR系统分为核岛、常规岛、核电厂配套设施(balance of plant,BOP)三部分。其中，核岛部分为岛内气动阀提供动力气源。其压缩空气管网通过空压机自动带卸载功能将压力维持在760 000～900 000 Pa。因此，在核岛入口管线设置1台流量计SAR001MD，以监测岛内用气量。

1.1 涡轮流量计测量原理及仪表布置

CPR1000核电站SAR001MD初始选型为法国福尔赫曼(FAURE HERMAN)双螺旋气体涡轮流量计，型号为TGN25G6.5(150#)。其仪表管径尺寸(DN)为25 mm,最大测量流量为6.5 m3/h，压力等级为1 034 kPa,量程比为10∶1，操作温度为-30～+180 ℃，测量精度可以达到±0.15%，重复性为±0.02%，可承受暂时的超量程流量。

涡轮流量计是典型的速度式流量计，具有压力损失小、精度高、抗干扰能力强等优点，在气体和液体流量测量领域应用非常广泛。其测量原理是以动量矩守恒原理为基础的。当流体流经涡轮流量计时，产生驱动力矩克服摩擦力矩和流体阻力后带动涡轮旋转，在力矩平衡后转速稳定。其转速与管道流体流速成正比。由于带导磁性的旋转叶片周期性地改变检测线圈的磁通量，从而通过电磁感应原理产生周期性的感应电势，经仪表自带的前置放大器放大整形后，最终以脉冲信号进行远距离传输。脉冲信号的频率与被测流体的流量成正比，涡轮流量计实用流量方程为：

(1)

式中：Qv为被测流体体积流量，m3/s；f为脉冲信号频率，Hz；K为流量计仪表系数，P/m3。

仪表系数K通过流量校验装置校验得出，与涡轮的材料、结构、流体性质等有关。涡轮流量计运行区间分线性段和非线性段。当气体流量低于涡轮流量计始动流量Qmin时，受轴承摩擦力、流体粘性阻力影响，气体不具备足够能量吹动涡轮，即无法准确测量出Qmin以下的流量值[1]。由于涡轮流量计受上游流体流动状态影响很大，为减少上游局部阻力件的影响，涡轮流量计的安装严格要求上、下游保持一定长度的等径直管段。根据福尔赫曼涡轮流量计设备运行维修手册，要求仪表在水平安装的情况下：上游直管段大于10D(D表示仪表管径为25 mm)，即250 mm；下游直管段大于5D，即125 mm。换型前，CPR1000核电站SAR001MD安装图如图1所示。仪表采用水平法兰连接方式，上游直管段(CD)和下游直管段(AB)均为300 mm左右,满足设备运行维修手册要求。

图1 SAR001MD安装图(换型前)

1.2 温压补偿及测量系统整体结构

根据式(2)，其直接测量值Qv为体积流量。由于气体体积流量受温度和压力影响较大，故必须将气体体积流量通过温压补偿转换为质量流量。温度和压力值通过核岛仪用压缩空气注入管线上的温度传感器SAR001MT和压力变送器SAR001MP测得，补偿后的质量流量单位为Nm3/h。标准立方米(Nm3)看似体积单位，实则为质量单位，与使用地点的压力、温度无任何关系。国内外对气体标准状态的压力定义均采用标准大气压，即101.325 kPa，但对温度定义却不尽相同。当前，国际上较常见的气体标准状态定义主要有以下三种。

①1954年第十届国际计量大会(CGPM)协议的标准状态是：温度273.15 K(0 ℃)、压力101.325 kPa。世界各国科技领域广泛采用这一标态。

②国际标准化组织和美国国家标准规定以温度288.15 K(15 ℃)、压力101.325 kPa作为计量气体体积流量的标态。

③我国 《天然气流量的标准孔板计算方法》规定以温度293.15 K(20 ℃)、压力101.325 kPa作为计量气体体积流量的标准状态。

CPR1000核岛仪用压缩空气(SAR001MD)质量流量单位采用第3种气体标准状态定义，即温度293.15 K(20 ℃)、压力101.325 kPa。依据理想气体状态方程，修正公式为：

(2)

式中：Qvn为标准状态质量流量，Nm3/h；Qv为体积流量测量值；Pn为标准状态气体绝对压力，即101 32.5 kPa；P为气体压力测量值；Tn为标准状态气体温度，即293.15 K；T为气体温度测量值；Zn为标准状态下空气压缩系数，为0.999 63；Z为实际状态下空气压缩系数。根据ISO 12213空气压缩系数表，空气压缩系数在本仪表工作条件下变化范围极小，可将Z设为1。

温压补偿算法通过DCS内部功能模块实现。转换后的质量流量经累计计算和I/O分配，最终输出5路信号，分别为EPP安全壳泄漏率在线监测系统、后备盘(BUP)日累计流量显示、主控(KIC)日累计流量显示、主控(KIC)总累计流量显示、主控(KIC)实时流量显示。换型前，SAR001MD测量系统整体结构如图2所示。

图2 SAR001MD测量系统整体结构(换型前)

1.3 涡轮流量计在CPR1000各电厂应用情况

福尔赫曼双螺旋气体涡轮流量计TGN25G6.5(150#)最大测量流量为6.5 m3/h，量程比为10∶1,涡轮流量计始动流量为Qmin=0.65 m3/h。正常运行情况下，压缩空气管网压力维持在760～900 kPa。通过体积流量修正公式(2)，将始动流量(Qmin=0.65 m3/h)通过管网平均压力值900 kPa转换为质量流量，约为6.0 Nm3/h。根据EPP系统运行经验值，SAR001MD测量值始终在6.0 Nm3/h以上。当气体流量低于6.0 Nm3/h时，由于低于涡轮始动流量从而导致测量值频繁归零。根据EPP系统长期运行的计算理论值，核岛内理论用气量Qvn约为6.5～9 Nm3/h，与涡轮始动流量接近，故很难保障测量值的准确性。并且，当实际流量偶尔低于始动流量时，出现异常归零现象[2]。表1为CPR1000阳江核电站1#～3#号机组在2014年11月至2015年10月间SAR001MD的异常事件,总计12起。综合涡轮流量计(SAR001MD)在CPR1000其他核电站的应用情况，总结存在如下三类问题。

①低量程范围仪表线性度低，测量精度无法保证，测量值波动幅度较大。

②当气体实际流量达不到涡轮始动流量时，频繁出现异常归零现象。

③涡轮流量计测量值为体积流量，需设置温压补偿仪表和DCS后处理环节，整体结构较为复杂。

对此，研究一种能够适应核岛仪用压缩空气小流量的运行特性、最大限度适应当前仪表和管线布置情况、减小压缩空气的压力损失、满足EPP系统精度和稳定性要求的换型方案极为必要。

表1 CPR1000阳江核电站1#～3#号机组SAR001MD异常事件记录

2 SAR001MD换型研究

针对气体流量测量，除涡轮流量计外，在工业领域应用较广泛的还有差压式流量计、涡街流量计、超声波流量计以及直接测量质量流量的热式质量流量计[3]。

2.1 差压式流量计换型研究

差压式流量计测量原理以伯努利方程为基础。当气体流经如孔板、锥形管等节流元件时，在节流元件附近形成局部收缩、流速增快，在节流元件前后形成压差[4]。压差的平方根与流量成正比，测量公式为：

(3)

式中：Q为流体流量；K为测量系数(与节流元件孔径、流体特性等参数有关)；ΔP为孔板前后差压。

在核电领域，孔板式差压流量计应用广泛，但主要应用于液体流量测量领域。根据式(4)可知，在小流量情况下，流量测量值对ΔP的变化非常敏感，故差压式流量计普偏量程比偏小，一般仅为3∶1至4∶1，在小流量范围内测量精度无法保证。工程应用领域甚至大多会作小流量切除。同时，差压式流量计受节流装置影响，对流体压损很大，需要对节流元件前后增加取压管线。这也进一步增加了现场改造量。

2.2 涡街流量计换型研究

涡街流量计与涡轮流量计均属速度式流量计，其测量原理以卡门漩涡原理为基础。在流体中设置三角柱型旋涡发生体，从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡。这种旋涡称为卡门旋涡。在一定雷诺数范围内，稳定的漩涡产生频率f与流体流速v有确定关系。当管道内径及漩涡发生体的形状和尺寸确定后，可采用简化的实用流量方程：

(4)

式中：Qv为被测流体体积流量，m3/s；f为脉冲信号频率，Hz；K为仪表系数，P/m3，一般通过试验测得。

涡街流量计结构简单稳固、量程比大、精度高、压损小；但其对安装要求很高。表2为涡街流量计根据管道布置情况对上下游等径直管段的一般要求。根据图1所示，仪表上游的管道布置存在于不同平面的两个∠90°弯头，所以若换型为涡街流量计，其上游应至少保持40D，即1 000 mm的等径直管段长度，远超原涡轮流量计上游CD段的实际长度(300 mm)。因此，要重新大范围调整仪表上游管道和阀门的布置，这极大地增加了额外改造工作和改造成本。

表2 涡街流量计安装要求

2.3 超声波流量计换型研究

超声波流量计工作原理为：在流体流道两侧安装两个超声波发生器，超声波入射到管道流体中，顺流传播时间与逆流传播的时间之差与流体的流速有确定的对应关系。这样可根据该时间差的测量来推算流体流速，进一步通过温度和压力补偿转换为流体的质量流量。

超声波流量计最大的优势为非接触式仪表，对流体无压力损失。但超声波流量计测量精度普遍偏低，对探头入射角度安装要求很高，抗振及抗干扰能力较差，仪表故障率较高。同时，由于探头与管道接触面涂抹有耦合剂，在高温、潮湿等环境下容易导致耦合剂失效[5]。综合上述原因，超声波流量计的应用受到较大限制，一般应用于大管径、高流速、精度要求较低的液体流量测量。CPR1000核电站海水循环泵出口流量测量(SEC001MD)采用超声波流量计。针对核岛仪用压缩空气的小流量特点,超声波流量计在精度和稳定性方面都无法保证。

2.4 热式质量流量计换型分析及选型总结

热式质量流量计是一种虽起步较晚、但发展迅速的流量计。其采用热扩散原理，能够直接测量气体的质量流量，而无需温度、压力补偿，并且具有量程比高、对微小流量测量响应快、精度高、结构稳固、安装简单、无移动部件、对流体压力损失小等特点。目前，其在国内外液体及气体流量测量领域的应用越来越广泛。

插入式热式质量流量计由两个铂电阻温度传感器以及补偿电路构成：其中一个铂电阻用于测量流体自身温度T2，称为测温探头；另一个铂电阻由补偿电路加热至T1(高于环境温度)，称为测速探头。热式质量流量计结构如图3所示。

图3 热式质量流量计结构图

测温探头一般放置于测速探头上游，并与测速探头保持一定距离。当流体流经铂电阻时，测速探头在补偿电路加热的作用下，其温度T1高于周围气体环境温度。在热扩散作用下，T1下降。故根据热效应的金氏定律,测速探头的耗散功率P(加热功率)、测速探头与测温探头的温差ΔT及质量流量Qm的关系如下：

(5)

式中：A、B、K均为与气体物理性质(如热导率、比热容、黏度等)有关的系数[6]。

工业领域一般设计有两种热式质量流量计：一种为恒功率热式质量流量计，即保持测速探头加热功率P不变，通过测量探头间温差ΔT来获得质量流量值；另一种为恒温差热式质量流量计，即保持ΔT不变，通过电路自动补偿的加热功率P来获得质量流量值。恒温差热式质量流量计为保持对温度的快速响应和恒定温差，其铂电阻一般做得比较细。受电路电源功率及铂电阻通流能力影响，故其最大测量值受限，适用于小管径小流量工况。而恒功率式热式质量流量计铂电阻设计较粗，所以其可测流量较大，并且适用于脏湿介质。但其响应偏慢，在小流量工况下测量精度较差，适用于大管径大流量工况。综合上述分析，针对核岛仪用压缩空气流量小、介质干净等特点，相对于恒功率热式质量流量计，恒温差热式质量计明显更适合作为换型仪表。

2.5 换型总结

总结上述章节的差压式流量计、涡街流量计、超声波流量计、热式质量流量计换型研究，综合比较小流量测量精度、量程比、适用范围、管道布置要求、温压补偿等多方面因素，可得各类型流量计对比分析如表3所示。最终，恒温差热式质量流量计以其小流量测量精度高、适用范围广、量程比高、压损小、无需温压补偿、管道布置匹配性强、改造工程量小等显著优势，被确定为换型仪表[7-8]。

表3 各类型流量计对比分析

3 恒温差热式质量流量计换型实践

经市场调研及应用情况考察，CPR1000核电站最终选用FOX公司的FT3型恒温差热式气体质量流量计，具体型号为FT3-10F-SS-ST-E1-DD-B0-G1，流量测量范围为0～60 Nm3/h，量程比为1∶100,温度范围为0～50℃，压力范围为200～1 000 kPa。

3.1 管道改造

FT3型热式质量流量计长度为305 mm,管径为25 mm，换型后仪表长度比改造前涡轮流量计长度增加175 mm,管径保持不变，连接方式依然为水平法兰连接。根据FOX公司FT3型热式质量流量计设备运行与维护手册要求，必须在仪表上游至少保持8倍管径、下游保持4倍管径。所以改造实施中，将上游直管段切割50 mm,下游直管段切割125 mm。

换型前后的上下游直管段数据对比如表4所示。

表4 换型前后上下游直管段对比

切割后，直管段长度能够满足选型质量流量计上下游直段管要求。

由于热式质量流量计测量值直接为质量流量，无需温度和压力补偿，所以原温压补偿仪表SAR001MP/SAR001MP在仪表换型后可取消。SAR001MP取消后，仪表引压管可用1/2堵头焊接封堵。SAR001MT采用插入式热电阻测量，取消后取样口使用3/8实心BOSS头焊接封堵，封堵材质均为碳钢。换型后，SAR001MD安装图如图4所示。而未完成施工项目可以在施工设计中直接取消SAR001MP/SAR001MT，将大大简化管道布置，降低整体成本。

图4 SAR001MD安装图(换型后)

3.2 电源改造及信号分配

换型后，SAR001MD测量系统整体结构如图5所示。

图5 SAR001MD测量系统整体结构图(换型后)

由于热式质量流量计测速探头需要反馈电路持续加热，根据FT3热式质量流量计设备运维手册，FT3-10F-SS-ST-E1-DD-B0-G1供电电压要求(24±10%)V DC,平均电流约为0.7 A,平均功耗约为16.8 W。相对原涡轮流量计，需要单独提供电源。具体实施方式如下。在现场仪表房间增加一台电源柜SAR901CR及相关电源转换模块，上游电源取至220 V AC不间断电源LNE，通过电源转换模块转换为24 V DC后为热式质量流量计供电。电源转换模块型号选用施耐德ABL8MEM24012，其输出电流为1.2 A,额定功率为30 W，满足FT3热式质量流量计供电要求。

SAR001MD初始选型涡轮流量计输出信号为脉冲频率信号。CPR1000示范项目岭澳二期核电站NC级DCS采用西门子SPPA T2000平台，而其他CPR1000项目目前均采用国产HOLLiAS MACS6平台。SPPA T2000平台无单独处理频率信号的卡件，所以需要设置PLC I/O模块向涡轮流量计提供24 V DC供电，并将其输出的频率信号转换为4～20 mA标准电流信号。转换后的标准电流信号最终被SPPA T2000平台FUM230电流输入模块采集。HOLLiAS MACS6平台单独开发有采集和处理频率信号的卡件NM640，频率测量范围为0～7 kHz，满足涡轮流量计输出信号测量要求，故无需设置PLC I/O转换模块。涡轮流量计换型为热式质量流量计后，仪表输出信号为4～20 mA标准电流信号。岭澳二期SPPA T2000平台可直接通过FUM230卡件采集，取消原PLC I/O接口。国产HOLLiAS MACS6平台则通过电流输入模块NM480卡件采集。DCS组态中，如图2所示的原温压补偿组态可全部删除，逻辑组态将得到很大简化。

3.3 应用情况

SAR001MD换型改造首先在CPR1000示范项目岭澳二期核电站完成，是热式质量流量计在CPR1000核电站的首次应用。换型后，热式质量流量计应用情况良好。后续可将其逐渐推广至红沿河/阳江/防城港等其他CPR1000核电站，同时也为三代核电站小流量气体流量测量的设计选型提供了良好反馈。AP1000三门核电站针对放射性废气处理系统、仪用压缩空气系统、主控室应急可居留系统气体流量测量便选用了Delta M公司TM6000系列恒温差热式质量流量计。

4 结束语

基于核岛仪用压缩空气小流量的运行特点，初始选型涡轮流量计受量程比低及涡轮始动流量影响，并不适用于小流量气体流量的测量,导致应用过程中测量值波动幅度大、频繁归零等异常情况，无法保障安全壳泄漏率监测的稳定性和准确性要求。本文对流量测量领域应用较广泛的差压式流量计、涡街流量计、超声波流量计、热式质量流量计进行换型研究。其中：差压式流量计由于压损大、小流量测量精度低、额外改造工作量大而被否定，涡街流量计由于直管段长度要求高而被否定，超声波流量计由于精度低、稳定性差等因素而被否定。最终，恒温差热式质量流量以其精度高、量程比高、压损小、安装简单、改造工作量小、无需温压补偿等显著优势而被确定为换型仪表。这也是热式质量流量计在CPR1000核电站的首次应用。换型后的热式质量流量计取消了温压补偿仪表和后端DCS补偿组态，大大简化了测量系统结构及仪表和管道布置，运行稳定、测量值波动幅度大幅减小、异常归零现象未再发生。该设计有效保障了安全壳泄漏率监测的准确性和稳定性，为操作员对机组的判断提供了良好保障，降低了由于仪表频繁故障而带来的运行和维修成本,同时为后续三代核电站仪表选型提供了借鉴。