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對含氣泡液體管道差壓式流量計測量穩定性的改進

來源: 中核核電運行管理有限公司 作者:汪 達,徐霖野,李宇睿,李軍懷 發布日期:2021-03-11

 摘要:差壓式流量測量是電廠流量測量的重要方式,通過流量孔板差壓變送器配合使用,可直接產生4mADC~20mADC的標準電流信號送控制系統。一直以來,差壓式流量計以其簡單、可靠的特性廣泛應用于各個系統的管線流量測量,本文結合秦二廠現場設備改造過程,深入分析了差壓式流量計在對含氣泡液體流量測量過程中產生波動的具體原因,并提出具有針對性的改進措施,有效提升了差壓式流量測量的穩定性。

 
       秦二廠安全殼噴淋系統(EAS)噴淋流量變送器,通過測得安噴管線上流量孔板兩側的差壓來實現噴淋流量的測量及遠傳功能,該變送器為事故后監測系統儀表。該變送器為EAS系統直接噴淋流量與循環噴淋流量的差壓流量測量變送器,現場測得參數并經處理后遠傳至主控室。
 
       在進行涉及該流量計的零流量現場試驗時,多次出現停泵后流量數據波動的情況,波動幅度超出誤差許可范圍。為保證現場設備可用,本文從測量結果波動這一問題著手,深入剖析波動產生的原因,并提出對應的解決方案,應用至現場后,取得了良好的成效。
 
1故障現象及故障處理
1.1故障現象
       安噴系統零流量實驗期間,曾多次出現小流量指示波動的情況,曾有過1個月內連續觸發3次波動的情況發生,其波動方式為在停泵后出現短時間的波動峰(如圖1所示)。圖1中綠色曲線為流量,藍色曲線為泵軸承溫度,啟泵期間流量指示正常,而在停泵后(藍色曲線開始下行,證明已停泵成功)又出現了兩次大的波動值,較大的一次波動值約為正常啟泵期間流量值的1/4,明顯已遠超誤差許可范圍。
小流量測量波動記錄
1.2故障處理
       針對這一故障,現場多采用充水排氣方式進行處理,對儀表進行充水排氣并校準后,在一段時間內儀表的測量穩定性會有所提高,然而在進行多次試驗后(該管線在機組運行期間不投運),流量波動的情況又會出現。經統計,近3年內對單個變送器校驗(含充水排氣)的工作次數多達7次。從現場實際效果來看,充水排氣具有見效快、操作容易等優點,但屬于一種治標不治本的辦法,對于應用于事故期間及事故后處理的安全殼噴淋系統來說,每次使用前進行人為校驗的行為是不現實的。
 
2背景介紹
2.1差壓式流量計測量原理
       差壓式流量測量方式基于伯努利方程和連續性原理,通過測量液體流經節流元件時產生的壓力變化,從而計算出流體流量[2]。推導為:已知流體密度ρ;流體管道前后截面積A1、A2;截面處流體流速v1、v2;壓強p1、p2。根據不可壓縮理想流體的伯努利方程:
出流體流量關系公式
       和流體連續性方程:
連續性方程公式
       可以推得式(3):
公式3
 
       其中,A0為孔板開孔面積,μ為流束收縮系數(A2=μA0),d為節流孔直徑,D為管道內徑。
 
       上述方程均建立在流體不可壓縮及流體動量守恒的基礎之上。事實上,由于流體存在摩擦力和黏性,其動量有所損失,而孔板前后流體由于具備可壓縮性,前后密度并不相同,故引入流量系數α和膨脹系數ε(對于不可壓縮流體,其ε為1),并得到孔板前后的實際壓差為Δp=p1-p2,實際密度ρ2=ερ1=ερ,得到可壓縮的實際流體方程:
公式4
       簡化公式,可以得到流量與差壓之間的關系:
流量與差壓之間的關系
       可以看出:流量與差壓的平方根成線性關系,即20210311100827.jpg
 
       上述公式作為差壓式流量測量的理論基礎,其結論決定了差壓式流量計的硬件組成,對于現場應用來說,主要的組成元件包含節流元件、引壓管線及差壓變送器。差壓式流量計可以采用的節流元件包含標準孔板、節流擋板、文丘里管等,而在現場使用的設備中則以標準孔板居多。
 
秦二廠安噴系統現場使用的正是標準孔板型差壓流量計
 
2.2 現場布置情況
       秦二廠安全殼噴淋系統(EAS)噴淋流量變送器,通過測得安噴管線上流量孔板兩側的差壓來實現噴淋流量的測量及遠傳功能。
 
       現場儀表安裝于管道側方,通過引壓管線自孔板兩側接入管道,對孔板前后兩側的差壓值進行測量,并送出4mA DC ~ 20mA DC 標準電流信號至控制與監測系統,在控制柜系統中通過開方卡件與線性運算卡件處理,即可直接得到流量值。
 
       現場采用的差壓式變送器,測量范圍 0kPa ~ 60kPa,精度 0.25,通過約 6m 長的引壓管線由孔板引入變送器進行測量,如圖 2 所示。
差壓式流量計現場布置情況
       對國內同類型電廠該儀表的使用情況進行調研,發現該問題在大部分同型號電站中均有存在,屬于共性問題,解決方案也多為充水排氣操作。本文所討論的解決方案具備推廣價值。
 
2.3 不穩定性原因分析
1)安噴泵作用原理分析
       該表計用于測量安噴管線內流量,安噴管線在機組正常運行期間無流量,只有在試驗期間,該表計才會起到測量的作用,此時管線內液體來源為安全殼噴淋泵泵送的含硼水,安噴泵為葉片式立式筒形泵,泵揚程為 131m,非常大入口壓力 0.385MPa,在試驗過程中,因氫氧化鈉虹吸管線破壞帶入空氣,噴射泵將氫氧化鈉輸送管線中的空氣吸入安噴管線內,氣體以氣泡的形式存在于液體管線中,并隨著液體進入引壓管線。考慮到對于儀表充水排氣可以短期消除儀表測量不穩定問題的情況,不能排除測量不穩定的原因為儀表管線中含氣泡。而事實上,為消除儀表管線含氣泡對于儀表測量穩定性的影響,引壓管線上安裝有集氣罐,但由于引壓管線長度較長(約 6m),集氣罐并不能起到良好的除氣作用。
 
2)歷史故障記錄分析
       經查詢歷史記錄,除了零流量試驗停泵后該表波動外,也曾出現過機組正常運行期間該表計出現小流量波動的情況,如圖 3 所示。從圖 3 中可以看到,該波動持續一段較長時間后,經約 5min 的非常大量程指示(故障處理工作期間斷開儀表),儀表指示復原,期間管線內不存在液體流動的情況(功率運行期間安噴泵不啟動),查詢歷史工作記錄可以發現,對該故障采用充水排氣的方法進行了處理,這一故障不同于大多數情況下的零流量試驗停泵后流量波動的產生條件,但其故障表現、故障處理方式及故障處理結果均有相似之處。
功率運行期間小流量波動故障記錄
3)引壓管線因素分析
       作為差壓式流量計的測量儀表,差壓式變送器的測量范圍本身較小(0kPa ~ 60kPa),需要較高的測量精度與測量靈敏度,管線內氣體擾動、氣體憋壓等情況均會造成壓力變送器的測量不穩定,而在安噴管線中,氣體通過氣泡的形式存在,氣泡流動與匯聚均有可能引發管線內壓力波動。在安噴泵正常工作期間,由于管線內流量較大,差壓本身較高,擾動造成的影響較小,而停泵后主管線內液體停止流動,引壓管線中的氣體開始移動,這一過程中,氣泡的流動、匯聚與破裂均有可能引發管線內壓力波動,殘留氣體引發的壓力波動與憋壓情況造成了停泵之后的流量波動情況 [1]。
 
4)信號處理回路分析
       在流量測量的過程中,信號經開方卡件處理,開方卡件具有小信號切除功能,當輸入信號小于 0.075V 時,輸出保持為 0。
 
       由開方運算關系式可知,對于輸入信號為 0.075 ~ 0.999之間的電壓值,經開方卡件處理后,其輸出值大于輸入值。換言之,輸入值低于滿量程 1/10 的信號值經由開方卡件運算后,如有輸出,其輸出會大于原輸入值,由于差壓值與變送器輸出電流之間滿足線性輸出關系,且 I-V 卡件為線性轉換關系,易知變送器測量差壓值與開方卡件輸入端電壓滿足線性運算關系,對于波動誤差,開方運算會將其放大,這也是波動較為明顯的原因之一。
 
       綜合以上故障情況分析,可以判斷出流量測量不穩定性的成因與管道內存在氣體有密切關系。
 
2.4 處理措施
       綜上分析可知,小流量波動產生的原因為管線內氣體產生的壓力擾動,要解決小流量測量不穩定的情況,需要消除氣體造成的影響,氣體由虹吸破壞作用帶出,根據該系統的工作原理可知,無法做到從根源消除管線氣,解決方法主要著手于消除引壓管線內的氣體擾動。根據現場的實際布置,初步的解決方案有 3 個 :
       1)在管線上布置氣體消除裝置(集氣罐等)。
       2)修改變送器及引壓管線所在位置,消除引壓管線內液體無法排空的問題。
       3)采用毛細管差壓變送器,從根本上避免氣體波動。
 
       對于 1)、2)兩項解決方案,有成本較低、實施簡單的優勢,但由于在安噴試驗進行的過程中,還是有氣泡隨虹吸破壞進入管線,依然不能完全避免氣體影響,且加裝集氣罐會在管線中引入故障點,造成系統穩定性下降,其中集氣罐這一方案已被證明效果不佳,不考慮采用。
 
       考慮第 3 條方案,由連通器原理可知,主管線中的壓力變化對于差壓變送器來說不造成影響,主要的問題集中于引壓管線上,毛細管變送器通過在封閉毛細管內填充硅油進行引壓,可以避免主管線內含氣泡液體進入,達到從根本上消除氣體影響因素的效果。
 
       綜上考慮,采用毛細管型差壓變送器對現場變送器與引壓管線一同更換,對原變送器、引壓管線及集氣罐進行拆除,由孔板出口根閥后全部換為毛細管進行引壓。改造后進行零流量試驗,啟停泵前后流量指示保持一致,且停泵后未出現小流量波動,改造效果良好。改造前后測量效果對比如圖 4 所示,其中綠色曲線為改造后效果。
采用毛細管變送器后實驗結果及前后結果對比
3 總結
       差壓式流量計作為一種廣泛應用于生產場所的流量測量模式,其結構簡單,測量回路易于搭建,對純流體的測量結果準確度也讓人滿意。但其受流體密度與壓強影響較大,特別是對于含氣泡液體來說,由于測量值為孔板差壓,對于單側波動影響的敏感度較高,通過將測量儀表更換為毛細管變送器,將單側管線等效為純液體測量,從根源上避免了氣體擾動,對于含氣泡液體管線小流量測量穩定性改進有明顯的功效,對于現場其它類似流量計以及國內同類型電站均具有廣泛的應用與推廣前景。

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