含氣量對(duì)孔板流量計(jì)測(cè)量流量的影響與研究
[摘 要] CPR1000 核電機(jī)組發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)（GST）設(shè)計(jì)有兩臺(tái)冷卻水泵，正常一臺(tái)泵運(yùn)行，另一臺(tái)備用。該系統(tǒng)冷卻水流量通過孔板流量計(jì)測(cè)量，流量低時(shí)系統(tǒng)發(fā)出備用泵聯(lián)啟信號(hào)，流量低低會(huì)觸發(fā)跳機(jī)信號(hào)。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某核電機(jī)組定子冷卻水含氣量造成的流量波動(dòng)問題進(jìn)行了模擬計(jì)算分析，研究了冷卻水系統(tǒng)含氣量變化影響流量測(cè)量的機(jī)理，并提出具體的處理措施，解決了該系統(tǒng)啟動(dòng)初期由于系統(tǒng)內(nèi)部含氣量造成的流量波動(dòng)問題。
0、前言：
發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行過程中需要保證其內(nèi)部的冷卻， 對(duì)于定子水冷的發(fā)電機(jī)組，必須要保證定子冷卻水的流量滿足要求，但在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于種種原因流量可能產(chǎn)生大幅波動(dòng)，影響系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。各行業(yè)關(guān)于流量波動(dòng)問題目前有著很多研究，本文通過模擬分析含氣量對(duì)孔板流量計(jì)測(cè)量流量的影響，并針對(duì)定子冷卻水系統(tǒng)的特點(diǎn)深入分析氣體來源以及制定專門的處理方案，解決系統(tǒng)運(yùn)行過程中的流量異常波動(dòng)問題。
1、系統(tǒng)簡(jiǎn)介：
發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)（GST）是通過一個(gè)閉式的冷卻水循環(huán)回路對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組以及出線端進(jìn)行冷卻。某 CPR1000 核電機(jī)組采用的是ALSTOM 公司生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)組，該發(fā)電機(jī)組為水-氫-氫冷卻方式，每一根定子線棒由實(shí)心銅線和不銹鋼空心線組成，通過低電導(dǎo)率的冷卻水流過不銹鋼空心線帶走熱量，保證發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行[1]。系統(tǒng)的工藝流程見圖 1。
圖 1 發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)工藝流程圖
定子冷卻水系統(tǒng)有兩臺(tái)冷卻水泵 GST101PO 及GST201PO，均為臥式軸端進(jìn)水泵。泵設(shè)計(jì)流量為
發(fā)電機(jī)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一高位水箱，為系統(tǒng)提供一個(gè)壓力參考點(diǎn)。系統(tǒng)的連續(xù)排氣口分別取自兩臺(tái)板式冷卻器及系統(tǒng)主過濾器上方，三路管道均有一定流量的水持續(xù)排至高位水箱內(nèi)部，以排除系統(tǒng)內(nèi)部殘留的氣體。
國(guó)內(nèi)某核電 2 號(hào)機(jī)組調(diào)試啟動(dòng)期間，GST 系統(tǒng)多次發(fā)生備用泵聯(lián)啟事件。如 2013 年 11 月 14 日08:50 啟動(dòng) GST 系統(tǒng)，從 12:26 開始發(fā)生多次聯(lián)啟。11 月 28 日也發(fā)生多次聯(lián)啟，由于流量低于 100m³/h時(shí)間短于 5s，沒有造成跳機(jī)后果。冷卻水流量波動(dòng)曲線見圖 2。
圖 2 定子冷卻水流量波動(dòng)曲線
從圖 2 曲線看，每次備用泵聯(lián)啟前 GST002MD監(jiān)測(cè)的流量都存在一個(gè)明顯的波谷。經(jīng)過進(jìn)一步檢查排除流量計(jì)本身故障以及泵本身造成的流量波動(dòng)。由于定子冷卻水流量的測(cè)量是通過流量孔板的前后壓差來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)孔板前后壓差發(fā)生改變后，就會(huì)造成GST002MD 流 量 波 動(dòng)[2]。 在 問 題 出 現(xiàn) 后 ， 對(duì)GST002MD 儀表管線進(jìn)行排氣檢查，并在泵出口多次進(jìn)行排氣，泵聯(lián)啟現(xiàn)象得到改善，但偶然還會(huì)發(fā)生流量大幅波動(dòng)現(xiàn)象。其中每次排氣時(shí)取樣發(fā)現(xiàn)，排出的水呈乳白色，水中明顯含有大量細(xì)小的氣泡。
3、孔板流量計(jì)測(cè)量流量受水中含氣量影響的計(jì)算分析：
3.1、孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)及原理:
標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)有角接取壓、D 和 D/2 取壓和法蘭取壓等多種方式[4]，本文所研究的孔板流量計(jì)為角接取壓，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 3 所示。對(duì)于不可壓縮流體的水平管流動(dòng)，在忽略沿程摩擦阻力損失的情況下，根據(jù)流體流動(dòng)的伯努利方程(能量守恒)和連續(xù)性原理，可以得出管道中流體理論體積流量VQ 的計(jì)算公式。 
圖 3 角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖
實(shí)際上，對(duì)于不可壓縮流體，下游取壓口并非設(shè)置在面 s2處，而是在面 s3處?？紤]到在面 s1、s3上測(cè)取的平均流體壓力差?p 一定大于'?p ，故定義流出系數(shù) C 來修正上述公式，可得實(shí)際體積流量值的計(jì)算公式 
由以上公式可以看出，孔板測(cè)量流量與 ?P 呈正比關(guān)系，當(dāng)壓差變化時(shí)，流量就會(huì)跟隨產(chǎn)生變化。
3.2、數(shù)值模型的建立：
由于孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱的特點(diǎn)，運(yùn)用Gambit 直接建立標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)角接取壓時(shí)的二維軸對(duì)稱回旋結(jié)構(gòu)模型,縮短計(jì)算時(shí)間[6]。***終所得網(wǎng)格劃分模型如圖 4 所示。
圖 4 標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)網(wǎng)格劃分計(jì)算模型
為了研究不同含氣量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量的影響，在工況溫度為 288.16K，流量為 180m3/h 的情況下，對(duì)水中含氣量體積百分比從 0 到 5%的液態(tài)水，利用 Fluent 進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算和相關(guān)分析[7]。選擇mixture 混合模型，設(shè)置空氣為第二相，其中空氣的密度?=1.225kg/m3，粘度?=1.7894e-5kg/(m?s)。參考?jí)毫υO(shè)置在原點(diǎn)位置，大小為 101325Pa。計(jì)算結(jié)果如表 1 和圖 5 所示。
表 1 標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)在不同含氣量下的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果
含氣量 n/% p1/kPa p3/kPa Dr/kPa C
| 0 | 8.0499614 | -11.500498 | 19.5504594 | 0.619246551 |
| 0.5 | 8.009751 | -11.443041 | 19.452792 | 0.620799142 |
| 1 | 7.9695488 | -11.385609 | 19.3551578 | 0.622362937 |
| 1.5 | 7.9293462 | -11.328163 | 19.2575092 | 0.623938842 |
| 2 | 7.8891401 | -11.270725 | 19.1598651 | 0.625526707 |
| 2.5 | 7.8489331 | -11.213275 | 19.0622081 | 0.627126968 |
| 3 | 7.8087324 | -11.155839 | 18.9645714 | 0.628739237 |
| 3.5 | 7.7685298 | -11.098396 | 18.8669258 | 0.630364155 |
| 4 | 7.7283237 | -11.040956 | 18.7692797 | 0.632001744 |
| 4.5 | 7.6881196 | -10.983513 | 18.6716326 | 0.63365218 |
| 5 | 7.6479194 | -10.926067 | 18.5739864 | 0.635315598 |
由表 1 可知，標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的平均壓力值 p1隨水中含氣量的增加而減小，而平均壓力值 p3則相反，因此平均流體壓力差?p 隨水中含氣量的增加而減小，從而造成孔板測(cè)量的流量隨著含氣量的增加而變小。由圖 5 可知，?p 與含氣量基本上呈線性遞減關(guān)系。 
圖 5 含氣量與孔板流量計(jì)平均壓差關(guān)系
圖 7 孔板附近壓力分布圖 
圖 8 孔板附近速度分布圖
計(jì)算結(jié)果表明，冷卻水系統(tǒng)在處于含氣量變化的工況下，孔板流量計(jì)測(cè)量的壓差會(huì)隨著混入氣體量的增加而變小，從而導(dǎo)致測(cè)試流量較實(shí)際流量小。
4 、對(duì)問題的解決方案研究 ：
以上分析，孔板流量計(jì)測(cè)量的流量與系統(tǒng)含氣量的變化有很大關(guān)系。在正常運(yùn)行工況下，發(fā)電機(jī)定冷水系統(tǒng)含氣量很低，且含氣量不會(huì)有大的波動(dòng)。因此，在工程實(shí)際應(yīng)用上，可考慮減少含氣量的方法來減少系統(tǒng)的流量波動(dòng)，避免跳機(jī)的不良后果產(chǎn)生[8]。
4.1、對(duì)含氣體的來源分析：
4.1.1、發(fā)電機(jī)氫氣漏入系統(tǒng) ：
該發(fā)電機(jī)組調(diào)試期間，對(duì)定子線棒打壓試驗(yàn)，以及對(duì)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行氫氣泄漏率試驗(yàn)，并通過監(jiān)視高位水箱排氣流量計(jì) GST002QD 中氣體情況，結(jié)果表明，氫氣泄漏進(jìn)入定子冷水系統(tǒng)的可能性很小[9]。
發(fā)電機(jī)高位水箱正常液位為 40~80%，當(dāng)水箱進(jìn)水與排水造成的渦流時(shí)就可能會(huì)將水箱內(nèi)部氣體卷入回水管道，從而引起流量測(cè)量的變化。使用多普勒流量計(jì)測(cè)量高位水箱入口流量為 4 m3/h 左右，入口水管為 DN50 的管道，計(jì)算入口管道的流速大概為： v=q/s=(4/3600)/(3.14*0.025*0.025)=0.566 m/s 其 雷 諾 數(shù)Re=ρvd/μ=1000*0.566*0.05/0.001003=28215>2500 ，從而判斷入口管道處的水流為湍流狀態(tài)[10]，該速度的水流進(jìn)入高位水箱，可能形成漩渦造成氣體進(jìn)入系統(tǒng)中。
4.1.3、 初期系統(tǒng)補(bǔ)水引入：
系統(tǒng)內(nèi)部氣體的引入還有一個(gè)來源為系統(tǒng)內(nèi)部殘存氣體的析出，系統(tǒng)初期充水為常溫的核島除鹽水，隨著系統(tǒng)運(yùn)行，水溫逐漸升高,水的含氣量會(huì)隨著內(nèi)部溶解氣體的析出逐漸增大[11]。
V=V0*（S1?S2）=0.825 m
表 2 壓力 6bar 時(shí)溶解度表
由此可見系統(tǒng)啟動(dòng)初期，由于水溫上升會(huì)析出大量的氣體。
4.2、減少含氣量措施分析：
減少系統(tǒng)內(nèi)部的含氣量可以減少孔板流量計(jì)所測(cè)流量的波動(dòng)。以防城港核電項(xiàng)目為參考，由于其定子線棒是銅線棒，對(duì)水質(zhì)的含氧量有嚴(yán)格要求[12]，
方案二：系統(tǒng)啟動(dòng)初期充水排氣：
前期充水的過程中，要嚴(yán)格按照在線程序，通過啟動(dòng)密封油系統(tǒng)真空泵排除系統(tǒng)內(nèi)部的殘存氣體，盡量減少系統(tǒng)的初始含氣量，抽真空過程中，要調(diào)節(jié)真空油泵的入口壓力調(diào)節(jié)閥，保證高位水箱的真空度[13]。
如果補(bǔ)水溫度很低，水中會(huì)溶解大量氣體，在系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行過程中隨著水溫升高氣體會(huì)逐漸析出，系統(tǒng)正常運(yùn)行是通過熱交換器上部?jī)蓚€(gè)排氣管及主過濾器的排氣管進(jìn)行連續(xù)排氣，由于連續(xù)排氣管設(shè)計(jì)流量有限，難以短時(shí)間排出大量積存的氣體，就會(huì)造成系統(tǒng)內(nèi)部氣體的聚集。所以系統(tǒng)在線完成后，應(yīng)及時(shí)投運(yùn)加熱器，提高水溫至系統(tǒng)額定溫度 44.5℃，然后持續(xù)通過泵出口及冷卻器的排氣閥手動(dòng)排氣來達(dá)到減少系統(tǒng)含氣量的目的。
方案三：消氣過濾器：
通過在孔板流量計(jì)前加裝消氣過濾器，可以有效去除設(shè)備內(nèi)部混入的氣體[14]，由于系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)水是閉式循環(huán)的，期間含氣量不會(huì)大幅波動(dòng)和上漲，考慮消氣過濾器投運(yùn)與電加熱器都是在系統(tǒng)投運(yùn)初期階段使用，可以把消氣過濾器設(shè)置在電加熱器下游，如圖 9 所示。 
圖 9 消氣過濾器安裝示意圖
方案四：控制發(fā)電機(jī)高位水箱內(nèi)部漩渦：
4.3、方案選擇與實(shí)施效果：
針對(duì)該核電 2 號(hào)機(jī)流量波動(dòng)的現(xiàn)象，根據(jù)上述方案的實(shí)施難度，優(yōu)先選擇方案二與方案四，共落實(shí)如下行動(dòng)：
（1）系統(tǒng)補(bǔ)水時(shí)，利用發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)的真空泵對(duì)系統(tǒng)抽真空補(bǔ)水，減少初期系統(tǒng)殘留的氣體；
（2）系統(tǒng)啟動(dòng)前，適當(dāng)提高高位水箱水位至65%左右，減少可能由于漩渦引入的氣體；
（3）運(yùn)行初期，定期通過泵出口排氣閥檢查水中含氣量，并通過泵出口與冷卻器上的排氣閥手動(dòng)排氣；
（4）降低發(fā)電機(jī)頂部高位水箱內(nèi)部氣體的壓力，以利于冷卻器和主過濾器上連續(xù)排氣管道中的氣體排出。
5、 結(jié)語(yǔ) ：
發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)啟動(dòng)初期，由于水溫上升水中溶解的氣體析出，以及補(bǔ)水過程排氣不充分，系統(tǒng)內(nèi)部水中會(huì)混合大量氣體，氣體與水混合不均勻時(shí)，會(huì)加劇孔板流量計(jì)測(cè)量流量的波動(dòng)，本文通過系統(tǒng)啟動(dòng)初期的人為干預(yù)，在充水過程使用抽真空上水，適當(dāng)提高高位水箱液位并減小水箱壓力，定期手動(dòng)排氣的方式，減少系統(tǒng)內(nèi)部的含氣量，使系統(tǒng)運(yùn)行過程中的流量維持在一個(gè)穩(wěn)定的工況。解決了機(jī)組調(diào)試期間出現(xiàn)的問題。