核電站差壓流量計(jì)的誤差來源和控制策略
核電站的孔板差壓式流量計(jì)廣泛應(yīng)用, 但在核電站冷試期間運(yùn)行的系統(tǒng)中, 多次出現(xiàn)流量變送器的波動情況。論文結(jié)合實(shí)際對冷試期間出現(xiàn)的差壓變送器的波動情況, 從儀表安裝規(guī)范和實(shí)際案例中, 分析差壓流量計(jì)波動的誤差來源和控制策略。
1、引言：
核電機(jī)組機(jī)冷試期間, 先后多次出現(xiàn)差壓式流量變送器的示值波動, 現(xiàn)在從儀表特性、安裝、參數(shù)設(shè)置等方面來對此問題進(jìn)行分析。
2、差壓變送器的安裝規(guī)范：
差壓變送器對流體特性、儀表安裝位置、取樣管線等方面要求較多, 主要是如下幾點(diǎn):
2.1、對流體和流動狀態(tài)的要求：
壓縮流體和不可壓縮流體均可測量, 但必須是均勻單相流體;流體要充滿管道, 管道流量應(yīng)隨時(shí)間推移基本維持不變。
2.2、管道條件：
安裝時(shí)要求節(jié)流件的上下游需要有一定長度的直管段 (一般要求上游側(cè)>10D, 下游側(cè)>5D) ;節(jié)流件安裝在管道中應(yīng)保證與管道的同心度滿足要求。
2.3、對于不同流體, 管道取樣點(diǎn)位置的區(qū)別：
液體測量:測量液體流量時(shí), 為防止渣滓的沉淀, 取壓口應(yīng)取在被測管道的側(cè)面。同時(shí)變送器需要安裝在取壓口以下, 以免氣泡在引壓管線內(nèi)聚集造成測量波動, 且取樣管道朝儀表側(cè)需保持一定的傾斜角度, 以防止取樣管內(nèi)的氣體聚集, 影響測量值。
氣體測量:測量氣體流量時(shí), 取壓口應(yīng)開在流程管道的頂部或側(cè)面。變送器應(yīng)安裝在流程管道以上高度, 以便積聚的液體流入流程管道。
蒸汽測量:測量蒸汽流量時(shí), 取壓口應(yīng)開在流程管道的側(cè)面, 并且變送器安裝在取壓口的下面, 以便冷聚液能充滿在導(dǎo)壓管里。被測介質(zhì)為蒸汽時(shí), 導(dǎo)壓管中要充滿水, 以防止蒸汽直接和變送器接觸, 這樣變送器工作時(shí), 其容積變化量是很微不足道的, 不需要安裝冷凝罐。
2.4、對孔板的要求：
孔板入口直角銳利度合格, 管徑尺寸與計(jì)算正確, 孔板厚度誤差合格, 節(jié)流件附件不能產(chǎn)生臺階、偏心, 孔板上游端面平度合格, 環(huán)室尺寸不能產(chǎn)生臺階、偏心, 取壓位置的焊縫不能突出, 取壓孔加工規(guī)范等等。
2.5、抑制脈動流常用的措施：
當(dāng)管道中流體流速和壓力發(fā)生突然變化時(shí), 容易造成脈動流, 它能引起差壓的波動, 當(dāng)發(fā)生脈動現(xiàn)象時(shí), 會產(chǎn)生計(jì)量誤差。抑制脈動流常用的措施有: (1) 在滿足計(jì)量能力的條件下, 應(yīng)選擇內(nèi)徑較小的測量管, 為提高差壓和孔徑比; (2) 采用短引壓管線, 減少管線中的阻力件, 并使上下游管線長度相等, 減少系統(tǒng)中產(chǎn)生諧振和壓力脈動振幅增加。
3、流量波動、誤差分析：
核電站中非核級差壓變送器主要使用的是ROSEMOUNT生產(chǎn)的3051CD型差壓變送器, 核級差壓變送器主要使用的是1151~1154型差壓變送器。
下面對產(chǎn)生誤差的原因逐一分析:
3.1、被測介質(zhì)實(shí)際物理性質(zhì)的不確定度因素：
(1) 標(biāo)準(zhǔn)中要求管道內(nèi)的流體應(yīng)為單相的牛頓流體, 若含有一定比例的懸浮粒雜質(zhì)則為非牛頓流體, 非牛頓流體會影響可膨脹性系數(shù)ε, 牛頓流體中的雜質(zhì)越多, 流量測量的不確定度會增加, 而孔板流量計(jì)的計(jì)算公式中ε為恒1, 故而流量測量的誤差會偏大。 (2) 流體相對密度的影響:密度參數(shù)是測量中非常重要的參數(shù), 密度測量的不確定度直接影響整個測量系統(tǒng)的不確定度, 由于壓力、溫度的波動, 流體相對密度并不是一個固定值。因此其流量測量會出現(xiàn)一定程度的誤差。
3.2、測量中重要設(shè)備的不確定度因素：
該項(xiàng)不確定度因素主要體現(xiàn)在孔板β比選擇方面, 還包括二次儀表的不確定度。
3.3、阻尼系數(shù)不合適：
由于阻尼系數(shù)為廠家設(shè)定, 在調(diào)試前期僅會對其進(jìn)行校驗(yàn), 不會修改內(nèi)部參數(shù)。ROSEMOUNT說明書中對降低噪聲的方法為:輸出阻尼和用于表壓測量的參考側(cè)濾波。阻尼時(shí)間在出廠時(shí)設(shè)定為3.2s, 如果變送器輸出仍有噪音, 增加阻尼時(shí)間, 如果需要快速響應(yīng), 需減少阻尼時(shí)間。還有另外一種降低噪音的方法是在變送器的參考側(cè)附加一段小管作為壓力緩沖器。因此本次冷試期間, 阻尼系數(shù)不合適就可能是示值波動的原因, 故可以嘗試從增加阻尼系數(shù)修改方面來驗(yàn)證。
3.4、供電電壓波動：
ROSEMOUNT說明書對電源要求進(jìn)行了說明, 要求用直流電源供電時(shí), 紋波應(yīng)小于2%, 即電源波動范圍應(yīng)小于0.48VDC。RRI這三塊表為雙線制, 供電為安全級DCS的卡件, 對儀表的電壓進(jìn)行測量, 其電壓值穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi), 故該項(xiàng)可排除。
3.5、管道污物堵塞：
由于液體的取樣管線一般安裝在流體管道的側(cè)面, 因此常有雜質(zhì)沉淀在取樣管線中, 充水排氣后, 大直徑的顆粒沉積依然無法完全排盡, 這對儀表波動同樣有影響。
3.6、取樣點(diǎn)前后直管段長度：
差壓式流量計(jì)對取樣點(diǎn)前后直管段長度有嚴(yán)格的要求, 節(jié)流件應(yīng)安裝在兩段有恒定橫截面積的圓筒形直管段之間, ***短直管段長度與節(jié)流件形式, 阻流件形式和直徑比有關(guān), 一般來說前后直管段的長度分別為>10D和>5D。
3.7、引壓管線的影響：
引壓管應(yīng)根據(jù)被測流體的性質(zhì), 選用相應(yīng)的材料制造, 其內(nèi)徑需大于6mm, 長度在16m以內(nèi);引壓管應(yīng)垂直或傾斜敷設(shè), 其傾斜度需大于1:12, 黏度較高的流體, 其傾斜度還需增大。為了避免差壓信號失真, 正負(fù)壓導(dǎo)引管內(nèi)應(yīng)將氣體排空。嚴(yán)寒地區(qū)的引壓管線應(yīng)做好防凍措施。
3.8、節(jié)流件同軸度安裝偏差：
節(jié)流裝置在工藝管線上安裝時(shí), 應(yīng)注意上下游直管段與工藝管道的同軸度。產(chǎn)品加工中要確保下列要求:
當(dāng)節(jié)流件的軸線與上、下游側(cè)管道軸線之間距離ex滿足下式時(shí)流出系數(shù)C無附加不確定度。
如上式不能滿足, 而滿足下式時(shí), 流出系數(shù)C的不確定度應(yīng)算術(shù)相加0.3%。
根據(jù)現(xiàn)場的儀表安裝參數(shù), 直徑比β=0.45, 管道內(nèi)徑為D=82.54mm, 計(jì)算可得流出系數(shù)C在無附加不確定的情況下應(yīng)ex<1mm, 在附加0.3%不確定的情況下應(yīng)1mm<ex<2mm。現(xiàn)場節(jié)流件的實(shí)際安裝同軸度可能存在該問題。
4、控制誤差提高計(jì)量準(zhǔn)確度的方法：
因?yàn)榱髁繙y量計(jì)算的不確定度是在其他影響因素都不存在附加誤差的情況下計(jì)算得到的, 但是使用中由于各種原因會帶來一定的附加誤差, 這是需要消除的。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況, 提出以下控制方法及建議。
4.1、孔板節(jié)流裝置必須滿足標(biāo)準(zhǔn)要求：
孔板節(jié)流裝置在使用前的安裝中應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和安裝, 應(yīng)根據(jù)孔板前阻力件形式配有足夠長度的直管段。
4.2、流體中存在脈動流的改善措施：
核電站中使用的除鹽水一般能達(dá)到牛頓流體, 但在流量測量中有多種原因會使得流體脈動, 可以采取以下措施減小脈動流的影響。 (1) 在滿足計(jì)量能力的條件下, 應(yīng)盡量選擇內(nèi)徑較小的測量管, 以保證系統(tǒng)在較高的雷諾數(shù)下運(yùn)行。 (2) 減小引壓管線長度, 盡量減少引壓管線系統(tǒng)中的阻力件, 并使上下游管線長度相等, 以減小諧振和壓力脈動振幅。 (3) 減少流體中的雜質(zhì), 使流體保持均勻的單相牛頓流體。
4.3、加強(qiáng)計(jì)量管理, 建立健全各項(xiàng)規(guī)章制度：
在孔板流量計(jì)日常使用過程中, 要確保準(zhǔn)確的計(jì)量, 還應(yīng)至少每月一次清洗檢測孔板、檢查儀表零點(diǎn)、儀表D/A轉(zhuǎn)換通道、核對流量計(jì)算程序, 對有坑蝕及劃痕的孔板應(yīng)及時(shí)更換, 同時(shí)還配備孔板綜合測試儀定期對孔板進(jìn)行幾何尺寸檢定。