主泵3號(hào)密封泄漏流流量計(jì)研發(fā)

湯建秋，歐衛(wèi)兵，趙 旸，潘偉華，曹 晶

（秦山核電有限公司，浙江 海鹽 314300）

1 核電站主泵3號(hào)密封泄漏流流量計(jì)概況

主泵是核電站的關(guān)鍵設(shè)備，監(jiān)測主泵軸封水的流量是監(jiān)視主泵運(yùn)行的重要參數(shù)之一。主泵3號(hào)密封泄漏流的正常值應(yīng)在每小時(shí)數(shù)百毫升至數(shù)升之間，若流量值過大則說明密封已磨損或損壞；若流量值過小則可能是軸密封過緊，這樣會(huì)加快密封磨損。由于設(shè)備正常運(yùn)行期間這一泄漏值很小，且介質(zhì)是帶有放射性易產(chǎn)生硼結(jié)晶的含硼除

2 流量測量系統(tǒng)的硬件組成

測量系統(tǒng)主要組成：測量小桶、磁致伸縮液位傳感器、PLC控制器、人機(jī)交互界面、電磁閥、顯示及報(bào)警單元。

2.1 測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

流量測量系統(tǒng)采用PLC作為控制器的核心，PLC采集測量小桶的液位數(shù)據(jù)，進(jìn)行電磁閥控制、瞬時(shí)流量計(jì)算、累積流量計(jì)算、報(bào)警輸出等；采用工控機(jī)作為控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。測量系統(tǒng)總體框圖見圖1。

2.2 測量小桶

測量小桶是用來收集主泵3號(hào)密封泄漏流的。采用內(nèi)徑100 mm的不銹鋼圓桶，泄漏流通過引流管從桶底部進(jìn)入測量小桶內(nèi)，這樣能有效抑制泄漏流引起的桶內(nèi)液位波動(dòng)。液位傳感器安裝于桶的頂部。桶的側(cè)面開設(shè)溢流孔，使得當(dāng)出口電磁閥故障或控制器失靈時(shí)，泄漏流能通過溢流孔排出。

2.3 液位傳感器

液位傳感器采用磁致伸縮液位計(jì)，該液位計(jì)是一種非常適合于高精度測量要求的智能型現(xiàn)場儀表，測量范圍可在探桿長度范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，采用二線制，輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號(hào)，其測量精度優(yōu)于±0.25 mm。該傳感器響應(yīng)速度塊、防爆、安裝簡單（螺紋連接或法蘭連接），運(yùn)行可靠。

磁致伸縮液位計(jì)的主要測量原理：如圖2所示，在磁致桿內(nèi)部有一根緊繃的磁致伸縮線（1），電子模塊（2）向磁致伸縮線上發(fā)射脈沖信號(hào)并且通過磁致伸縮線傳送，在周圍產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場（3），磁致桿中或者附近的浮子內(nèi)有一塊永久磁鐵（4），當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場到達(dá)浮子時(shí)，與浮子的永久磁場相互作用。其結(jié)果導(dǎo)致磁致伸縮線將產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的扭力（5），同時(shí)產(chǎn)生返回脈沖，該脈沖沿磁致伸縮線向兩端傳送。脈沖傳播的速度為一個(gè)恒定值，因此通過計(jì)算起始脈沖與返回脈沖之間的時(shí)間差就可以精確地計(jì)算出被測液體的液位或界位。

2.4 電磁閥

電磁閥的選型參考了原用電磁閥和測量小桶排液實(shí)際要求，采用220 VAC型電磁閥，通徑為1英寸。電磁閥的要求如下：流體溫度為常溫；壓力為0～16 bar；閥體材質(zhì)為不銹鋼；內(nèi)件材質(zhì)為不銹鋼；電壓為220 VAC。

2.5 PLC控制器

流量測量系統(tǒng)采用研華PLC作為控制器的核心。主泵3號(hào)密封泄漏流的測量，根據(jù)輸入輸出信號(hào)的類型和數(shù)量以及備用的需求，采用了4個(gè)模塊，分別是模擬量輸入模塊、繼電器輸出模塊、通用數(shù)字量I/O模塊、高速模擬量輸入模塊。

2.6 工控機(jī)

工控機(jī)主要用來作人機(jī)交互界面的。通過工控機(jī)可方便地進(jìn)行系統(tǒng)的組態(tài)、調(diào)試、參數(shù)修改、故障診斷、系統(tǒng)維護(hù)或優(yōu)化等。運(yùn)行期間，可作為3號(hào)密封泄漏流的監(jiān)視，并能記錄報(bào)警狀態(tài)，提供報(bào)警及流量的數(shù)據(jù)的歷史趨勢查詢。

3 系統(tǒng)的軟件

控制軟件采集測量小桶內(nèi)的液位信號(hào)，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)測量小桶液位的變化，即泄漏流量，以4～20 mA電流形式輸出到流量指示儀或記錄儀。當(dāng)泄漏流量高于設(shè)定值時(shí)，控制軟件輸出觸點(diǎn)信號(hào)驅(qū)動(dòng)高流量報(bào)警動(dòng)作。當(dāng)控制軟件檢測到測量小桶內(nèi)的液位高于高液位設(shè)定值時(shí)，輸出24 VDC電壓信號(hào)，控制繼電器動(dòng)作打開電磁閥進(jìn)行排液；當(dāng)電磁閥打開7 s（可調(diào)整）后，如果檢測到測量小桶內(nèi)的液位仍未下降，則判斷為電磁閥故障，輸出報(bào)警；當(dāng)液位下降到低液位設(shè)定值時(shí)，控制電磁閥關(guān)閉，確保測量小桶內(nèi)的液位保持在傳感器的監(jiān)測范圍之內(nèi)，以便于流量的計(jì)算。

控制軟件增加了日累積流量計(jì)算功能，可將24 h內(nèi)累積流量以4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送往指示或者記錄儀?？刂栖浖軌蛎刻於〞r(shí)自動(dòng)清零日累積流量。

3.1 算法原理

對(duì)于雙向流動(dòng)的罐體（見圖3）而言，其液位變化與流入流量及排除流量有關(guān)，其函數(shù)關(guān)系如下：

圖3 測量原理圖Fig.3 Measurement principle schematic

其中，A為液罐的截面積；

a（t）為電磁閥的有效通徑。

根據(jù)上式推導(dǎo)出：

由于電磁閥在開閉時(shí)有效通徑分別為a和0,因此實(shí)際流量公式為:

當(dāng)電磁閥關(guān)閉時(shí):

當(dāng)電磁閥打開時(shí):

3.2 軟件流程

控制軟件具備以下功能：（1）數(shù)字濾波功能；（2）判斷瞬時(shí)流量高低，自動(dòng)轉(zhuǎn)換采樣周期；（3）根據(jù)測量小桶內(nèi)液位，開啟或關(guān)閉電磁閥；（4）流量高報(bào)警；（5）系統(tǒng)故障報(bào)警。軟件流程圖如4所示。

編程軟件采用Advantech Multiprog V3.34。編程軟件可以根據(jù)用戶自己的需要選擇其他軟件，只要能滿足工藝PC運(yùn)算性能和PLC耐用性能的控制任務(wù)，按IEC61131-3的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，為用戶提供高效的圖形化編程環(huán)境，包含用戶需要的編輯器即可。

3.3 人機(jī)界面

利用工控機(jī)可進(jìn)行人機(jī)界面組態(tài)，本項(xiàng)目中設(shè)置了運(yùn)行界面、報(bào)警列表、趨勢記錄、參數(shù)設(shè)定等畫面。其中，流量顯示包括瞬時(shí)流量、累積流量、測量容器液位、流量報(bào)警等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示；參數(shù)設(shè)定畫面用于對(duì)程序計(jì)算中的參數(shù)進(jìn)行修改，便于流量測量裝置的調(diào)試；趨勢記錄可以根據(jù)選取的時(shí)間顯示趨勢曲線；報(bào)警列表可記錄系統(tǒng)觸發(fā)的報(bào)警，用于故障查詢。各組態(tài)畫面如圖5所示。

3.4 數(shù)值處理

因流量測量的量程范圍很寬（0～100 L/h），而其正常運(yùn)行時(shí)流量小于5 L/h。在如此大量程范圍內(nèi)既要保證低流量時(shí)流量測量的穩(wěn)定性，又要保證大流量時(shí)的精度，因此對(duì)數(shù)據(jù)處理裝置有如下要求：（1）高采樣分辨率；數(shù)據(jù)處理裝置的采樣分辨率至少比液位計(jì)的分辨率高3到5倍，液位計(jì)的分辨率在0.1 mm，為量程的0.33%，則數(shù)據(jù)處理裝置的采樣分辨率至少在0.1%以上；（2）對(duì)采樣的液位信號(hào)做相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，在低流量時(shí)液位變化速率小于1 cm/min，變化非常緩慢，為除去液位測量的噪聲對(duì)流量計(jì)算的影響，必須對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行濾波處理；（3）為保證低流量測量時(shí)的穩(wěn)定性以及高流量測量的精度，計(jì)算流量時(shí)的采樣時(shí)間需根據(jù)液位變化速率的改變而隨之改變，在液位變化緩慢時(shí)，采樣時(shí)間應(yīng)較長，反之液位變化較快時(shí)，采樣時(shí)間應(yīng)較短。

因軟件函數(shù)庫內(nèi)只有簡單算術(shù)運(yùn)算模塊，因此，需要對(duì)計(jì)算流程中的高級(jí)計(jì)算方式進(jìn)行簡化處理，主要涉及計(jì)算方式有：

（1）數(shù)值均值處理

液位測量信號(hào)是流量計(jì)算的信號(hào)來源，但由于實(shí)際測量中不可避免地引入噪聲干擾，造成流量計(jì)算值波動(dòng)很大，且不能真實(shí)地反映流量趨勢，因此采樣的液位信號(hào)首先要進(jìn)行均值化處理，可以有效地濾除大部分噪聲干擾。

其中， 為n次采樣的平均值； 為單次采樣值； 為采樣次數(shù)。

（2）信號(hào)濾波處理

根據(jù)濾波效果和濾波的響應(yīng)時(shí)間，在調(diào)試中試用了不同的濾波方式，最終確定采用了以下兩種不同的濾波方式，即加權(quán)移位平均濾波和低通濾波。

轉(zhuǎn)換為算術(shù)運(yùn)算為：

泄漏流瞬時(shí)流量的計(jì)算，根據(jù)流量大小，分別采用了兩種濾波方式：當(dāng)流量比較大時(shí)（比如大于5 L/h），采用加權(quán)移位平均濾波方式，選用合適的k值，能使瞬時(shí)流量的計(jì)算響應(yīng)快且波動(dòng)??；當(dāng)流量比較小時(shí)（比如小于3 L/h），采用低通濾波方式，能比較有效地濾除干擾信號(hào)，使測量值穩(wěn)定，見圖6、圖7。

4 系統(tǒng)功能及測量精度驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本裝置測量的精度，需要一個(gè)流量大小可調(diào)的、實(shí)際流量值可知的、具有較高精度的穩(wěn)定流量源，且其介質(zhì)為水（比如自來水）。能滿足這樣要求的穩(wěn)流源現(xiàn)成的裝置是比較難以找到的。如圖8所示，這是一個(gè)能夠產(chǎn)生穩(wěn)定流量且流量值能夠精確計(jì)算的簡易裝置。

產(chǎn)生穩(wěn)定流量的原理如下：利用兩級(jí)虹吸原理，可以產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的水壓頭（調(diào)節(jié)V1、V2閥門開度可使處于第二級(jí)虹吸的燒杯始終保持滿杯）以此作為流量的動(dòng)力源，在穩(wěn)定壓頭作用下，在同一排放管路內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的流量。穩(wěn)定流量的具體流量值（平均值），則通過體積法計(jì)算出來。采用秒表計(jì)時(shí)，精密量杯測量單位時(shí)間內(nèi)流出體積。穩(wěn)定流量平均值計(jì)算如下： 初始時(shí)間：0 s，初始體積：0 mL；終止時(shí)間：t（s）；終止體積：Q（mL）；則流量計(jì)算為：F＝Q/t（mL/s）。

以F作為穩(wěn)定流量的標(biāo)準(zhǔn)值，本裝置測量的流量值f與F相比較，計(jì)算本裝置的測量誤差。由于f不可避免地有小幅度波動(dòng)，所以，在選取f時(shí)，采用了在單位時(shí)間內(nèi)（2 min）讀取多個(gè)f值，然后計(jì)算平均值。經(jīng)多次測量計(jì)算：此系統(tǒng)在小流量測量時(shí)精度為：0.11%，大流量測量時(shí)精度為0.09%，完全滿足系統(tǒng)需求。

該系統(tǒng)的自動(dòng)排液、高流量報(bào)警、系統(tǒng)故障報(bào)警、趨勢記錄、報(bào)警記錄等功能均正常。

5 結(jié)束語

目前測量儀器儀表市場上對(duì)流量測量比較成熟的方式主要有：差壓式流量測量方式、超聲波式流量測量方式、電磁式測量、量熱式測量等，但這些流量測量方式對(duì)測量范圍、前后差壓、流體流動(dòng)系數(shù)、介質(zhì)等有一定的要求，尤其是無法做到微流量測量。本裝置通過容積式流量測量方法解決了上述問題：

（1）微流量測量；通過本裝置可以測量到1 L/h的流量，而對(duì)流動(dòng)系數(shù)、介質(zhì)沒有特別的要求。

（2）寬量程流量測量；本裝置測量的量程范圍可達(dá)1 000倍以上，而且針對(duì)流量的大小改變計(jì)算周期，這樣既可保證微流量測量的穩(wěn)定性，也可以提高大流量測量的響應(yīng)時(shí)間。

容積式流量測量系統(tǒng)的組成簡單，安裝方便，測量小桶和磁致伸縮液位傳感器能夠適應(yīng)苛刻的環(huán)境，PLC控制器、人機(jī)交互界面、顯示及報(bào)警單元的實(shí)現(xiàn)簡單。而且該流量測量系統(tǒng)能夠監(jiān)測的范圍從0.1至數(shù)百升每小時(shí)，測量范圍寬，精度高。這些特點(diǎn)，使得該測量系統(tǒng)在非確定性或非連續(xù)性流量測量方面，具有很強(qiáng)的適用性。比如，只要稍作改動(dòng)，即可用來監(jiān)測閥門的外漏情況；還可以用來監(jiān)測非連續(xù)性的流量，比如疏水器的疏水流量。