熱式質量流量計在AP1000中的應用

摘要：三門核電的AP1000項目采用了熱式質量流量計對暖通系統的部分氣體質量流量參數進行測量，這在國內的核電站尚屬首次。文章對比分析了熱式質量流量計和差壓式氣體流量計的優缺點，并介紹了熱式質量流量計在AP1000核電站中的應用。

關鍵詞：熱式質量流量計；差壓式質量流量計；AP1000；氣體質量測量

中圖分類號：TH814 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）15-0035-03

氣體流量作為核電站暖通系統的重要測量參數，其測量結果直接影響到整個系統的運行質量。目前國內核電站的暖通系統使用的氣體流量計以差壓式流量計為主。隨著工藝系統的發展，對流量測量的準確度和穩定性的要求越來越高，流量測量技術的發展也日新月異，各種新型流量計相繼問世。熱式氣體質量流量計是氣體質量流量測量領域逐漸興起的一種新型流量計。采用美國西屋公司開發的第三代壓水堆核電技術（AP1000）的三門核電站在國內的核電站中首次使用熱式質量流量計對氣體的質量流量進行測量。

1 國內核電站氣體流量測量現狀

國內核電站的氣體流量測量目前以均速皮托管、轉子流量計等節流式差壓式流量計為主，有些項目也使用了渦街流量計、靶式流量計等新型流量計對暖通系統的氣體流量進行測量。

1.1 節流式差壓式流量計

節流式差壓式流量計是根據安裝于管道中流量檢測件產生的差壓、已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來測量流量的儀表。節流式差壓式流量計由檢測件和差壓轉換和流量顯示儀表組成。通常以檢測件的型式對節流式差壓式流量計分類，如孔板流量計、文丘里管流量計及均速皮托管流量計等。

節流式差壓流量計的優點是：其標準孔板結構易于復制，簡單牢固，性能穩定可靠，使用壽命長，對振動不敏感，抗干擾能力強。其缺點是：測量精度不高，壓損大，量程比低，對現場安裝條件的要求較高。節流裝置與差壓顯示儀表之間的引壓管線易產生泄露、堵塞及凍結，從而造成信號失真。

1.2 渦街流量計

渦街流量計是根據卡門（Karman）渦街原理研究生產的：當穩定的流體流經有一定長度的直管道時，撞擊沉浸在流體中的非線性柱體，在流體的下游會產生漩渦。當流體的雷諾數在一定的范圍內時，卡門漩渦的釋放頻率與流體的速度成正比。所以檢測出卡門漩渦的釋放頻率就可求得流速，并由流速求得體積流量。

相比節流式差壓式流量計，渦街流量計無需導壓管和三閥組等，可減少泄露、堵塞和凍結等故障。其精確度較高，可達到±1%滿量程。壓損小，約為節流式差壓流量計的1/3，量程比可達20∶1。但渦街流量計對管道機械振動較敏感，不宜用于強振動場所。由于其測量原理，渦街流量計對管道直管段的長度要求較高，且管道的口徑越大，渦街流量計的分辨率越低，因此不適用于大口徑管道。且受壓力脈動或流量脈動影響較大，不適用于脈動流體的測量。

1.3 靶式流量計

靶式流量計屬于差壓式流量計的一種，其主要原理如下：當介質在測量管中流動時，因其自身的動能與靶板產生壓差，而產生對靶板的作用力，使靶板產生位移，其作用力的大小與介質流速的平方成正比，靶板所受的作用力經靶桿傳遞，使傳感器的彈性體產生變化，從而將位移轉換為傳感器對應的電壓信號，而流量則與電壓的平方成正比。

靶式流量計的精度高于節流式差壓流量計，能測量微小流量，且壓力損失較低，約為標準孔板流量計的一半。但其易出現零點漂移、滿度不準、靶片松動、內部部件松動等故障，不適用于大流量測量。

2 熱式質量流量計

2.1 熱式質量流量計原理

熱式質量流量計可以直接測量氣體的質量流量。它的基本原理是利用外部熱源對流體加熱，測量因流體流動造成的溫度場變化來獲得質量流量，溫度場的變化用加熱器前后端的溫差來表示，被測流體的質量Qm與加熱器前后端溫差Δt之間的關系如下：

Qm=P/（JCpΔt） （1）

式中：

P—加熱器的功率

J—熱工當量

Cp—被測流體的定壓比熱

Δt—加熱器前后端的溫度

按其測量原理，熱式質量流量計又可分為恒功率法和恒溫差法兩種質量流量計。由上式可知，若采用恒定功率法，則溫差Δt與質量流量Qm成反比，測得溫差Δt即可求得Qm；如果采用恒定溫差法，則加熱器輸入功率P與質量流量成正比，測得加熱器輸入功率P則可求得Qm值。

2.2 熱式質量流量計特點

相比差壓式流量計，熱式質量流量計有以下特點：

（1）量程比高：一般可達為100∶1；

（2）無活動部件，無分流管的熱式流量儀表無阻流件，壓力損失很小；帶分流管的熱式質量流量計，雖測量管道中有阻流件，但壓力損失也遠小于差壓式流量計，可以忽略不計。

（3）使用性能相對可靠，其不需要壓力傳感器和計算單元，僅有流量傳感器，結構簡單，出現故障概率小。

（4）精度高，以Delta M的TM6000系列為例，其氣體的測量精度最高可達±0.02%滿量程。

（5）只需一個測量點，可以同時測得質量流量、溫度、壓力三個參數。

（6）與差壓式流量計相比，價格昂貴，響應速度較慢。

（7）對于被測量氣體成分變化較大的場所，由于比熱容值和熱導率的變化，熱式質量流量計的測量值會出現較大變化而產生誤差。

2.3 兩種熱式質量流量計比較

（1）與恒功率法熱式質量流量計相比，恒溫差法熱式質量流量計的最大優點是響應時間快。因為恒功率法熱式質量流量計測量值是從實際溫度變化獲得，測量管質量和檢測元件質量的熱慣性會降低響應速度；恒溫差法熱式質量流量計的溫度分布沒有變化，不受檢測元件質量的熱慣性影響。

（2）恒功率法熱式質量流量計的最大可測量流量較大。而對于恒溫差法熱式質量流量計，對于大流量工況，它要求對被加熱電阻的能量快速加大才能保證恒定的溫差。但是由于能量的增大受到電源本身功率的影響以及被加熱的鉑電阻最大允許電流的影響，其最大測量值受到限制。

（3）恒功率法熱式質量流量計不容易受到臟濕介質的影響。恒溫差法熱式質量流量計為了使其對溫度快速響應和保持恒定的溫差，一般鉑電阻做得比較細，這樣對于臟濕介質測量時，其附著物對加熱鉑電阻的散熱會產生較大的影響，嚴重時將使其測量精度大大降低。

（4）恒溫差法熱式質量流量計適合測量低流速小管徑的微小流量；恒功率法熱式質量流量計更適合大管徑的中高流量測量。

3 熱式質量流量計在AP1000中的應用

AP1000需要測量氣體流量的系統主要有壓縮空氣和儀表空氣系統、主控室應急可居留系統、放射性廢氣系統、安全殼空氣過濾系統及各廠房的暖通系統。不同的系統的氣體流量、工況不一樣，對氣體流量計的要求也不一樣。傳統的差壓式流量計已經難以滿足AP1000對氣體流量測量的所有要求。

（1）小流量工況：比如AP1000的放射性廢氣處理系統的氣體流量較低，設計要求為0～2.55nm?/h，正常運行期間的氣體流量僅0.99nm?/h。差壓式流量計在這么小的流量工況下，其精度無法滿足要求。綜合上述各流量計的特點，三門核電站選用了DeltaM公司基于等比恒溫差法原理的TM6000系列熱式質量流量計對放射性廢氣處理系統、壓縮空氣和儀表空氣系統、主控室應急可居留系統的氣體流量參數進行測量。TM6000系列熱式質量流量計的響應時間小于0.5s，對于氣體的測量精度可達讀數的±1%，滿量程的±0.02%，能夠很好地滿足設計求。

（2）精度要求高、響應時間要求不高的大流量工況：AP1000附屬輔助廠房非放射性通風系統的氣體流量設計要求為0～10831nm?/h，精度要求為±2%，但對響應時間要求不高。在這樣的大流量工況下，差壓式流量計的精度難以滿足要求，而恒溫差式的熱式質量流量計不適合如此大的流量測量，因此三門核電站選用了FCI公司基于恒功率原理的ST系列熱式質量流量計。ST系列恒功率熱式質量流量計可以用于大流量的高精度測量，其測量工作溫度范圍為-40℃～454℃，精度為±0.75%，FCI的MT系列熱式質量流量計量程可以達到169901nm3/h，能滿足AP1000的安全殼再循環冷卻系統的大流量要求。由于熱式質量流量計的量程比可達100∶1，因此同一型號的熱式質量流量計還可以滿足多種型號的需要，比如AP1000附屬輔助廠房非放射性通風系統的氣體流量的設計要求有0～3398nm3/h，0～10831nm3/h，0～4757nm3/h，0～11681nm3/h四種量程，而ST102A一款熱式質量流量計就能滿足這四種量程的要求。這就減少了備件的庫存，也便于今后的備件管理和設備維護。

（3）對于AP1000的核島保健物理和熱檢修車間、放射性控制區、廢物廠房等區域的暖通系統及安全殼空氣過濾系統，這些區域的特點是氣體流量適中，對精度的要求不高，響應時間要求較高，可能有放射劑量。根據這些特點，三門核電站選用了基于差壓式原理的均速皮托管對這些氣體流量參數進行測量。均速皮托管的使用壽命長，響應時間迅速，價格適中，能夠很好地滿足設計要求。

4 結語

與傳統的差壓式流量計相比，熱式質量流量計在精度、量程比、壓損、安裝便利性等方面有顯著優勢。一塊熱式質量流量計能同時測量氣體質量流量、氣體溫度、壓力三種參數，簡化了系統的測量裝置，有利于系統的穩定經濟運行。但與差壓式流量計相比，熱式質量流量計的價格仍較為昂貴，這也影響了熱式質量流量計的大規模應用。但隨著流量測量技術的發展，相信熱式質量流量計的成本將下降，功能也將不斷改進，能夠適應更復雜的系統工況，也能為系統提供更為準確的測量結果。三門核電站作為國內首個選用熱式質量流量計的AP1000項目，其運行維護經驗也將為后續的核電項目的氣體流量測量儀表的選型提供很好的借鑒。

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作者簡介：何凡帆（1983—），男，供職于中核集團三門核電有限公司調試處，研究方向：數字化儀控系統。