主泵有組織泄漏及硼沖洗排水流量監(jiān)測(cè)裝置研發(fā)與應(yīng)用

彭運(yùn)美，郭雅山

（江蘇核電有限公司 儀控處，江蘇 連云港 222000）

0 引言

田灣核電站VVER 堆型機(jī)組為防止主泵軸瓦空蝕和末級(jí)密封殘留結(jié)晶物磨損密封面，每臺(tái)主泵的徑向止推軸承冷卻回路設(shè)計(jì)有組織泄漏排水、軸封組件末級(jí)密封設(shè)計(jì)密封硼沖洗排水，排水流量監(jiān)測(cè)范圍要求不小于20L/h～200 L/h，在主泵正常運(yùn)行時(shí)的排水流量約30L/h～40L/h，當(dāng)監(jiān)測(cè)流量大于200L/h 時(shí)觸發(fā)報(bào)警信號(hào)，操縱員根據(jù)規(guī)程要求手動(dòng)切除主泵運(yùn)行。

機(jī)組上設(shè)計(jì)采用西門子SITRANS 金屬管浮子流量計(jì)進(jìn)行主泵有組織泄漏排水和硼沖洗排水的流量監(jiān)測(cè)，浮子流量計(jì)的測(cè)量范圍為0～400L/h。由于主泵后的排水為常壓，排水管路走向因受空間制約存在較多彎管，管道沿程阻力較大，造成在排水量較小時(shí)出現(xiàn)排水不通暢，排水流量斷續(xù)，浮子流量計(jì)出口無(wú)水流和從泵體處返水的問(wèn)題。田灣二期工程3、4 號(hào)機(jī)組自調(diào)試以來(lái)，主泵有組織泄漏及硼沖洗回路的排水流量測(cè)量成為了主泵系統(tǒng)重要參數(shù)可靠監(jiān)測(cè)的一大難題。

經(jīng)過(guò)調(diào)查，市場(chǎng)上找不到滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量要求的成熟儀表。為保證主泵安全穩(wěn)定運(yùn)行，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，借鑒容積式流量測(cè)量原理，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種用于VVER 堆型機(jī)組主泵有組織泄漏及硼沖洗排水流量監(jiān)測(cè)的測(cè)量裝置。該裝置在3、4 號(hào)機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)投入應(yīng)用，在兩臺(tái)機(jī)組上運(yùn)行合計(jì)已到第3 個(gè)換料循環(huán)，使用效果良好。

1 流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案

設(shè)計(jì)集水器用于持續(xù)收集主泵有組織泄漏或者主泵硼沖洗回路的排水，當(dāng)集水器達(dá)到設(shè)定高液位時(shí)，通過(guò)定排水單元排放收集水至設(shè)定低液位。集水器中的液位變化由液位測(cè)量單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，液位測(cè)量單元將液位信號(hào)送至主儀控上層系統(tǒng)（DCS）處理器，在DCS 處理器中根據(jù)設(shè)定的流量算法邏輯計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)集水器中的容積變化，并將此流量輸出至畫面顯示和報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)排水流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案如圖1 所示。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)總體方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of the overall scheme of the measurement system

2 監(jiān)測(cè)裝置硬件組成

流量監(jiān)測(cè)裝置主要由集水器、定排水單元、液位測(cè)量單元3 部分組成。

2.1 集水器

集水器用于持續(xù)收集主泵有組織泄漏或者硼沖洗的排水，具備在一定時(shí)間內(nèi)的儲(chǔ)水功能。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工藝布置情況，并最大化利用庫(kù)存材料，采用易于加工和安裝的開口式圓柱形不銹鋼容器作為集水器，筒體規(guī)格φ273×4×700（mm），在集水器上部焊接進(jìn)水引管，側(cè)面預(yù)留排水孔和溢流孔，排水孔用于連接安裝定排水單元。集水器高液位時(shí)，通過(guò)定排水單元排出介質(zhì)，如果定排水單元失效，集水器到達(dá)高高液位，此時(shí)介質(zhì)通過(guò)溢流管線排出。

2.2 定排水單元

圖2 導(dǎo)波雷 達(dá)信號(hào)傳播示意圖Fig.2 Schematic diagram of guided wave radar signal propagation

集水器后連接的排水裝置要滿足在設(shè)定高液位時(shí)、自動(dòng)排水和設(shè)定低液位時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉的功能。經(jīng)過(guò)各種方案對(duì)比與試驗(yàn)，設(shè)計(jì)在集水器上安裝倒U 型的虹吸管，利用虹吸原理實(shí)現(xiàn)集水器的自動(dòng)排水與排水停止，即當(dāng)液面高度超過(guò)虹吸管最高點(diǎn)時(shí)，開始虹吸排水；當(dāng)液位下降至虹吸管入口時(shí)，排水中止。虹吸管采用φ14×2（mm）的儀表管煨管加工而成，與集水器的預(yù)留排水孔焊接固定，虹吸管在集水器內(nèi)側(cè)的下端距離集水器底部高度為5cm，在集水器外側(cè)的部分長(zhǎng)度超出50cm，用于提供虹吸動(dòng)力，虹吸管出水口下部設(shè)置對(duì)空的接水漏斗，通過(guò)漏斗排水至特種排水收集系統(tǒng)。

虹吸式的定排水單元為非能動(dòng)裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需控制閥門等相關(guān)部件，減少了后期維護(hù)或免于維護(hù)，易于實(shí)現(xiàn)并節(jié)約了成本。

2.3 液位測(cè)量單元

液位測(cè)量單元采用導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)，該類型液位計(jì)為接觸式測(cè)量?jī)x表，安裝方便，后期維護(hù)量少。液位計(jì)采用兩線制回路供電，輸出4mA～20mA 電流信號(hào)，測(cè)量精度高達(dá)±2mm，其測(cè)量過(guò)程只與被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，不受介質(zhì)密度、壓力、溫度以及泡沫、蒸汽、粉塵等工況影響，測(cè)量可靠性高。

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用時(shí)域反射原理和等效時(shí)間采樣原理[1]，通過(guò)探頭反射波和液位反射波之間的時(shí)間差來(lái)測(cè)量液位。液位計(jì)發(fā)射一個(gè)高頻電磁波，電磁波延同軸線纜傳播到法蘭處，產(chǎn)生一個(gè)回波（頂部回波），然后電磁波繼續(xù)延導(dǎo)波桿傳播。當(dāng)電磁波碰到液面后，由于介電常數(shù)發(fā)生突變，產(chǎn)生另一個(gè)回波（物位回波），兩個(gè)反射波都被設(shè)備接收，通過(guò)檢測(cè)出的兩個(gè)回波的時(shí)間差，即可計(jì)算出液面高度。

液位測(cè)量單元監(jiān)測(cè)集水器的液位變化，將采集的4 mA～20mA 電流信號(hào)送至反應(yīng)堆廠房外的DCS 系統(tǒng)自動(dòng)處理器（AP），在AP 中進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并在操縱員監(jiān)視畫面上輸出流量和報(bào)警顯示。此方式相比在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置定制的控制設(shè)備，邏輯程序編譯靈活性更高，避免了高輻照的影響，也節(jié)省了投入成本。

3 流量算法

3.1 算法原理

根據(jù)流量的定義，測(cè)量在一定時(shí)間段內(nèi)流入計(jì)量容器內(nèi)的液體體積即可得到體積流量。監(jiān)測(cè)裝置的集水器為雙向流動(dòng)的罐體，其液位變化與流入流量、排出流量有關(guān)，流量測(cè)量原理如圖3 所示。

圖3 監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量原理圖Fig.3 Measurement principle diagram of monitoring device

對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系：

式（1）中：f(t)為待測(cè)量流量；h(t)為集水器液位距離虹吸管進(jìn)口端水面的高度；A為集水器的截面積；v(t)為虹吸排水的平均流速；A’為虹吸管的平均截面積。

為求得虹吸管中的介質(zhì)平均流速，建立虹吸管進(jìn)口端水面與出口端水面的能量方程[2]：

式（2）中：H(t)為虹吸管的作用水頭，即虹吸管進(jìn)口端水面與出口端水面的液柱高度差。當(dāng)未建立虹吸時(shí)，此值為0；ρ為介質(zhì)密度；g為重力加速度；P1為虹吸管進(jìn)口端面的壓強(qiáng)；v1為虹吸管進(jìn)口端面的介質(zhì)流速；P2為虹吸管出口端面的壓強(qiáng)；v2為虹吸管出口端面的介質(zhì)流速；d為虹吸管的內(nèi)徑；L為虹吸管的總長(zhǎng)度；v(t)為虹吸管中介質(zhì)的平均流速；λ為虹吸管的沿程阻力系數(shù)；ζ為虹吸管的局部阻力系數(shù)。

定排水單元采用φ14×2 的儀表管加工成虹吸管，故為恒定截面虹吸管，虹吸管入口介質(zhì)流速為0，管中介質(zhì)與出口端介質(zhì)流速相同，即為平均流速，并且虹吸管進(jìn)出口兩端直通大氣，水面壓強(qiáng)為0。因此，由式（2）推導(dǎo)出虹吸管中的介質(zhì)流速為：

將式（3）代入式（1），可得出待測(cè)量流量的計(jì)算式：

當(dāng)未建立虹吸時(shí)，H(t)=0，此時(shí)待測(cè)量流量的計(jì)算式可簡(jiǎn)化為：

3.2 流量運(yùn)算方案設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量流量的過(guò)程分為集水器液位持續(xù)上漲和集水器虹吸排水兩個(gè)階段，過(guò)程周期循環(huán)。第一階段直接測(cè)量集水器液位上漲的速度即可計(jì)算出流量，參照式（5），第二階段定排水單元投入工作，建立虹吸排水并以穩(wěn)定流量排出介質(zhì)，測(cè)量流量按照式（4）進(jìn)行計(jì)算。

主泵正常運(yùn)行時(shí)，有組織泄漏排水和硼沖洗排水流量均大約為30L/h～40L/h，按照虹吸作用水頭0.5m，根據(jù)上述計(jì)算式計(jì)算出每個(gè)周期第一階段時(shí)間約為50min，第二階段時(shí)間約為2min。由于第一階段時(shí)間遠(yuǎn)大于第二階段時(shí)間，同時(shí)考慮到高高流量報(bào)警設(shè)計(jì)用于提示操縱員手動(dòng)切除主泵，因而在編譯計(jì)算邏輯時(shí)做了計(jì)算簡(jiǎn)化處理，即采用第一階段的流量實(shí)時(shí)計(jì)算值作為整個(gè)循環(huán)的流量顯示值。當(dāng)監(jiān)測(cè)裝置處于第二階段工作時(shí)，保持第一階段的最后一個(gè)有效值。流量運(yùn)算的邏輯框圖如圖4 所示。

圖4 流量運(yùn)算邏輯框圖Fig.4 Flow operation logic block diagram

3.3 邏輯實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)處理

DCS 系統(tǒng)的模擬量邏輯模塊自帶濾波功能，對(duì)周期內(nèi)的采樣進(jìn)行均值化處理，默認(rèn)周期1000ms。通過(guò)模擬量液位模塊采集來(lái)自測(cè)量單元的4mA～20mA 電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)濾波后輸出液位的高度信號(hào)XQ01，對(duì)信號(hào)XQ01執(zhí)行流量運(yùn)算轉(zhuǎn)換為流量信號(hào)ZQ01，并設(shè)置高報(bào)警和高高報(bào)警限值。液位、流量信號(hào)和報(bào)警均在操縱員畫面上顯示。

流量計(jì)算是比較t 時(shí)刻與（t-Δt）時(shí)刻的液位變化，這也是第一階段與第二階段的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換的判斷依據(jù)。理論上，Δt越小，流量計(jì)算和記錄的節(jié)點(diǎn)時(shí)刻越準(zhǔn)確。由于主泵有組織泄漏排水和硼沖洗排水流量的監(jiān)測(cè)范圍大（監(jiān)測(cè)上限＞200L/h），正常運(yùn)行時(shí)流量較?。?0L/h～40L/h），按照30L/h 的排水流量，計(jì)算集水器的液位上漲速度為0.15mm/s。若Δt 過(guò)小，裝置在低流量時(shí)的測(cè)量穩(wěn)定性不佳；若Δt 過(guò)大，則對(duì)流量變化趨勢(shì)的監(jiān)測(cè)滯后。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的分辨率為1mm，為保證測(cè)量值的穩(wěn)定性，本試驗(yàn)監(jiān)測(cè)裝置在邏輯中定義Δt 為20s。

監(jiān)測(cè)裝置的流量運(yùn)算邏輯如下：

4 測(cè)量精度驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)輸入，主泵有組織泄漏排水和硼沖洗排水的流量測(cè)量誤差要求不超過(guò)0.5%，即±2L/h。流量監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)量精度，應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證以確保不低于此要求。

4.1 驗(yàn)證方法

水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置大多采用水塔穩(wěn)壓法[3]，水塔頂部設(shè)置溢流槽用以提供穩(wěn)定水頭，并以此作為裝置的穩(wěn)定水源。參照水塔穩(wěn)壓法原理，制作模擬水塔，搭建簡(jiǎn)易的流量檢定裝置，如圖6 所示。保持處于高位的模擬水塔溢流狀態(tài)，模擬水塔通過(guò)虹吸管排水，在模擬水塔的穩(wěn)定壓頭作用下，模擬水塔裝置排水流量為穩(wěn)定流量。使用不同管徑或不同長(zhǎng)度的虹吸管排水，即能建立不同大小的穩(wěn)定排水流量。

圖5 排水流量運(yùn)算邏輯Fig.5 Drainage flow calculation logic

圖6 模擬水塔法驗(yàn)證監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量精度Fig.6 The simulated water tower method verifies the measurement accuracy of the monitoring device

4.2 驗(yàn)證試驗(yàn)與結(jié)果

模擬水塔裝置的排水采用精密量杯收集，以秒表計(jì)時(shí)，通過(guò)動(dòng)態(tài)容積法[4]計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的流出體積，由此得出裝置的排水流量標(biāo)準(zhǔn)值。再將模擬水塔裝置排水至流量監(jiān)測(cè)裝置，記錄監(jiān)測(cè)裝置在同等時(shí)間內(nèi)的多個(gè)測(cè)量值，取均值后與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，計(jì)算出監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)量誤差。

經(jīng)多次測(cè)量試驗(yàn)，計(jì)算出流量監(jiān)測(cè)裝置的精度：流量小于30L/h 時(shí)精度為0.2%，流量大于50L/h 時(shí)精度為0.13%。該裝置的測(cè)量精度滿足設(shè)計(jì)要求。

5 監(jiān)測(cè)裝置的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

兩臺(tái)機(jī)組合計(jì)安裝16 套監(jiān)測(cè)裝置，每臺(tái)主泵通道安裝2 套，分別用于主泵有組織泄漏排水和硼沖洗排水的流量監(jiān)測(cè)。受下游臨時(shí)排水管路布置影響，為防止下游臨時(shí)管路排水不及而跑水，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)縮短了虹吸管線長(zhǎng)度，以降低虹吸排水的速度，延長(zhǎng)虹吸排水時(shí)間至大約5min。

5.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用概況

流量監(jiān)測(cè)裝置投入運(yùn)行后，現(xiàn)場(chǎng)檢查集水器的集水與自動(dòng)排放功能正常，在主控室檢查液位信號(hào)與流量信號(hào)的畫面顯示、曲線記錄與報(bào)警等功能均正常。裝置運(yùn)行時(shí)，集水器液位曲線呈周期性上升與下降變化，流量曲線有小幅度的波動(dòng)現(xiàn)象，但總體穩(wěn)定，這與現(xiàn)場(chǎng)觀察到的集水器進(jìn)水流量不穩(wěn)定現(xiàn)象表現(xiàn)一致。

集水器液位XQ01 信號(hào)與測(cè)量流量ZQ01 信號(hào)的典型曲線如圖7 所示。

圖7 監(jiān)測(cè)裝置曲線記錄Fig.7 Monitoring device curve record

主控室操縱員通過(guò)各裝置的流量信號(hào)ZQ01 監(jiān)視對(duì)應(yīng)主泵的有組織泄漏排水和硼沖洗排水的流量，通過(guò)液位信號(hào)XQ01 監(jiān)視集水器的工作狀態(tài)，綜合信號(hào)ZQ01 和XQ01的曲線趨勢(shì)并進(jìn)行分析，可以對(duì)主泵有組織泄漏和硼沖洗回路的工況變化做到及時(shí)判斷和應(yīng)對(duì)處理，保障主泵長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

5.2 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)

流量監(jiān)測(cè)裝置在3、4 號(hào)機(jī)組已分別投運(yùn)2 個(gè)換料循環(huán)和1 個(gè)換料循環(huán)，裝置運(yùn)行和流量監(jiān)測(cè)穩(wěn)定可靠。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)裝置的調(diào)試與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的持續(xù)跟蹤，總結(jié)了一些有效經(jīng)驗(yàn)：

1）現(xiàn)場(chǎng)使用的集水器截面積偏大，占用空間較大，可由單筒改為雙筒，筒部上下為連通結(jié)構(gòu)，上游排水從單側(cè)進(jìn)入。優(yōu)化后的集水器可以取消液位計(jì)保護(hù)管，也利于現(xiàn)場(chǎng)安裝固定，且集水器截面積減少后，在工作時(shí)液位上升速度變快，運(yùn)算邏輯中的Δt 可以取值更小，提高裝置的響應(yīng)速度。

2）應(yīng)根據(jù)正常運(yùn)行時(shí)的流量范圍確定集水器的截面積，針對(duì)于流量100L/h 以下的排水，流量正常值（L/h）與集水器截面積（m2）的比值，數(shù)值在1000～1500 左右為宜。此值過(guò)大，則裝置工作的周期時(shí)間短；此值過(guò)小，則液位上漲太慢，不利于裝置排水時(shí)的虹吸建立。

3）虹吸管內(nèi)徑和長(zhǎng)度選擇，應(yīng)綜合考慮排水流量、集水器截面積和體積后來(lái)確定。在試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)在虹吸管任意位置加裝節(jié)流裝置，以及在虹吸管出口端加裝延長(zhǎng)軟管的方式，測(cè)試得到不同節(jié)流孔徑、不同長(zhǎng)度虹吸管的虹吸數(shù)據(jù)，為研制與使用場(chǎng)合更為匹配的測(cè)量裝置提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語(yǔ)

在電站應(yīng)用的流量測(cè)量技術(shù)成熟，測(cè)量原理多樣化，按流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理可分為差壓式、容積式、變面積式、轉(zhuǎn)子式、電磁式、超聲波式、質(zhì)量式等多種類型。這些流量測(cè)量方式均有一定的適用場(chǎng)合，使用時(shí)需考慮測(cè)量范圍、介質(zhì)特性、前后差壓、安裝環(huán)境等一種或多種要求，在這些適用要求的限制下，其成熟產(chǎn)品基本上都無(wú)法做到對(duì)低流量、低壓介質(zhì)和寬量程范圍的流量測(cè)量。本文論述的流量監(jiān)測(cè)裝置利用容積式測(cè)量原理，克服了上述難點(diǎn)，解決了田灣核電站3、4 號(hào)機(jī)組在主泵有組織泄漏排水和硼沖洗排水的流量監(jiān)測(cè)上遇到的問(wèn)題：

1）該測(cè)量裝置能可靠監(jiān)測(cè)20 L/h～400 L/h 的全范圍流量，測(cè)量精度高，并且對(duì)流體的壓強(qiáng)、流速、連續(xù)性等沒(méi)有特別要求，不受介質(zhì)密度、壓力、溫度以及泡沫、蒸汽等工況影響。

2）裝置系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，安裝與維護(hù)方便，能夠適應(yīng)高輻照、排水管路沿程損失大等苛刻環(huán)境條件。

3）裝置利用虹吸原理進(jìn)行集水器的排水，無(wú)需閥門等控制部件，以非能動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)了液位的自動(dòng)控制。

4）裝置具有很強(qiáng)的適用性，稍作修改即能實(shí)現(xiàn)更小流量的監(jiān)測(cè)，尤其適用于非連續(xù)流體的測(cè)量場(chǎng)合。