對含氣泡液體管道差壓式流量計測量穩(wěn)定性的改進

汪 達，徐霖野，李宇睿，李軍懷

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

秦二廠安全殼噴淋系統(tǒng)（EAS）噴淋流量變送器，通過測得安噴管線上流量孔板兩側(cè)的差壓來實現(xiàn)噴淋流量的測量及遠傳功能，該變送器為事故后監(jiān)測系統(tǒng)儀表。

該變送器為EAS 系統(tǒng)直接噴淋流量與循環(huán)噴淋流量的差壓流量測量變送器，現(xiàn)場測得參數(shù)并經(jīng)處理后遠傳至主控室。

在進行涉及該流量計的零流量現(xiàn)場試驗時，多次出現(xiàn)停泵后流量數(shù)據(jù)波動的情況，波動幅度超出誤差許可范圍。為保證現(xiàn)場設備可用，本文從測量結(jié)果波動這一問題著手，深入剖析波動產(chǎn)生的原因，并提出對應的解決方案，應用至現(xiàn)場后，取得了良好的成效。

圖1 小流量測量波動記錄Fig.1 Fluctuation record of small flow measurement

1 故障現(xiàn)象及故障處理

1.1 故障現(xiàn)象

安噴系統(tǒng)零流量實驗期間，曾多次出現(xiàn)小流量指示波動的情況，曾有過1 個月內(nèi)連續(xù)觸發(fā)3 次波動的情況發(fā)生，其波動方式為在停泵后出現(xiàn)短時間的波動峰（如圖1 所示）。

圖1 中綠色曲線為流量，藍色曲線為泵軸承溫度，啟泵期間流量指示正常，而在停泵后（藍色曲線開始下行，證明已停泵成功）又出現(xiàn)了兩次大的波動值，較大的一次波動值約為正常啟泵期間流量值的1/4，明顯已遠超誤差許可范圍。

1.2 故障處理

針對這一故障，現(xiàn)場多采用充水排氣方式進行處理，對儀表進行充水排氣并校準后，在一段時間內(nèi)儀表的測量穩(wěn)定性會有所提高，然而在進行多次試驗后（該管線在機組運行期間不投運），流量波動的情況又會出現(xiàn)。經(jīng)統(tǒng)計，近3 年內(nèi)對單個變送器校驗（含充水排氣）的工作次數(shù)多達7 次。從現(xiàn)場實際效果來看，充水排氣具有見效快、操作容易等優(yōu)點，但屬于一種治標不治本的辦法，對于應用于事故期間及事故后處理的安全殼噴淋系統(tǒng)來說，每次使用前進行人為校驗的行為是不現(xiàn)實的。

2 背景介紹

2.1 差壓式流量計測量原理

差壓式流量測量方式基于伯努利方程和連續(xù)性原理，通過測量液體流經(jīng)節(jié)流元件時產(chǎn)生的壓力變化，從而計算出流體流量[2]。推導為：

已知流體密度ρ；流體管道前后截面積A1、A2；截面處流體流速v1、v2；壓強p1、p2。根據(jù)不可壓縮理想流體的伯努利方程：

圖2 差壓式流量計現(xiàn)場布置情況Fig.2 Site layout of differential pressure flowmeter

和流體連續(xù)性方程：

可以推得式（3）：

其中，A0 為孔板開孔面積，μ 為流束收縮系數(shù)（A2=μA0），d 為節(jié)流孔直徑，D 為管道內(nèi)徑。

上述方程均建立在流體不可壓縮及流體動量守恒的基礎之上。事實上，由于流體存在摩擦力和黏性，其動量有所損失，而孔板前后流體由于具備可壓縮性，前后密度并不相同，故引入流量系數(shù)α 和膨脹系數(shù)ε（對于不可壓縮流體，其ε 為1），并得到孔板前后的實際壓差為Δp=p1-p2，實際密度ρ2=ερ1=ερ，得到可壓縮的實際流體方程：

簡化公式，可以得到流量與差壓之間的關系：

上述公式作為差壓式流量測量的理論基礎，其結(jié)論決定了差壓式流量計的硬件組成，對于現(xiàn)場應用來說，主要的組成元件包含節(jié)流元件、引壓管線及差壓變送器。差壓式流量計可以采用的節(jié)流元件包含標準孔板、節(jié)流擋板、文丘里管等，而在現(xiàn)場使用的設備中則以標準孔板居多。秦二廠安噴系統(tǒng)現(xiàn)場使用的正是標準孔板型差壓流量計。

2.2 現(xiàn)場布置情況

秦二廠安全殼噴淋系統(tǒng)（EAS）噴淋流量變送器，通過測得安噴管線上流量孔板兩側(cè)的差壓來實現(xiàn)噴淋流量的測量及遠傳功能。

現(xiàn)場儀表安裝于管道側(cè)方，通過引壓管線自孔板兩側(cè)接入管道，對孔板前后兩側(cè)的差壓值進行測量，并送出4mA DC ～20mA DC 標準電流信號至控制與監(jiān)測系統(tǒng)，在控制柜系統(tǒng)中通過開方卡件與線性運算卡件處理，即可直接得到流量值。

現(xiàn)場采用的差壓式變送器，測量范圍0kPa ～60kPa，精度0.25，通過約6m 長的引壓管線由孔板引入變送器進行測量，如圖2 所示。

對國內(nèi)同類型電廠該儀表的使用情況進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)該問題在大部分同型號電站中均有存在，屬于共性問題，解決方案也多為充水排氣操作。本文所討論的解決方案具備推廣價值。

2.3 不穩(wěn)定性原因分析

1）安噴泵作用原理分析

該表計用于測量安噴管線內(nèi)流量，安噴管線在機組正常運行期間無流量，只有在試驗期間，該表計才會起到測量的作用，此時管線內(nèi)液體來源為安全殼噴淋泵泵送的含硼水，安噴泵為葉片式立式筒形泵，泵揚程為131m，最大入口壓力0.385MPa，在試驗過程中，因氫氧化鈉虹吸管線破壞帶入空氣，噴射泵將氫氧化鈉輸送管線中的空氣吸入安噴管線內(nèi)，氣體以氣泡的形式存在于液體管線中，并隨著液體進入引壓管線?？紤]到對于儀表充水排氣可以短期消除儀表測量不穩(wěn)定問題的情況，不能排除測量不穩(wěn)定的原因為儀表管線中含氣泡。而事實上，為消除儀表管線含氣泡對于儀表測量穩(wěn)定性的影響，引壓管線上安裝有集氣罐，但由于引壓管線長度較長（約6m），集氣罐并不能起到良好的除氣作用。

2）歷史故障記錄分析

經(jīng)查詢歷史記錄，除了零流量試驗停泵后該表波動外，也曾出現(xiàn)過機組正常運行期間該表計出現(xiàn)小流量波動的情況，如圖3 所示。從圖3 中可以看到，該波動持續(xù)一段較長時間后，經(jīng)約5min 的最大量程指示（故障處理工作期間斷開儀表），儀表指示復原，期間管線內(nèi)不存在液體流動的情況（功率運行期間安噴泵不啟動），查詢歷史工作記錄可以發(fā)現(xiàn)，對該故障采用充水排氣的方法進行了處理，這一故障不同于大多數(shù)情況下的零流量試驗停泵后流量波動的產(chǎn)生條件，但其故障表現(xiàn)、故障處理方式及故障處理結(jié)果均有相似之處。

3）引壓管線因素分析

圖3 功率運行期間小流量波動故障記錄Fig.3 Fault record of small flow fluctuation during power operation

作為差壓式流量計的測量儀表，差壓式變送器的測量范圍本身較小（0kPa ～60kPa），需要較高的測量精度與測量靈敏度，管線內(nèi)氣體擾動、氣體憋壓等情況均會造成壓力變送器的測量不穩(wěn)定，而在安噴管線中，氣體通過氣泡的形式存在，氣泡流動與匯聚均有可能引發(fā)管線內(nèi)壓力波動。在安噴泵正常工作期間，由于管線內(nèi)流量較大，差壓本身較高，擾動造成的影響較小，而停泵后主管線內(nèi)液體停止流動，引壓管線中的氣體開始移動，這一過程中，氣泡的流動、匯聚與破裂均有可能引發(fā)管線內(nèi)壓力波動，殘留氣體引發(fā)的壓力波動與憋壓情況造成了停泵之后的流量波動情況[1]。

4）信號處理回路分析

在流量測量的過程中，信號經(jīng)開方卡件處理，開方卡件具有小信號切除功能，當輸入信號小于0.075V 時，輸出保持為0。

由開方運算關系式可知，對于輸入信號為0.075 ～0.999之間的電壓值，經(jīng)開方卡件處理后，其輸出值大于輸入值。換言之，輸入值低于滿量程1/10 的信號值經(jīng)由開方卡件運算后，如有輸出，其輸出會大于原輸入值，由于差壓值與變送器輸出電流之間滿足線性輸出關系，且I-V 卡件為線性轉(zhuǎn)換關系，易知變送器測量差壓值與開方卡件輸入端電壓滿足線性運算關系，對于波動誤差，開方運算會將其放大，這也是波動較為明顯的原因之一。

綜合以上故障情況分析，可以判斷出流量測量不穩(wěn)定性的成因與管道內(nèi)存在氣體有密切關系。

2.4 處理措施

綜上分析可知，小流量波動產(chǎn)生的原因為管線內(nèi)氣體產(chǎn)生的壓力擾動，要解決小流量測量不穩(wěn)定的情況，需要消除氣體造成的影響，氣體由虹吸破壞作用帶出，根據(jù)該系統(tǒng)的工作原理可知，無法做到從根源消除管線氣，解決方法主要著手于消除引壓管線內(nèi)的氣體擾動。根據(jù)現(xiàn)場的實際布置，初步的解決方案有3 個：

1）在管線上布置氣體消除裝置（集氣罐等）。

2）修改變送器及引壓管線所在位置，消除引壓管線內(nèi)液體無法排空的問題。

圖4 采用毛細管變送器后實驗結(jié)果及前后結(jié)果對比Fig.4 Experimental results and comparison of results before and after using capillary transmitter

3）采用毛細管差壓變送器，從根本上避免氣體波動。

對于1）、2）兩項解決方案，有成本較低、實施簡單的優(yōu)勢，但由于在安噴試驗進行的過程中，還是有氣泡隨虹吸破壞進入管線，依然不能完全避免氣體影響，且加裝集氣罐會在管線中引入故障點，造成系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，其中集氣罐這一方案已被證明效果不佳，不考慮采用。

考慮第3 條方案，由連通器原理可知，主管線中的壓力變化對于差壓變送器來說不造成影響，主要的問題集中于引壓管線上，毛細管變送器通過在封閉毛細管內(nèi)填充硅油進行引壓，可以避免主管線內(nèi)含氣泡液體進入，達到從根本上消除氣體影響因素的效果。

綜上考慮，采用毛細管型差壓變送器對現(xiàn)場變送器與引壓管線一同更換，對原變送器、引壓管線及集氣罐進行拆除，由孔板出口根閥后全部換為毛細管進行引壓。改造后進行零流量試驗，啟停泵前后流量指示保持一致，且停泵后未出現(xiàn)小流量波動，改造效果良好。改造前后測量效果對比如圖4 所示，其中綠色曲線為改造后效果。

3 總結(jié)

差壓式流量計作為一種廣泛應用于生產(chǎn)場所的流量測量模式，其結(jié)構(gòu)簡單，測量回路易于搭建，對純流體的測量結(jié)果準確度也讓人滿意。但其受流體密度與壓強影響較大，特別是對于含氣泡液體來說，由于測量值為孔板差壓，對于單側(cè)波動影響的敏感度較高，通過將測量儀表更換為毛細管變送器，將單側(cè)管線等效為純液體測量，從根源上避免了氣體擾動，對于含氣泡液體管線小流量測量穩(wěn)定性改進有明顯的功效，對于現(xiàn)場其它類似流量計以及國內(nèi)同類型電站均具有廣泛的應用與推廣前景。