中國(guó)先進(jìn)研究堆反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量測(cè)量技術(shù)改進(jìn)

韓德軍 余建江 顧方華 丁麗

摘 要：反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)屬于中國(guó)先進(jìn)研究堆（CARR）通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中的重要子系統(tǒng)，從2012年下半年進(jìn)入試運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)DCS通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)量顯示誤差越來(lái)越大，普遍風(fēng)量指示過大，有的顯示送風(fēng)量大于排風(fēng)量，易引起運(yùn)行人員和核安全監(jiān)督人員的誤解。經(jīng)檢查分析，認(rèn)為原熱式風(fēng)速變送器易粘塵土失效，不適合CARR運(yùn)行環(huán)境需要，決定更換為皮托管式風(fēng)速變送器，并進(jìn)行規(guī)范地安裝調(diào)試。經(jīng)過數(shù)月的運(yùn)行考驗(yàn)，DCS系統(tǒng)計(jì)算機(jī)反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量顯示數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定準(zhǔn)確，說明新安裝的皮托管風(fēng)速變送器是適用的。

關(guān)鍵詞：中國(guó)先進(jìn)研究堆 反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng) 風(fēng)量測(cè)量 技術(shù)改進(jìn) 皮托管風(fēng)速變送器

中圖分類號(hào)：TL36 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（b）-0133-04

Abstract：Reactor Hall Ventilation System （RHVS） is one important sub-system of the China Advanced Research Reactor （CARR） ventilation air conditioning system. Since the beginning of trial operation in 2012， the deviation of air flow between actual measured value with the displayed value on the screen of distributed control system （DCS） have had an increasing trend， the latter were larger. Sometimes the intake air flow was larger than exhaust one. These problems would easily cause confusion of operating crew and nuclear safety supervisors. Through inspection and analysis， it was the main reason of causing deviation that the original hot type wind speed transmitter was inclined to adhere dust in CARR operation condition. So the pitot-tube type wind speed transmitters were used as an alternative. After finishing installation and debugging， several months of operation practice showed the deviation had a obvious decrease ，the measure values were stable and accurate.It proved that the new transmitters are suitable for CARR.

Key Word：China Advanced Research Reactor；Reactor hall ventilation system；Air flow measurement technique，Technical modification，Pitot-tube type wind speed transmitter

中國(guó)先進(jìn)研究堆（CARR）是由我國(guó)自主設(shè)計(jì)、建造的多用途研究性反應(yīng)堆，設(shè)計(jì)核功率60 MW。目前，CARR處于調(diào)試試運(yùn)行階段，正在進(jìn)行運(yùn)行許可證的申請(qǐng)工作。

CARR通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是CARR反應(yīng)堆系統(tǒng)中重要的組成部分，用以減少放射性物質(zhì)向周圍環(huán)境的泄露，排出機(jī)械、電氣設(shè)備及管道散發(fā)的熱量及維持工作場(chǎng)所的溫濕度在合理范圍內(nèi)。CARR通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，要求各工藝間排風(fēng)量略高于送風(fēng)量，工藝間壓差30±10Pa，防止放射性氣體在各工藝間擴(kuò)散。

CARR通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)調(diào)試完成并投入運(yùn)行今以來(lái)，計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)（DCS）的通風(fēng)系統(tǒng)送、排風(fēng)風(fēng)量指示偏差越來(lái)越大，尤其是反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)，普遍風(fēng)量指示過大或過小，已不能實(shí)際反映運(yùn)行狀況。于是決定查找原因進(jìn)行整改。

1 原風(fēng)速變送器檢查

為了搞清問題存在的原因，我們抽出了問題最大的操作大廳送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)速變送器進(jìn)行檢查。

原風(fēng)速變送器為熱線式風(fēng)速變送器，探桿及上面的探頭粘上一層灰黑色灰塵，探桿有一定彎曲，可能是送風(fēng)溫度有時(shí)較高所致。具體狀況見圖1所示。

熱線式風(fēng)速變送器是一種以熱線為探頭的流速測(cè)量?jī)x器，由探頭、信號(hào)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成。熱線式風(fēng)速變送器探頭—熱敏電阻極易沉積灰塵，最終使風(fēng)速變送器失效。

在檢查其他的風(fēng)速變送器時(shí)，也發(fā)現(xiàn)有的風(fēng)速變送器安裝位置不當(dāng)、變送器探桿過短，導(dǎo)致不能反映實(shí)際風(fēng)量的問題。

鑒于熱線式風(fēng)速變送器不適合CARR實(shí)際運(yùn)行狀況，影響反應(yīng)堆正常運(yùn)行，決定選用新形式的風(fēng)速變送器。

2 新風(fēng)速變送器選擇

2.1 常見的風(fēng)速測(cè)量技術(shù)

依據(jù)測(cè)量原理不同，目前市場(chǎng)應(yīng)用常見的風(fēng)速測(cè)量技術(shù)有：機(jī)械式風(fēng)速測(cè)量、皮托管式（差壓式）風(fēng)速測(cè)量、熱敏式風(fēng)速測(cè)量、激光多普勒式風(fēng)速測(cè)量和超聲波式測(cè)量。

2.1.1 熱敏式風(fēng)速測(cè)量

熱敏式風(fēng)速測(cè)量技術(shù)是一種以熱敏材料為敏感元件的流速測(cè)量?jī)x表，由熱敏感元件、信號(hào)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成。熱敏感元件按結(jié)構(gòu)分為熱線、熱球和熱膜3種，均由電阻值隨溫度變化的熱敏材料構(gòu)成。市場(chǎng)應(yīng)用較多的是熱線式風(fēng)速測(cè)量?jī)x表，目前CARR使用的就是熱線式風(fēng)速變送器。

2.1.2 機(jī)械式風(fēng)速測(cè)量

機(jī)械式風(fēng)速變送器主要有葉輪式和風(fēng)杯式兩種，一般應(yīng)用于氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)和管道風(fēng)速測(cè)量?；驹硎橇鲃?dòng)氣體帶動(dòng)葉輪或風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與風(fēng)速呈一定的關(guān)系，通過測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度來(lái)測(cè)量風(fēng)速大小。

機(jī)械式風(fēng)速變送器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，而且對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。機(jī)械式風(fēng)速變送器適用于中低段平均風(fēng)速的測(cè)量。葉輪式風(fēng)速儀廣泛應(yīng)用于通風(fēng)現(xiàn)場(chǎng)送排風(fēng)口風(fēng)量測(cè)量。

2.1.3 皮托管式風(fēng)速測(cè)量

皮托管式（差壓式）風(fēng)速測(cè)量的方法為一種間接測(cè)算法，通過皮托管和差壓計(jì)聯(lián)合測(cè)定出風(fēng)速。實(shí)際測(cè)量時(shí)，使氣流方向垂直于皮托管的管口，測(cè)得該位置的全壓與靜壓之差，得出動(dòng)壓，然后通過風(fēng)速與動(dòng)差的關(guān)系式求算出相應(yīng)的風(fēng)速值。

皮托管測(cè)量構(gòu)造簡(jiǎn)單，安裝方便，測(cè)量時(shí)也不受氣體紊流的影響，維護(hù)方便；流動(dòng)阻力小，可測(cè)速度分布；低風(fēng)速段測(cè)量響應(yīng)迅速，對(duì)粉塵環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性。缺點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)皮托管管口較小，濕度及粉塵較大的環(huán)境中管口容易堵塞；標(biāo)準(zhǔn)皮托管安裝角度對(duì)精度有一定的影響。

2.1.4 激光多普勒式風(fēng)速測(cè)量

激光多普勒測(cè)速技術(shù)（簡(jiǎn)稱LDA或LDV）的基本原理是將激光束穿透流體照射在隨流體一起運(yùn)動(dòng)的微粒上，檢測(cè)微粒散射光的頻率，根據(jù)光學(xué)多普勒效應(yīng)確定微粒即流體的運(yùn)動(dòng)速度。

激光多普勒風(fēng)速儀價(jià)格較為昂貴，目前還未普及。

2.1.5 超聲波式風(fēng)速測(cè)量

超聲風(fēng)速儀根據(jù)測(cè)量方法不同，分為超聲速差測(cè)風(fēng)儀和超聲渦街測(cè)風(fēng)儀。

超聲波風(fēng)速測(cè)量技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量范圍廣，精度高，缺點(diǎn)是長(zhǎng)期穩(wěn)定性不佳，價(jià)格較高。

2.2 風(fēng)速變送器最終選定

針對(duì)CARR通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況，需要一種能適應(yīng)一定的灰塵環(huán)境，安裝更換方便，而且信號(hào)輸出穩(wěn)定的風(fēng)速變送器。經(jīng)過調(diào)查比較，確定選用皮托管式風(fēng)速變送器進(jìn)行安裝試驗(yàn)驗(yàn)證（見表1）。

2.3 廠家定制

通風(fēng)系統(tǒng)矩形或圓形管道中，風(fēng)速的分布是中心高，四周逐漸降低。風(fēng)速變送器探桿的長(zhǎng)度要根據(jù)管道尺寸進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。探桿取壓點(diǎn)位于管道截面寬（長(zhǎng)）度或直徑的約1/3處。標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的風(fēng)速變送器并不適合所有尺寸的通風(fēng)管道。

變送器探桿長(zhǎng)度根據(jù)以下公式計(jì)算：L=1/3D+M+Z

式中：D為通風(fēng)管道直徑，單位：mm。M為探桿裕量，根據(jù)實(shí)際需要確定，約10～20 mm。Z為探桿首對(duì)測(cè)壓孔至探桿頂端的距離，10 mm。

表2是根據(jù)CARR反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)管道實(shí)際情況，確定的一些技術(shù)參數(shù)，表中風(fēng)速量程及相應(yīng)尺寸探桿要求廠家依此定制。

技術(shù)要求：（1）廠方設(shè)計(jì)探桿首個(gè)探孔位置應(yīng)在管道進(jìn)深的1/3處。（2）表頭必須有數(shù)據(jù)清零按鈕。（3）風(fēng)速變送器電源，交流24 V或交、直流24 V通用型。（4）直流4～20 mA信號(hào)輸出。

3 皮托管風(fēng)速變送器安裝調(diào)試

3.1 前提條件

（1）皮托管風(fēng)速變送器做校準(zhǔn)試驗(yàn)，出具校準(zhǔn)證書。

（2）安裝前再次檢查風(fēng)速變送器零點(diǎn)是否合格。方法是：用塑料袋將風(fēng)速變送器探桿包嚴(yán)，以免環(huán)境微風(fēng)影響，然后通電測(cè)零點(diǎn)電流，4 mA±3%為合格。

3.2 安裝步驟

（1）停止反應(yīng)堆廠房所有風(fēng)機(jī)，相應(yīng)風(fēng)閥關(guān)閉。

（2）按照風(fēng)速變送器的安裝要求檢查反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)原風(fēng)速變送器安裝位置。較為理想安裝位置應(yīng)在距上游彎管段大于6倍或距下游彎管段大于3倍管徑處。風(fēng)速變送器不能安裝在彎管或變徑處。

（3）拆除原風(fēng)速變送器，安裝皮托管風(fēng)速變送器套管頭，用螺釘固定。

（4）將探桿插入套管頭，注意動(dòng)壓測(cè)孔要保證垂直迎風(fēng)方向，固定探桿。

（5）接通電源線、電流信號(hào)輸出線，測(cè)皮托管變送器零點(diǎn)輸出電流，4 mA±3%為合格。

3.3 風(fēng)量實(shí)測(cè)

遵循的原則是：用風(fēng)速儀實(shí)測(cè)反應(yīng)堆廠房各通風(fēng)子系統(tǒng)中各個(gè)工藝間風(fēng)口風(fēng)量，再把各個(gè)工藝間風(fēng)口風(fēng)量累加得出此通風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)量或排風(fēng)量實(shí)際值；然后調(diào)整皮托管風(fēng)速變送器探桿進(jìn)深，使其風(fēng)量輸出值大致等于實(shí)測(cè)值。

3.3.1 風(fēng)量實(shí)測(cè)方法

使用葉輪式風(fēng)速儀，根據(jù)CARR反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)中各工藝間送排風(fēng)口截面積大小不同，采用9點(diǎn)法或5點(diǎn)法測(cè)風(fēng)口風(fēng)速。

風(fēng)口平均速度： （1）

式中：為風(fēng)口平均風(fēng)速，單位：m/s；

為各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速，單位：m/s；

n為測(cè)點(diǎn)數(shù)量。

風(fēng)口風(fēng)量按下式計(jì)算：

風(fēng)口風(fēng)量： （2）

式中：Q為風(fēng)口風(fēng)量，單位：m3/h 。

F為風(fēng)口通風(fēng)面積，單位：m2；為風(fēng)口平均風(fēng)速，單位：m/s。

風(fēng)量測(cè)量操作步驟如下：

（1）啟動(dòng)CARR反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)所有送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)A，調(diào)整好各樓層工藝間壓差，關(guān)閉工藝間房門。

（2）記錄風(fēng)機(jī)電壓、電流，記錄送風(fēng)機(jī)初效過濾器壓差、中效過濾器壓差；記錄排風(fēng)機(jī)預(yù)過濾器壓差、高效過濾器壓差；記錄送風(fēng)溫度、濕度、風(fēng)壓，記錄排風(fēng)溫度、濕度、風(fēng)壓。

（3）用風(fēng)速儀測(cè)風(fēng)口平均風(fēng)速，計(jì)算各風(fēng)口風(fēng)量，將某通風(fēng)子系統(tǒng)送、排風(fēng)風(fēng)口風(fēng)量累加即得相應(yīng)通風(fēng)子系統(tǒng)的送、排風(fēng)實(shí)際量。

（4）根據(jù)實(shí)測(cè)風(fēng)量，計(jì)算調(diào)整新更換皮托管風(fēng)速變送器輸出電流。風(fēng)速變送器輸出電流推導(dǎo)如下：

風(fēng)速： （3）

式中：V為通風(fēng)管道中的風(fēng)速，單位：m/s；IO為皮托管風(fēng)速變送器輸出電流，單位：mA；L為皮托管風(fēng)速變送器量程，單位：m/s。

風(fēng)量：FV （4）

式中：Q為通風(fēng)子系統(tǒng)送、排風(fēng)量，單位：m3/h；F為總送、排風(fēng)管道截面積，單位：m2。

根據(jù)（3）式、（4）式得出：IO （5）

調(diào)節(jié)風(fēng)速變送器探桿的進(jìn)深，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)輸出電流，使其等于計(jì)算的輸出電流IO，即使風(fēng)量大致等于實(shí)測(cè)風(fēng)量，并用紅色油漆標(biāo)示探桿進(jìn)深位置，以備下次更換參照。

（5）修改主控室DCS通風(fēng)系統(tǒng)IFIX組態(tài)軟件中風(fēng)量計(jì)算公式，風(fēng)量按（4）式計(jì)算。

（6）停止送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)A。再啟動(dòng)送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)B，調(diào)01子項(xiàng)各樓層工藝間壓差匹配，按（2）、（3）步驟實(shí)測(cè)反應(yīng)堆廠房各通風(fēng)子系統(tǒng)送排風(fēng)量，與主控室DCS通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)顯示值對(duì)比，驗(yàn)證新安裝的皮托管風(fēng)速變送器輸出的準(zhǔn)確性。

3.3.2 風(fēng)量實(shí)測(cè)實(shí)例

以物理實(shí)驗(yàn)大廳排風(fēng)系統(tǒng)為例。01物理實(shí)驗(yàn)大廳排風(fēng)系統(tǒng)有2臺(tái)排風(fēng)機(jī)，即A、B排風(fēng)機(jī)，對(duì)應(yīng)1臺(tái)高效過濾裝置。01物理實(shí)驗(yàn)大廳有6個(gè)排風(fēng)口，A排風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，排風(fēng)量實(shí)測(cè)、計(jì)算見表2。

根據(jù)實(shí)測(cè)總排風(fēng)量計(jì)算風(fēng)速變送器輸出電流：

Io=﹝16×11679/（3600×0.7×0.45×15）﹢4﹞≈14.98mA

調(diào)整排風(fēng)總管道新更換皮托管風(fēng)速變送器探桿的進(jìn)深，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)輸出電流，使輸出電流約為14.98 mA。更改主控室DCS通風(fēng)系統(tǒng)IFIX組態(tài)軟件中風(fēng)量計(jì)算公式，風(fēng)量按（4）式計(jì)算。

Q=（A×B）×C

式中：A為PLC接收模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換的風(fēng)速值；B為風(fēng)管截面積，對(duì)于01物理實(shí)驗(yàn)大廳排風(fēng)系統(tǒng)，管道截面積為0.3969m2。C為系數(shù)，等于3600。

修改后，檢查計(jì)算機(jī)顯示值與實(shí)測(cè)風(fēng)量值比較，偏差≤5%為合格。

4 運(yùn)行評(píng)價(jià)

反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量測(cè)量技術(shù)改進(jìn)工作從2015年4月開始一直持續(xù)到2015年12月，新更換了9只定制的皮托管式風(fēng)速變送器。

以表3是技術(shù)改進(jìn)后，記錄的反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)顯示值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比表。（說明：實(shí)測(cè)風(fēng)量符合設(shè)計(jì)風(fēng)量）

（1）從表3可以看出，DCS系統(tǒng)計(jì)算機(jī)反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量顯示數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)值比較較為準(zhǔn)確，偏差小于5%，經(jīng)過數(shù)月的運(yùn)行考驗(yàn)，數(shù)據(jù)顯示基本穩(wěn)定，基本能夠如實(shí)反映通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況，說明新安裝的皮托管風(fēng)速變送器是適用的。

（2）風(fēng)速變送器探桿安裝位置調(diào)試完成后用紅漆標(biāo)示，下次更換時(shí)依此確定新風(fēng)速變送器（需是按表1定制的）的位置，這樣省去了繁瑣的風(fēng)量實(shí)測(cè)工作。

（3）皮托管風(fēng)速變送器維護(hù)方便，測(cè)壓孔粘泥堵塞影響工作時(shí)，可以取下清洗測(cè)壓孔，檢測(cè)輸出電流信號(hào)合格后，即可繼續(xù)使用。

5 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)先進(jìn)研究堆通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是保證核反應(yīng)堆安全運(yùn)行的重要系統(tǒng)，反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量測(cè)量問題的解決，有效保證了反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行，保障了反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。另外，這次技改積累的一些安裝調(diào)試的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)后續(xù)其它通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量測(cè)量改進(jìn)，也具有益的借鑒意義。

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