熱擴散式質(zhì)量流量計工作方式及核電現(xiàn)場調(diào)試

張少南　周小瑄

摘 要：熱擴散式質(zhì)量流量計的工作原理分為恒功率法以及恒溫差法，它不僅可以直接測量流體的質(zhì)量流量也可以在標準狀況下測量流體的體積流量，經(jīng)過輸出量的設(shè)置也可以作為流量或液位開關(guān)使用，具有測量精度高（其精度通常能夠達到±0.75%（讀數(shù)）、±0.5%（滿量程），部分產(chǎn)品能夠達到±0.01%（讀數(shù)）、±0.1%（滿量程），安裝便捷快速，工作穩(wěn)定便于維護等優(yōu)點，作為流量計，因此在廣泛應(yīng)用于石油化工、食品加工、醫(yī)藥衛(wèi)生、空氣凈化、水處理以及電站運行等諸多領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：熱擴散式質(zhì)量流量計；AP1000；現(xiàn)場儀表調(diào)

中圖分類號：TH814；TM623 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）23-0137-02

0 前言

在中國建設(shè)的三代核電AP1000電廠中，熱擴散式質(zhì)量流量計多應(yīng)用于核島內(nèi)的暖通系統(tǒng)氣體流量測量，其中更是包括對主控制留居供氣流量這樣的關(guān)鍵參數(shù)測量，涉及儀表總數(shù)多達80余臺。

可預(yù)見的是，熱擴散式質(zhì)量流量計這種設(shè)計原理較為先進的流量測量儀表將在核電廠有更為廣闊的應(yīng)用。

目前市場上廠商常見且滿足核電特殊使用需求的熱擴散式質(zhì)量流量計主要有的5到6家，如KURZ、MAGNATROL、E+H、FCI、SIERRA、DELTA-M。由于專利的限制，除FCI采用和功率法測量外，其余公司多采用恒溫差測量法。作為該領(lǐng)域資深廠商，F(xiàn)CI不僅能夠提供滿足普通工況下的熱擴散式質(zhì)量流量計，也能夠提供極端工況下（高輻照、抗震）的產(chǎn)品，但由于采用恒功率原理，造成儀表上電后需要一定時間才能達到自身熱平衡，啟動時間較長。而采用了恒溫差原理的儀表，上電后無需較長時間便可達到熱平衡，啟動較快，便于調(diào)試。

1 熱擴散式質(zhì)量流量計工作原理

熱擴散式質(zhì)量流量計有兩種工作原理，一是恒功率式，一是恒溫差式，雖然原理不同但兩者結(jié)構(gòu)相似，都擁有一對熱電阻（RTD）探頭位于探桿末端，一個稱為參考段用于測量流體溫度，另一個為工作端用于感應(yīng)流體質(zhì)量流量。儀表上電后，工作端實際為一個低功率的加熱探頭，制造與參考端之間的溫差，形成靜態(tài)熱平衡。當有介質(zhì)流經(jīng)兩個探頭時，工作端的探頭所制造的溫差因介質(zhì)質(zhì)量流量的變化而改變（既流體將加熱端所產(chǎn)生的熱量帶走，造成連探頭溫差變化），而該溫差的變化與流體的質(zhì)量流量成正比例關(guān)系，又與流速成正比關(guān)系，因此通過測量參考端與工作端之間的溫差就可以得出流體的質(zhì)量流量，以及流體流速。唯一不同的是，恒功率式工作端的加熱功率不變，而恒溫差式是維持連探頭溫差不變，功率則根據(jù)需要持續(xù)補償修正。

典型的熱擴散式質(zhì)量流量計輸出信號為4-20mA的標準電流信號或電壓信號，可配備HART通信協(xié)議或MODBUS等接口，因其本質(zhì)上就是一個熱電阻，所以多數(shù)型號的熱擴散式質(zhì)量流量計也可以提供溫度信號輸出。并且，只要通過信號轉(zhuǎn)換，將輸出信號設(shè)置為0和1的開關(guān)量，質(zhì)量流量計也可作為流量、液位開關(guān)使用，如圖1所示。

2 熱擴散式質(zhì)量流量計的結(jié)構(gòu)

熱擴散式質(zhì)量流量計主要由變送器、探桿、探頭三部分組成。

其中，變送器由交流（100-240VAC）或直流（18-30VDC）供電，位于探桿一端，其內(nèi)部主要裝有電源處理模塊以及信號處理模塊，前者用于對電源進行濾波以及電源分配和電壓轉(zhuǎn)換，后者用于A/D信號處理、轉(zhuǎn)換、放大并同時對工作端與參考端熱電阻進行必要的溫度補償積極矯正，經(jīng)線性化處理后，最終輸出標準信號（4-20mA，0-5VDC等）。

探桿通常為不銹鋼材質(zhì)，其插入深度通常為管道直徑的1/3-2/3處，多為活動插拔式設(shè)計，方便插入深度的在線調(diào)整。

探頭主要部件為兩個熱電阻（參考端、工作端），呈柱狀，安裝時前后排布位于探桿的另一端。通常選取分度號為正溫度系數(shù)的PT100、PT500、PT1000、PT2000。

此外，為了達到高精度的測量，可在探桿上安裝多組探頭，在探桿上開出大小相同的數(shù)個孔洞，每組探頭皆裝在每個孔洞中，這樣介質(zhì)可同時流經(jīng)數(shù)組探頭，能夠更加準確地測量流場每點的流量，從而提高測量精度。每組探均由熱套管隔開，避免工作端的熱量互相影響。

3 熱擴散式質(zhì)量流量計的安裝

根據(jù)探頭與變送器之間安裝和使用需求質(zhì)量流量計可以配置為一體化安裝和分體式安裝。

熱擴散質(zhì)量流量計與管道連接的方式通常為插入式安裝和管段式安裝，前者分為法蘭螺紋安裝和法蘭安裝，適用管徑一般為DN80-6000mm，后者要求儀表自帶管段適用管徑一般為DN15-2000mm。

標準工況下要求，熱擴散質(zhì)量流量計安裝為前直管段10D（D為管道內(nèi)徑），后直管段5D，且前直管段15D內(nèi)無彎頭、變徑、閥門等影響流場的阻力部件。

而實際工況往往要復(fù)雜得多，無法滿足前10后5的直管段要求，此時要求廠家根據(jù)工況進行現(xiàn)場流場標定，采用多位置安裝或多探頭形式降低直管段過短或流場復(fù)雜的影響。

探桿上通常標有刻度和流體流向箭頭，安裝時箭頭方向需要與實際工況下流體流向相同，插入深度根據(jù)管道直徑確定，單探頭通常插入管道直徑1/2處，多組探頭通常插入管道的1/3-2/3處。

如果儀表安裝與垂直管道中，為確保其測量精度，安裝探頭時通常將工作端放置于上方。

4 熱擴散式質(zhì)量流量計的調(diào)試

熱擴散式質(zhì)量流量計的現(xiàn)場調(diào)試方法大致相同，根據(jù)不同的型號略有差異，以主控室留居系統(tǒng)中的兩臺流量計為例：

流量計A/B位于主控室外門廳內(nèi)，位于同一管道前后相鄰安裝。用于在MCR通風(fēng)系統(tǒng)喪失后，檢測由高壓氣瓶輸送給主控室、值長室的氣體流量（該氣體用于保證主控室、值長室人員72小時留居所用氣體）。

如圖2，該系統(tǒng)主路為C，經(jīng)V005、流量計A/B、V045、噴射器、濾網(wǎng)最終在主控和值長室釋放。

A/B為輔路，在主路不可用時，由A＼B輔路為主控室留居人員提供可用氣體。

A路徑經(jīng)V005、流量計A/B、V046、孔板、消聲器釋放至值長室。

B路徑經(jīng)V001、流量計A/B、V046、孔板、消聲器釋放至值長室。

調(diào)試過程中主路C、輔路A/B流量顯示差距較大，需要通過操作V045、V046閥門進行主路、輔路切換，各取5點完成3組流量數(shù)據(jù)記錄。同時，在機柜側(cè)觀測并記錄ABC3組數(shù)據(jù)。接著，在現(xiàn)場通過DAQ現(xiàn)場讀數(shù)記錄ABC3組數(shù)據(jù)。

校驗方法：用電阻箱模擬測量端熱電阻溫度信號來代表實際測量中的流量變化。按照圖中示意的方式接線，測量環(huán)境溫度，固定此時參考端阻值。然后，以次改變測量端電阻箱阻值，記錄DAQ中流量數(shù)據(jù)。用萬用表測量輸入電阻值并進行調(diào)教。

所需設(shè)備：DAQ信號采集器、電阻箱、萬用表、電纜數(shù)根、拆裝工具等

接線方法：測量環(huán)境溫度后，將參考段設(shè)置在固定的阻值。將電阻箱串入測量端，信號輸出連接至DAQ。流量計A/B用自制電源線、電纜并聯(lián)，接地共用。示意圖見圖3：

需要注意的是：

（1）并聯(lián)電源屏蔽接地應(yīng)選用與額定電壓相符合的電纜規(guī)格。如單根1mm較細，可臨時用雙根代替。（2）參考端不需改變電阻信號，環(huán)境溫度測得后即可知道其固定阻值。（3）電阻箱的選用應(yīng)注意量程范圍和精度。（4）為保證流道內(nèi)無氣體積壓，切換流道時應(yīng)保持原流道暢通，待新流道閥門開啟后再關(guān)閉原流道閥門。

5 結(jié)語

由于我國基礎(chǔ)工業(yè)薄弱，從原材料，設(shè)計研發(fā)，到制造生產(chǎn)中質(zhì)量控制與國外廠家仍有相當大的差距而儀表工業(yè)在起步時已大大落后西方，早期國內(nèi)工廠所使用的儀表又均依賴國外進口。當前，我國自行生產(chǎn)制造的現(xiàn)有產(chǎn)品品種、規(guī)格、精確度和可靠性尚且不能滿足國內(nèi)市場需求，特別是在核電站所使用的熱擴散質(zhì)量流量計幾乎全部為國外進口。核電站儀表國產(chǎn)化是一項具有較高難度的系統(tǒng)工程。我國核電發(fā)展堅持“自主設(shè)計、自主制造、自主建設(shè)、自主運營”的自主化路線，儀表作為不可或缺的“關(guān)鍵重大設(shè)備”，涉及核電站的安全運營，影響到整個國家和人民的安全，其核心技術(shù)和產(chǎn)品必須全面掌握。另外，設(shè)備的采購固然要國內(nèi)外市場公開競爭，但過去的經(jīng)驗告訴我們，國內(nèi)廠商參與競標有利于形成良性的價格競爭環(huán)境，從而實現(xiàn)設(shè)備采購成本降低。因此，無論從安全角度還是市場角度來分析，核電儀表都應(yīng)該盡快、全面實現(xiàn)國產(chǎn)化。