基于超聲波流量計的HFETR二次水流量測量系統

徐 兵，楊先軍，蔣 波，王 雷，江易蔚，徐 宇，韓良文

（中國核動力研究設計院，成都 610005）

0 引言

高通量工程試驗堆（簡稱HFETR）流體流量連續監測，對于反應堆安全運行具有重要的意義。原二次水總管入口流量測量系統采用差壓法測量二次水流量，由孔板、差壓變送器、配電器和數字顯示表構成。為響應國家節能環保要求，在保證系統運行安全的前提下，改為僅啟動一臺二次水主泵對運行期間二次側冷卻水管道進行供水。由于一臺主泵無法實現管內液體滿管，管道上部存有少量空氣，受孔板流量計測量原理限制，需要頻繁地進行排氣操作，嚴重影響正常測量，給反應堆運行帶來安全風險。

本系統采用超聲波流量計測量代替原有的孔板流量計，實現二次水流量較準確的監測，提高測量的穩定性和可靠性。

1 測量原理對比

流量傳感器是將流量信號轉化為差壓信號或頻率信號的儀表。工業上常用的流量測量儀表種類很多，按照其測量原理來分類，可分為：差壓式流量計和速度流量計等。差壓式流量計是利用管內流體通過節流元件時，其流量與節流件內的壓差之間的關系來確定管道內流量[1]；速度式流速測量儀表是利用管內流體的流速和流量成比例關系[2]。

1.1 孔板流量計

孔板流量計是將標準孔板與多參數差壓變送器配套組成的高量程比差壓流量裝置。在管道中安裝一個孔板，流體流過孔板時速度增加，壓強減小，孔板兩側的靜壓頭之差正好是管中動壓頭之差，再通過差壓變送器將孔板前后的壓差信號在變送器內部轉化為電流或電壓信號，輸出與流量成線性函數關系的直流信號。

孔板流量計的測量是建立在以孔板穩定流動的基礎上，當管內流體不滿管時，管道中由于氣體的流速和壓力發生突然變化，造成脈動流，它能引起差壓的波動。測量點有脈動現象時，穩定原理不存在，直接導致差壓變送器輸出在零和滿量程之間波動，影響到孔板流量計正常測量。

1.2 超聲波流量計

超聲波流量計是實現聲、電轉換的裝置，超聲波流量計可以發射超聲波和接收超聲波回波，并轉換成相應的電信號。在流體中，超聲波束在液體中傳播時，液體的流動將使傳播的時間產生微小的變化，并且其傳播時間的變化正比于液體的流速，其關系符合下列表達式：

式（1）中：θ 為聲束與液體流動方向的夾角；M 為聲束在液體的直線傳播次數；D 為管道內徑；Tup為聲束在正方向上的傳播時間；Tdown為聲束在逆方向上的傳播時間。

超聲波向上下游傳播速度由于迭加了流體流速而不同，在相距L 的兩處分別放置兩組超聲波發生器和接收器（T1,R1）和（T2,R2），兩臺超聲波發生器相向發送超聲波信號，通過測量超聲波發送器上、下游等距離處接受到的超聲波信號的時間差ΔT、相位差或頻率差來測量流速[3]。

圖1 孔板流量計測量原理Fig.1 Measurement principle of orifice flowmeter

根據液體流速，結合管道橫截面面積可計算出流體的流量，當管道不滿管時，流過管道的液體截面積與管道截面積不相等，影響到流量測量準確性。

由于二次水管道運行期間管道上部存在有少量空氣，孔板流量計數據波動較大，雖然超聲波流量計同樣存在測量不準確等問題，但是數據較為穩定，能夠通過超聲波流量計數據為二次水流量是否斷流提供較為準確的判斷依據。并且超聲波傳感器采用外夾式安裝，能夠在不損壞管道的前提下完成安裝，因此最終確定采用超聲波流量計代替孔板流量計實現對二次水流量的測量。

2 系統構成

2.1 系統結構

基于超聲波流量計的二次水流量測量系統包括超聲波探頭、流量計主機、信號隔離器和記錄儀。

本系統采用速度式流量測量儀表，利用管內流體的流速和流量成一定的比例關系。超聲波流量計探頭測量上、下游等距離處接收到的超聲波信號的時間差ΔT，并將此信號輸入到流量計主機，流量計主機對超聲波時間差ΔT進行運算，并轉換成速度之差，進而測得流體流速。根據管內流體的流速和流量成一定的比例關系的原理計算出流體流量，流體流量顯示在流量計主機顯示面板上，同時輸出4mA DC ～20mA DC 遠傳流量信號，通過屏蔽電纜從超聲波流量計主機傳輸至信號隔離器，經I/V 轉換成1V DC ～5V DC 送至數顯記錄儀顯示流量值。超聲波二次水流量測量系統構成如圖2 所示。

2.2 系統安裝

根據超聲波流量計測量原理，需要在同一管道相鄰安裝兩個超聲波流量計[4]。超聲波流量計探頭采用外夾式安裝方式安裝在“協作橋”附近的HFETR 二次水入口母管管道上，在操作平臺上部的母管管道側面選取兩個安裝位置，分別安裝兩個探頭，兩個探頭中心線與管道中軸線水平平行，兩個探頭間距0.8m，與管道接觸面位置添加聲耦合劑，用夾具和不銹鋼帶將探頭壓緊固定在管道上，探頭安裝完畢后恢復管道防腐。超聲波流量計主機安裝在附近柴油機房值班室墻壁上。

圖2 超聲波二次水流量測量系統Fig.2 Ultrasonic secondary water flow measurement system

信號隔離器用導軌安裝在HFETR 主控室儀表屏后，將超聲波流量計遠傳信號電纜接入信號隔離器輸入端，輸出端連接記錄儀，用于顯示和記錄二次水流量數據。系統安裝布置如圖3 所示。

圖3 超聲波二次水流量測量系統布置Fig.3 Arrangement of ultrasonic secondary water flow measurement system

3 系統測試

基于超聲波流量計的HFETR 二次水流量測量系統測試過程分為靜態測試和動態測試，靜態測試用于測試后端系統轉化精度，動態測試用于測試系統整體測量穩定性。

3.1 靜態測試

靜態測試通過將超聲波流量計主機與傳輸線斷開，在傳輸線端子依次輸入4mA、8mA、12mA、16mA、20mA 標準電流信號模擬超聲波流量計主機輸出，觀察記錄儀顯示數據。

由表1 可以看出，遠傳線路與顯示儀表的誤差在允許誤差范圍之內，滿足使用要求。

3.2 動態測試

動態測試按照二次水的實際運行工況進行，測試分為二次水管道流量滿管和不滿管兩種工況進行。在滿管工況下，啟動兩臺大泵，對二次水管線排氣后，二次水流量測量系統趨于穩定，間隔10min 記錄1 組流量數據，記錄3組流量數據。

滿管測試實驗完畢后，僅啟動一臺小泵，在一臺小泵的運行情況下，二次水管道不能滿管。二次水流量測量系統穩定后，間隔10min 記錄一組流量數據，記錄3 組流量數據，數據記錄見表2。

由表2 中數據可以看出，在二次水流量滿管工況下，超聲波流量計與原孔板流量測量數據均在9000t/h 左右，兩套測量系統測量值最大偏差為320t/h；在一臺小泵運行工況下，超聲波流量計有較穩定的測量值，原孔板流量顯示負值，無法得到測量數據。

根據系統各個環節儀器儀表設備的精度進行系統誤差計算[5]。超聲波流量計精度1 級，信號隔離器精度0.5 級，雙筆數顯記錄儀數顯部分0.5 級，可得基于超聲波流量計的HFETR 二次水流量測量系統誤差為：

表1 遠傳線路與顯示儀表調試數據Table 1 Commissioning data of remote transmission line and display instrument

滿足測量誤差要求。

4 結語

經過對系統靜態測試和動態測試，基于超聲波流量計的HFETR 二次水流量測量系統測量數據穩定可靠，在二次水流量不滿管的情況下可正常對流量數據進行測量，達到了系統設計目標，在流量不滿管導致孔板流量計不能正常測量的情況下可以繼續對二次水流量進行監測。經長期運行考驗，超聲波流量計測量數據穩定可靠，可代替孔板流量計完成對二次水回路流量的測量。

表2 動態調試數據Table 2 Dynamic debugging data