主泵有組織泄漏及硼沖洗排水流量監測裝置研發與應用

彭運美，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 堆型機組為防止主泵軸瓦空蝕和末級密封殘留結晶物磨損密封面，每臺主泵的徑向止推軸承冷卻回路設計有組織泄漏排水、軸封組件末級密封設計密封硼沖洗排水，排水流量監測范圍要求不小于20L/h～200 L/h，在主泵正常運行時的排水流量約30L/h～40L/h，當監測流量大于200L/h 時觸發報警信號，操縱員根據規程要求手動切除主泵運行。

機組上設計采用西門子SITRANS 金屬管浮子流量計進行主泵有組織泄漏排水和硼沖洗排水的流量監測，浮子流量計的測量范圍為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出現排水不通暢，排水流量斷續，浮子流量計出口無水流和從泵體處返水的問題。田灣二期工程3、4 號機組自調試以來，主泵有組織泄漏及硼沖洗回路的排水流量測量成為了主泵系統重要參數可靠監測的一大難題。

經過調查，市場上找不到滿足現場測量要求的成熟儀表。為保證主泵安全穩定運行，根據現場實際情況，借鑒容積式流量測量原理，設計研發了一種用于VVER 堆型機組主泵有組織泄漏及硼沖洗排水流量監測的測量裝置。該裝置在3、4 號機組現場投入應用，在兩臺機組上運行合計已到第3 個換料循環，使用效果良好。

1 流量監測系統總體方案

設計集水器用于持續收集主泵有組織泄漏或者主泵硼沖洗回路的排水，當集水器達到設定高液位時，通過定排水單元排放收集水至設定低液位。集水器中的液位變化由液位測量單元實時監測，液位測量單元將液位信號送至主儀控上層系統（DCS）處理器，在DCS 處理器中根據設定的流量算法邏輯計算出單位時間內集水器中的容積變化，并將此流量輸出至畫面顯示和報警，從而實現排水流量的實時監測。

流量監測系統總體方案如圖1 所示。

圖1 測量系統總體方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of the overall scheme of the measurement system

2 監測裝置硬件組成

流量監測裝置主要由集水器、定排水單元、液位測量單元3 部分組成。

2.1 集水器

集水器用于持續收集主泵有組織泄漏或者硼沖洗的排水，具備在一定時間內的儲水功能。結合現場工藝布置情況，并最大化利用庫存材料，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，筒體規格φ273×4×700（mm），在集水器上部焊接進水引管，側面預留排水孔和溢流孔，排水孔用于連接安裝定排水單元。集水器高液位時，通過定排水單元排出介質，如果定排水單元失效，集水器到達高高液位，此時介質通過溢流管線排出。

2.2 定排水單元

圖2 導波雷 達信號傳播示意圖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定高液位時、自動排水和設定低液位時，自動關閉的功能。經過各種方案對比與試驗，設計在集水器上安裝倒U 型的虹吸管，利用虹吸原理實現集水器的自動排水與排水停止，即當液面高度超過虹吸管最高點時，開始虹吸排水；當液位下降至虹吸管入口時，排水中止。虹吸管采用φ14×2（mm）的儀表管煨管加工而成，與集水器的預留排水孔焊接固定，虹吸管在集水器內側的下端距離集水器底部高度為5cm，在集水器外側的部分長度超出50cm，用于提供虹吸動力，虹吸管出水口下部設置對空的接水漏斗，通過漏斗排水至特種排水收集系統。

虹吸式的定排水單元為非能動裝置，結構簡單，無需控制閥門等相關部件，減少了后期維護或免于維護，易于實現并節約了成本。

2.3 液位測量單元

液位測量單元采用導波雷達液位計，該類型液位計為接觸式測量儀表，安裝方便，后期維護量少。液位計采用兩線制回路供電，輸出4mA～20mA 電流信號，測量精度高達±2mm，其測量過程只與被測介質的介電常數有關，不受介質密度、壓力、溫度以及泡沫、蒸汽、粉塵等工況影響，測量可靠性高。

導波雷達液位計應用時域反射原理和等效時間采樣原理[1]，通過探頭反射波和液位反射波之間的時間差來測量液位。液位計發射一個高頻電磁波，電磁波延同軸線纜傳播到法蘭處，產生一個回波（頂部回波），然后電磁波繼續延導波桿傳播。當電磁波碰到液面后，由于介電常數發生突變，產生另一個回波（物位回波），兩個反射波都被設備接收，通過檢測出的兩個回波的時間差，即可計算出液面高度。

液位測量單元監測集水器的液位變化，將采集的4 mA～20mA 電流信號送至反應堆廠房外的DCS 系統自動處理器（AP），在AP 中進行邏輯運算，并在操縱員監視畫面上輸出流量和報警顯示。此方式相比在測量現場設置定制的控制設備，邏輯程序編譯靈活性更高，避免了高輻照的影響，也節省了投入成本。

3 流量算法

3.1 算法原理

根據流量的定義，測量在一定時間段內流入計量容器內的液體體積即可得到體積流量。監測裝置的集水器為雙向流動的罐體，其液位變化與流入流量、排出流量有關，流量測量原理如圖3 所示。

圖3 監測裝置測量原理圖Fig.3 Measurement principle diagram of monitoring device

對應的函數關系：

式（1）中：f(t)為待測量流量；h(t)為集水器液位距離虹吸管進口端水面的高度；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平均流速，建立虹吸管進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，即虹吸管進口端水面與出口端水面的液柱高度差。當未建立虹吸時，此值為0；ρ為介質密度；g為重力加速度；P1為虹吸管進口端面的壓強；v1為虹吸管進口端面的介質流速；P2為虹吸管出口端面的壓強；v2為虹吸管出口端面的介質流速；d為虹吸管的內徑；L為虹吸管的總長度；v(t)為虹吸管中介質的平均流速；λ為虹吸管的沿程阻力系數；ζ為虹吸管的局部阻力系數。

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，虹吸管入口介質流速為0，管中介質與出口端介質流速相同，即為平均流速，并且虹吸管進出口兩端直通大氣，水面壓強為0。因此，由式（2）推導出虹吸管中的介質流速為：

將式（3）代入式（1），可得出待測量流量的計算式：

當未建立虹吸時，H(t)=0，此時待測量流量的計算式可簡化為：

3.2 流量運算方案設計

監測裝置測量流量的過程分為集水器液位持續上漲和集水器虹吸排水兩個階段，過程周期循環。第一階段直接測量集水器液位上漲的速度即可計算出流量，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定流量排出介質，測量流量按照式（4）進行計算。

主泵正常運行時，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，根據上述計算式計算出每個周期第一階段時間約為50min，第二階段時間約為2min。由于第一階段時間遠大于第二階段時間，同時考慮到高高流量報警設計用于提示操縱員手動切除主泵，因而在編譯計算邏輯時做了計算簡化處理，即采用第一階段的流量實時計算值作為整個循環的流量顯示值。當監測裝置處于第二階段工作時，保持第一階段的最后一個有效值。流量運算的邏輯框圖如圖4 所示。

圖4 流量運算邏輯框圖Fig.4 Flow operation logic block diagram

3.3 邏輯實現與數據處理

DCS 系統的模擬量邏輯模塊自帶濾波功能，對周期內的采樣進行均值化處理，默認周期1000ms。通過模擬量液位模塊采集來自測量單元的4mA～20mA 電流信號，電流信號經濾波后輸出液位的高度信號XQ01，對信號XQ01執行流量運算轉換為流量信號ZQ01，并設置高報警和高高報警限值。液位、流量信號和報警均在操縱員畫面上顯示。

流量計算是比較t 時刻與（t-Δt）時刻的液位變化，這也是第一階段與第二階段的節點轉換的判斷依據。理論上，Δt越小，流量計算和記錄的節點時刻越準確。由于主泵有組織泄漏排水和硼沖洗排水流量的監測范圍大（監測上限＞200L/h），正常運行時流量較?。?0L/h～40L/h），按照30L/h 的排水流量，計算集水器的液位上漲速度為0.15mm/s。若Δt 過小，裝置在低流量時的測量穩定性不佳；若Δt 過大，則對流量變化趨勢的監測滯后。導波雷達液位計的分辨率為1mm，為保證測量值的穩定性，本試驗監測裝置在邏輯中定義Δt 為20s。

監測裝置的流量運算邏輯如下：

4 測量精度驗證

根據設計輸入，主泵有組織泄漏排水和硼沖洗排水的流量測量誤差要求不超過0.5%，即±2L/h。流量監測裝置的測量精度，應進行驗證以確保不低于此要求。

4.1 驗證方法

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

圖5 排水流量運算邏輯Fig.5 Drainage flow calculation logic

圖6 模擬水塔法驗證監測裝置測量精度Fig.6 The simulated water tower method verifies the measurement accuracy of the monitoring device

4.2 驗證試驗與結果

模擬水塔裝置的排水采用精密量杯收集，以秒表計時，通過動態容積法[4]計算單位時間內的流出體積，由此得出裝置的排水流量標準值。再將模擬水塔裝置排水至流量監測裝置，記錄監測裝置在同等時間內的多個測量值，取均值后與標準值進行比較，計算出監測裝置的測量誤差。

經多次測量試驗，計算出流量監測裝置的精度：流量小于30L/h 時精度為0.2%，流量大于50L/h 時精度為0.13%。該裝置的測量精度滿足設計要求。

5 監測裝置的現場應用

兩臺機組合計安裝16 套監測裝置，每臺主泵通道安裝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測。受下游臨時排水管路布置影響，為防止下游臨時管路排水不及而跑水，現場安裝時縮短了虹吸管線長度，以降低虹吸排水的速度，延長虹吸排水時間至大約5min。

5.1 現場應用概況

流量監測裝置投入運行后，現場檢查集水器的集水與自動排放功能正常，在主控室檢查液位信號與流量信號的畫面顯示、曲線記錄與報警等功能均正常。裝置運行時，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現象，但總體穩定，這與現場觀察到的集水器進水流量不穩定現象表現一致。

集水器液位XQ01 信號與測量流量ZQ01 信號的典型曲線如圖7 所示。

圖7 監測裝置曲線記錄Fig.7 Monitoring device curve record

主控室操縱員通過各裝置的流量信號ZQ01 監視對應主泵的有組織泄漏排水和硼沖洗排水的流量，通過液位信號XQ01 監視集水器的工作狀態，綜合信號ZQ01 和XQ01的曲線趨勢并進行分析，可以對主泵有組織泄漏和硼沖洗回路的工況變化做到及時判斷和應對處理，保障主泵長期穩定運行。

5.2 運行經驗

流量監測裝置在3、4 號機組已分別投運2 個換料循環和1 個換料循環，裝置運行和流量監測穩定可靠。通過對監測裝置的調試與現場運行數據的持續跟蹤，總結了一些有效經驗：

1）現場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，筒部上下為連通結構，上游排水從單側進入。優化后的集水器可以取消液位計保護管，也利于現場安裝固定，且集水器截面積減少后，在工作時液位上升速度變快，運算邏輯中的Δt 可以取值更小，提高裝置的響應速度。

2）應根據正常運行時的流量范圍確定集水器的截面積，針對于流量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，數值在1000～1500 左右為宜。此值過大，則裝置工作的周期時間短；此值過小，則液位上漲太慢，不利于裝置排水時的虹吸建立。

3）虹吸管內徑和長度選擇，應綜合考慮排水流量、集水器截面積和體積后來確定。在試驗時，通過在虹吸管任意位置加裝節流裝置，以及在虹吸管出口端加裝延長軟管的方式，測試得到不同節流孔徑、不同長度虹吸管的虹吸數據，為研制與使用場合更為匹配的測量裝置提供數據基礎。

6 結束語

在電站應用的流量測量技術成熟，測量原理多樣化，按流量計結構原理可分為差壓式、容積式、變面積式、轉子式、電磁式、超聲波式、質量式等多種類型。這些流量測量方式均有一定的適用場合，使用時需考慮測量范圍、介質特性、前后差壓、安裝環境等一種或多種要求，在這些適用要求的限制下，其成熟產品基本上都無法做到對低流量、低壓介質和寬量程范圍的流量測量。本文論述的流量監測裝置利用容積式測量原理，克服了上述難點，解決了田灣核電站3、4 號機組在主泵有組織泄漏排水和硼沖洗排水的流量監測上遇到的問題：

1）該測量裝置能可靠監測20 L/h～400 L/h 的全范圍流量，測量精度高，并且對流體的壓強、流速、連續性等沒有特別要求，不受介質密度、壓力、溫度以及泡沫、蒸汽等工況影響。

2）裝置系統組成簡單，安裝與維護方便，能夠適應高輻照、排水管路沿程損失大等苛刻環境條件。

3）裝置利用虹吸原理進行集水器的排水，無需閥門等控制部件，以非能動方式實現了液位的自動控制。

4）裝置具有很強的適用性，稍作修改即能實現更小流量的監測，尤其適用于非連續流體的測量場合。