核電廠核取樣系統電磁流量計升級改造與應用

郭鵬昌，官 輝，汪 達

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

核取樣系統可集中抽取供化學分析和放射性化學分析用的液體樣品和氣體樣品[1]，使其化學參數、放射性在可控的范圍內，以保證設備正常運行和電廠的安全。

在機組功率運行或熱備用期間，通過與插入限值有關的控制棒束位置來檢測硼濃度的快速變化。在熱停堆、正常冷停堆、換料或維修停堆期間，對反應堆冷卻劑硼濃度的連續監測，指示了有效停堆裕量并允許對反應堆冷卻劑誤稀釋進行檢測。

此外，該系統還具有很重要的事故后功能。它可以從反應堆冷卻劑系統和安全殼噴淋系統收集高放射性的液體樣品，也可從蒸汽發生器排污系統取樣，來檢查一次側向二次側可能的泄漏，有助于事故的診斷和控制[2]。

1 電磁流量計概述

1.1 基本結構

電磁流量計由傳感器和轉換器兩部分組成，按傳感器和轉換器的構成方式可分為分體型和一體型兩種（見圖1）。分體型是將傳感器和轉換器各自獨立設置，中間用信號線連接；一體型是將傳感器和轉換器作為一個整體設置。本次改造考慮到現場工藝和環境劑量問題，采用的是分體型流量計。

圖1 流量計構成方式Fig.1 Composition of flowmeter

圖2 電磁流量計原理圖Fig.2 Schematic diagram of electromagnetic flow meter

傳感器包括下列單元：

1）流過被測導電液體的電絕緣測量管。

2）一對或多對徑向對置的電極，測量由導電液體流動所產生的信號。

3）在測量管中產生磁場的電磁體。

轉換器的主要作用如下：

a）對流量信號進行放大、轉換和顯示，并輸出為其他裝置能接受的信號。

b）盡可能消除雜散電動勢，這其中包含著共模信號和正交信號。

c）若需要，可補償電源電壓和頻率的變化。

d）可補償或減小傳感器中磁感應強度的變化[3]。

1.2 工作原理

電磁流量計依據的基本原理是法拉第電磁感應定律，當導體在磁場中做切割磁力線運動時，導體內將產生感應電動勢。該感應電動勢UE與磁感應強度B、電極間距離D和平均流速V成正比。因電磁感應強度B和電極距離D是常數，所以感應電動勢UE與平均流速成正比，而體積流量又與流速V成正比，所以體積流量與感應信號成正比。

在信號轉化器中，該感應信號電壓被轉換成體積流量，同時轉換成可編程的模擬量作為信號輸出。還包括傳感器的勵磁方式、電極的選擇、防護等級、安裝注意事項（防止滴漏、過大溫差、避開強震、防止暴曬）。轉換器相當于他的大腦，主要功能是向傳感器線圈產生工作磁場提供一個勵磁電流，同時用于對流量電動勢信號實現放大與轉換功能[4]。

1.3 流量計口徑的選擇

1）一般情況下選用流量計口徑等于工藝管道口徑。

2）當流體介質能在傳感器中造成沉積物，且流速偏低，可選擇儀表口徑小于工藝管道口徑，在儀表前后加異徑管，使儀表內局部流速提高。

3）對于大口徑工藝管道，在管道內流速偏低，工藝流量較穩定時，可選擇口徑較小的儀表，在儀表前后加異徑管，為了保證儀表測量精確度，異徑管的中心錐角應不大于15°，且異徑管接頭的上游側至少應有5倍工藝管徑的直管段，流量計垂直安裝可易于消除過多沉淀物。各種上游管件的直管段長度推薦值如圖3所示。

圖3 上游直管段長度推薦值Fig.3 Recommended length values for upstream straight pipe sections

1.4 液體電導率的影響

如果被測液體介質的電導率在流量計的測量區域內是均勻一致的，則電場分布與液體介質電導率無關。如果通過流量計的液體電導率不一致，則可能產生測量誤差。若液體介質的電導率過低，則測量偏差會較大，電磁流量計無法對其準確測量（本次改造使用的電磁流量計可測量的液體電導率最小為5μS/cm）。

2 新型流量計的優點

2.1 操作簡便快捷

新型流量計為ABB公司的FEP300電磁流量計，其具有觸摸屏功能，并可修改為中文顯示，具有菜單導航功能，更方便尋找和更改設備參數，極大地提高了檢修效率，使用更安全、簡捷。

2.2 檢修更換方便

因為新型流量計的轉換器和傳感器分別配有芯片，若流量計轉換器或傳感器某一方故障損壞，對其進行更換后，能夠一鍵導入歷史數據和原流量計的參數，不需要重新設置，十分智能。這能節省大量的檢修時間，讓機組盡快恢復安全運行狀態。

2.3 擁有空管檢測功能

在討論電磁流量計原理時，提到過這樣一個問題：測量條件是需要導電液體充滿測量管。這是因為不滿管管道的面積不確定，不能得到實際流過測量管的正確流量，反而還能帶來各種干擾信號。因此，在智能化電磁流量轉換器中，常常設計空管檢測電路來報警傳感器測量管道的非充滿狀態。這項功能能夠更好地反映被測管道狀態，工作人員也能更加迅速地發現異常并進行處理，提高了核電廠安全運行的穩定性。

2.4 報警提示

若流量計故障或接線松動時，顯示屏主頁會提示出錯狀態和報警，對于現場檢修工作可以快速鎖定故障點，極大地縮短了檢修時間，保證機組的安全性。

2.5 密碼功能

此流量計的二次表（轉換器）可設置密碼，防止非專業人員錯誤修改設備參數。此項功能提高了設備的私密性，可以避免他人惡意操作。

3 流量計的安裝要求

3.1 流量方向

流量計可雙向測量流量，出廠設置為正向流動，可手動修改流量計參數來改變測量方向。

3.2 電極軸

電極軸應盡可能保持水平，最大傾斜角度為45°。

3.3 進口和出口直管段

經驗表明在大多數安裝情況下，進口需要3*DN直管段，出口需要2*DN直管段（DN=傳感器的通徑）。理想狀態下可參考進口為10*DN直管段，出口為5*DN直管段。

3.4 垂直安裝

測量磨損較強的流體時采用垂直安裝方式，且為保證流體完全充滿管道，流體流向最好為從下向上[5]。

3.5 水平安裝

水平安裝時必須保證流體介質始終充滿管道，所以安裝管道可稍有傾斜，同時便于排除管道中的氣體雜質。

3.6 自由進口和出口

不得將流量計安裝在管道中的最高點或排放側，因為流量計中的水排出后，可能產生氣泡。在自由進口或者出口使用虹吸管流體進口，使管道保持充滿狀態。

3.7 污染嚴重的流體

對于污染嚴重的流體可能需要頻繁清潔流量計，可采用旁通管道的方式，以便在設備清潔期間系統能夠繼續運行。

3.8 在泵附近安裝

對于需要安裝在泵或者其他振動源設備附近的流量計主體，最好使用機械式防振器。

3.9 高溫型安裝

高溫型安裝需要為傳感器提供全面的保溫，即在設備安裝之后，采取管道和傳感器的保溫措施。

4 現場實施改造難點

現場實施改造工作出現問題，往往是因為準備工作不充分，考慮不全面，以下是實施改造時可能存在的問題。

4.1 流量計體積尺寸

由于是新型流量計，流量計的尺寸、大小改造前后可能會有差異，需要提前核實改造后的傳感器和轉換器是否有合適的安裝空間，避免因體積變大而貼緊或擠壓管道，甚至安裝空間不足等問題。

4.2 材料準備型號

一次表（傳感器）安裝時涉及到墊片、接地線、法蘭螺栓等材料，所以需要考慮到墊片和螺栓的尺寸是否合適，以及接地線如何連接等問題。

4.3 信號線的端接

由于采用的是分體型流量計，傳感器和轉換器之間需有信號線進行連接，同時流量計顯示器的尺寸以及安裝位置有變化，要充分考慮電源線、信號線長度是否合適，以及進線的開孔位置和路徑也要充分考慮。需要注意的是進行信號線端接時一定要保證連接準確，否則會無法測量，甚至損壞流量計。

4.4 實施窗口

由于核取樣系統自身的工藝流程原因，在更換流量計時會導致下游硼濃度計不可用，影響機組操縱員判斷，進而影響機組安全運行的穩定性，故現場實施前需計劃排程實施窗口，將風險降至最低。本次改造安排在機組大修期間，實施窗口相對來說比較安全，如不能在機組停運期間實施的，必須進行全面地風險分析和質量管控，避免增加機組的風險。

4.5 實施風險

當控制柜內有多臺機組的流量計二次表（轉換器）時，單臺機組大修時實施改造會影響其他機組的流量計顯示，甚至會影響機組狀態。同時，如果其他機組未進行改造，且新舊轉換器尺寸不同，則需要加工舊表的柜門門板，這可能會對現場實施改造工作帶來一定的影響。

4.6 管道設計

對于需要重新設計管道或首次設計管道的改造項目，一定要采用U型管道或傾斜管道來保證被測介質液體能夠完全充滿整個管道。若液體介質磨損性較強，可采用下進上出的垂直安裝方式，既可減少磨損，亦能保證液體介質充滿管道。若液體介質無法充滿管道，則測量結果可能為0，甚至是任一不正確數值，將導致流量計失去測量作用。所以對于能夠進行管道設計的工作，一定要盡可能地為流量計提供被測介質滿管的條件。

5 現場使用遇到的問題與應對措施

5.1 顯示屏易誤碰問題

因為新型流量計的轉換器是觸屏操作，使用過程中發現其按鍵較敏感，如果他人在旁工作衣服碰到可能會誤碰，存在人因失誤風險。對此設計了觸摸屏防誤碰保護罩，現場安裝后有效解決易誤碰問題。

5.2 顯示器黑屏問題

機組日常運行期間曾出現轉換器屏幕黑屏的情況，檢查后發現是其內部電路板元器件燒壞導致。亦有幾臺流量計顯示有花屏傾向，預估長時間后會導致轉換器屏幕模糊不清，甚至影響讀數。此批流量計投入運行不滿一年，如此短的時間內出現多起質量問題，為以后電磁流量計的使用累計了經驗，也為其他電廠相關工作提供了參考。

5.3 空管報警設定閾值問題

1）流量計顯示虛假值，對其分析后發現是空管報警設定閾值導致的問題。流量計空管報警的原理是將介質導電性能測量值與閾值設定值相比較，若測量值大于閾值則空管報警觸發，流量強制為0；若測量值小于閾值，介質滿管則顯示真實流量值，介質空管則顯示虛假值。

2）管道有流量但顯示為0，是由于流量計兩端的管線并不是呈U型，而是呈倒U型，可能因此工藝管線問題，導致流過流量計的介質并不能很好地充滿管道。這可能導致有流量與空管兩種情況下的介質導電測量值沒有明顯變化（正常情況下有流量時的測量值要明顯小于空管時的測量值），測量值大于設定閾值強制為空管報警，顯示為0。

5.4 流量計的維護

流量計傳感器基本上無需維護，應每年檢查以下方面：

①環境條件（通風、濕度）；②過程連接的密封完好性；③電纜入口點和保護蓋螺絲；④輔助電源的工作可靠性，避雷裝置和接地裝置。

在記錄相同的流量時，如果轉換器上的流量信息產生變化，則必須清潔流量計傳感器的內部電極。如果顯示屏顯示流量較高，表示污染物造成絕緣。如果顯示屏顯示較低流量，表示污染物造成短路。如需維修內襯、電極或者電磁線圈，只能返廠維修。

6 結論

綜上分析，安裝流量計時首先應保證流量計安裝在垂直管道、稍傾斜管道或是U型管道上，確保有流量時被測介質能夠完全充滿管道；其次，將流量計的設定閾值調整至有流量時的測量值與空管時的測量值之間。這樣有流量時實際測量值會小于設定閾值，流量計運行正常，能夠準確顯示。空管時實際測量值大于設定閾值，觸發空管報警流量顯示為0，如此能夠有效地解決空管報警設定閾值所引起的問題，保證流量計的顯示準確，提高了流量計的可靠性，對機組安全穩定運行提供了保障。

同時，在改造實施階段以及流量計投入使用后所遇到的問題和解決措施均在文中予以陳述，可為其他電廠的相關改造工作提供經驗和借鑒。