基于超聲波流量計的HFETR二次水流量測量系統(tǒng)

高通量工程試驗堆反應(yīng)堆二次水回路流量測量在設(shè)計時采用孔板流量計進行測量，后期為響應(yīng)國家節(jié)能環(huán)保要求，上海上儀股份公司在保證系統(tǒng)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(cè)冷卻水管道進行供水。一臺主泵供水導致二次水回路管道不滿管，受測量原理限制，孔板流量計測量數(shù)據(jù)無法再準確反映出二次水管道內(nèi)流量是否斷流，給反應(yīng)堆運行帶來安全隱患。因此，在原管道上加裝超聲波流量測量系統(tǒng)。經(jīng)測試，超聲波流量計在不滿管狀態(tài)下依然能夠測到穩(wěn)定的二次水回路流量，表明基于超聲波流量計的 HFETR 測量系統(tǒng)達到系統(tǒng)設(shè)計目的。

0 引言

高通量工程試驗堆（簡稱 HFETR）流體流量連續(xù)監(jiān)測，對于反應(yīng)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(tǒng)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(shù)字顯示表構(gòu)成。為響應(yīng)國家節(jié)能環(huán)保要求，在保證系統(tǒng)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(cè)冷卻水管道進行供水。由于一臺主泵無法實現(xiàn)管內(nèi)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(yīng)堆運行帶來安全風險。本系統(tǒng)采用超聲波流量計測量代替原有的孔板流量計，實現(xiàn)二次水流量較準確的監(jiān)測，提高測量的穩(wěn)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(zhuǎn)化為差壓信號或頻率信號的儀表。工業(yè)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(nèi)流體通過節(jié)流元件時，其流量與節(jié)流件內(nèi)的壓差之間的關(guān)系來確定管道內(nèi)流量[1]；速度式流速測量儀表是利用管內(nèi)流體的流速和流量成比例關(guān)系。

1.1 孔板流量計

一體化孔板流量計是將標準孔板與多參數(shù)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(cè)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(nèi)部轉(zhuǎn)化為電流或電壓信號，輸出與流量成線性函數(shù)關(guān)系的直流信號。

孔板流量計的測量是建立在以孔板穩(wěn)定流動的基礎(chǔ)上，當管內(nèi)流體不滿管時，管道中由于氣體的流速和壓力發(fā)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(xiàn)象時，穩(wěn)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(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的裝置，超聲波流量計可以發(fā)射超聲波和接收超聲波回波，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(chǎn)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(guān)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(shù) ；D 為管道內(nèi)徑 ；T up 為聲束在正方向上的傳播時間 ；T down 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(fā)生器和接收器（T1,R1）和（T2,R2），兩臺超聲波發(fā)生器相向發(fā)送超聲波信號，通過測量超聲波發(fā)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] 。

根據(jù)液體流速，結(jié)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，能夠通過超聲波流量計數(shù)據(jù)為二次水流量是否斷流提供較為準確的判斷依據(jù)。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，因此非常終確定采用超聲波流量計代替孔板流量計實現(xiàn)對二次水流量的測量。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于超聲波流量計的二次水流量測量系統(tǒng)包括超聲波探頭、流量計主機、信號隔離器和記錄儀。本系統(tǒng)采用速度式流量測量儀表，利用管內(nèi)流體的流速和流量成一定的比例關(guān)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 ?T，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 ?T進行運算，并轉(zhuǎn)換成速度之差，進而測得流體流速。根據(jù)管內(nèi)流體的流速和流量成一定的比例關(guān)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(jīng) I/V 轉(zhuǎn)換成 1VDC ～ 5V DC 送至數(shù)顯記錄儀顯示流量值。

2.2 系統(tǒng)安裝

根據(jù)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(xié)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(cè)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(fù)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。

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(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)測試

基于超聲波流量計的 HFETR 二次水流量測量系統(tǒng)測試過程分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試，靜態(tài)測試用于測試后端系統(tǒng)轉(zhuǎn)化精度，動態(tài)測試用于測試系統(tǒng)整體測量穩(wěn)定性。

3.1 靜態(tài)測試

靜態(tài)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(shù)據(jù)。遠傳線路與顯示儀表的誤差在允許誤差范圍之內(nèi)，滿足使用要求。

3.2 動態(tài)測試

動態(tài)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(tǒng)趨于穩(wěn)定，間隔 10min 記錄 1 組流量數(shù)據(jù)，記錄 3組流量數(shù)據(jù)。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(tǒng)穩(wěn)定后，間隔 10min 記錄一組流量數(shù)據(jù)，記錄 3 組流量數(shù)據(jù)。

由數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)均在 9000t/h 左右，兩套測量系統(tǒng)測量值非常大偏差為 320t/h ；在一臺小泵運行工況下，超聲波流量計有較穩(wěn)定的測量值，原孔板流量顯示負值，無法得到測量數(shù)據(jù)。

根據(jù)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)儀器儀表設(shè)備的精度進行系統(tǒng)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(shù)顯記錄儀數(shù)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(tǒng)誤差為 ：滿足測量誤差要求。

4 結(jié)語

經(jīng)過對系統(tǒng)靜態(tài)測試和動態(tài)測試，基于超聲波流量計的 HFETR 二次水流量測量系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，在二次水流量不滿管的情況下可正常對流量數(shù)據(jù)進行測量，達到了系統(tǒng)設(shè)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(xù)對二次水流量進行監(jiān)測。經(jīng)長期運行考驗，超聲波流量計測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，上海上儀股份公司可代替孔板流量計完成對二次水回路流量的測量。