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电磁流量计

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核电厂核取样系统电磁流量计升级改造与应用

来源:中核核电运行管理有限公司 浙江 海盐作者:郭鹏昌,官 辉,汪 达发表时间:2023-10-07 10:25:53

 摘 要 :核取样系统是核电厂重要系统之一,通过对系统工艺中液体和气体的化学离子、放射性分析,以掌握设备运行状态和实现放射性可控。目前,核电厂核取样系统使用的老式电磁流量计已停产,现将替换为功能更全面、使用更方便的 ABB 公司 FEP300 新型电磁流量计,其具有触摸屏功能,并可修改为中文显示,极大地提高了检修效率,使用更安全、便捷。本文论述了升级改造实施过程中的难点,投入使用后的问题反馈以及应对措施和处理方法,该经验可为其他电厂实施相同改造提供借鉴。

 
引言
核取样系统可集中抽取供化学分析和放射性化学分析用的液体样品和气体样品 [1],使其化学参数、放射性在可控的范围内,以保证设备正常运行和电厂的安全。
 
在机组功率运行或热备用期间,通过与插入限值有关的控制棒束位置来检测硼浓度的快速变化。在热停堆、正常冷停堆、换料或维修停堆期间,对反应堆冷却剂硼浓度的连续监测,指示了有效停堆裕量并允许对反应堆冷却剂误稀释进行检测。
 
此外,该系统还具有很重要的事故后功能。它可以从反应堆冷却剂系统和安全壳喷淋系统收集高放射性的液体样品,也可从蒸汽发生器排污系统取样,来检查一次侧向二次侧可能的泄漏,有助于事故的诊断和控制 [2]。
 
1 电磁流量计概述
1.1 基本结构
电磁流量计由传感器和转换器两部分组成,按传感器和转换器的构成方式可分为分体型和一体型两种(见图 1)。分体型是将传感器和转换器各自独立设置,中间用信号线连接 ;一体型是将传感器和转换器作为一个整体设置。本次改造考虑到现场工艺和环境剂量问题,采用的是分体型流量计。
电磁流量计原理图流量计构成方式
传感器包括下列单元 :
1)流过被测导电液体的电绝缘测量管。
2)一对或多对径向对置的电极,测量由导电液体流动所产生的信号。
3)在测量管中产生磁场的电磁体。转换器的主要作用如下 :
a)对流量信号进行放大、转换和显示,并输出为其他装置能接受的信号。
b)尽可能消除杂散电动势,这其中包含着共模信号和正交信号。
c)若需要,可补偿电源电压和频率的变化。
d)可补偿或减小传感器中磁感应强度的变化 [3]。
 
1.2 工作原理
电磁流量计依据的基本原理是法拉第电磁感应定律,当导体在磁场中做切割磁力线运动时,导体内将产生感应电动势。该感应电动势 UE 与磁感应强度 B、电极间距离 D和平均流速 V 成正比。因电磁感应强度 B 和电极距离 D 是常数,所以感应电动势 UE 与平均流速成正比,而体积流量又与流速 V 成正比,所以体积流量与感应信号成正比。在信号转化器中,该感应信号电压被转换成体积流量,同时转换成可编程的模拟量作为信号输出。还包括传感器的励磁方式、电极的选择、防护等级、安装注意事项(防止滴漏、过大温差、避开强震、防止暴晒)。转换器相当于他的大脑,主要功能是向传感器线圈产生工作磁场提供一个励磁电流,同时用于对流量电动势信号实现放大与转换功能 [4]。
 
1.3 流量计口径的选择
1)一般情况下选用流量计口径等于工艺管道口径。
2)当流体介质能在传感器中造成沉积物,且流速偏低,可选择仪表口径小于工艺管道口径,在仪表前后加异径管,使仪表内局部流速提高。
3)对于大口径工艺管道,在管道内流速偏低,工艺流量较稳定时,可选择口径较小的仪表,在仪表前后加异径管,为了保证仪表测量精确度,异径管的中心锥角应不大于 15°,且异径管接头的上游侧至少应有 5 倍工艺管径的直管段,流量计垂直安装可易于消除过多沉淀物。各种上游管件的直管段长度推键值如图 3 所示。
上游直管段长度推键值
1.4 液体电导率的影响
如果被测液体介质的电导率在流量计的测量区域内是均匀一致的,则电场分布与液体介质电导率无关。如果通过流量计的液体电导率不一致,则可能产生测量误差。若液体介质的电导率过低,则测量偏差会较大,电磁流量计无法对其准确测量(本次改造使用的电磁流量计可测量的液体电导率最小为 5μS/cm)。
 
2 新型流量计的优点
2.1 操作简便快捷
新型流量计为 ABB 公司的 FEP300 电磁流量计,其具有触摸屏功能,并可修改为中文显示,具有菜单导航功能,更方便寻找和更改设备参数,极大地提高了检修效率,使用更安全、简捷。
 
2.2 检修更换方便
因为新型流量计的转换器和传感器分别配有芯片,若流量计转换器或传感器某一方故障损坏,对其进行更换后,能够一键导入历史数据和原流量计的参数,不需要重新设置,十分智能。这能节省大量的检修时间,让机组尽快恢复安全运行状态。
 
2.3 拥有空管检测功能
在讨论电磁流量计原理时,提到过这样一个问题 :测量条件是需要导电液体充满测量管。这是因为不满管管道的面积不确定,不能得到实际流过测量管的正确流量,反而还能带来各种干扰信号。因此,在智能化电磁流量转换器中,常常设计空管检测电路来报警传感器测量管道的非充满状态。这项功能能够更好地反映被测管道状态,工作人员也能更加迅速地发现异常并进行处理,提高了核电厂安全运行的稳定性。
 
2.4 报警提示
若流量计故障或接线松动时,显示屏主页会提示出错状态和报警,对于现场检修工作可以快速锁定故障点,极大地缩短了检修时间,保证机组的安全性。
 
2.5 密码功能
此流量计的二次表(转换器)可设置密码,防止非专业人员错误修改设备参数。此项功能提高了设备的私密性,可以避免他人恶意操作。
 
3 流量计的安装要求
3.1 流量方向
流量计可双向测量流量,出厂设置为正向流动,可手动修改流量计参数来改变测量方向。
 
3.2 电极轴
电极轴应尽可能保持水平,最大倾斜角度为 45°。
3.3 进口和出口直管段
经验表明在大多数安装情况下,进口需要 3*DN 直管段,出口需要 2*DN 直管段(DN= 传感器的通径)。理想状态下可参考进口为 10*DN 直管段,出口为 5*DN 直管段。
 
3.4 垂直安装
测量磨损较强的流体时采用垂直安装方式,且为保证流体完全充满管道,流体流向很好为从下向上 [5]。
 
3.5 水平安装
水平安装时必须保证流体介质始终充满管道,所以安装管道可稍有倾斜,同时便于排除管道中的气体杂质。
 
3.6 自由进口和出口
不得将流量计安装在管道中的最高点或排放侧,因为流量计中的水排出后,可能产生气泡。在自由进口或者出口使用虹吸管流体进口,使管道保持充满状态。
 
3.7 污染严重的流体
对于污染严重的流体可能需要频繁清洁流量计,可采用旁通管道的方式,以便在设备清洁期间系统能够继续运行。
3.8 在泵附近安装
对于需要安装在泵或者其他振动源设备附近的流量计主体,很好使用机械式防振器。
3.9 高温型安装
高温型安装需要为传感器提供全面的保温,即在设备安装之后,采取管道和传感器的保温措施。
 
4 现场实施改造难点
现场实施改造工作出现问题,往往是因为准备工作不充分,考虑不全面,以下是实施改造时可能存在的问题。
4.1 流量计体积尺寸
由于是新型流量计,流量计的尺寸、大小改造前后可能会有差异,需要提前核实改造后的传感器和转换器是否有合适的安装空间,避免因体积变大而贴紧或挤压管道,甚至安装空间不足等问题。
4.2 材料准备型号
一次表(传感器)安装时涉及到垫片、接地线、法兰螺栓等材料,所以需要考虑到垫片和螺栓的尺寸是否合适,以及接地线如何连接等问题。
 
4.3 信号线的端接
由于采用的是分体型流量计,传感器和转换器之间需有信号线进行连接,同时流量计显示器的尺寸以及安装位置有变化,要充分考虑电源线、信号线长度是否合适,以及进线的开孔位置和路径也要充分考虑。需要注意的是进行信号线端接时一定要保证连接准确,否则会无法测量,甚至损坏流量计。
 
4.4 实施窗口
由于核取样系统自身的工艺流程原因,在更换流量计时会导致下游硼浓度计不可用,影响机组操纵员判断,进而影响机组安全运行的稳定性,故现场实施前需计划排程实施窗口,将风险降至最低。本次改造安排在机组大修期间,实施窗口相对来说比较安全,如不能在机组停运期间实施的,必须进行全面地风险分析和质量管控,避免增加机组的风险。
 
4.5 实施风险
当控制柜内有多台机组的流量计二次表(转换器)时,单台机组大修时实施改造会影响其他机组的流量计显示,甚至会影响机组状态。同时,如果其他机组未进行改造,且新旧转换器尺寸不同,则需要加工旧表的柜门门板,这可能会对现场实施改造工作带来一定的影响。
 
4.6 管道设计
对于需要重新设计管道或shou次设计管道的改造项目,一定要采用 U 型管道或倾斜管道来保证被测介质液体能够完全充满整个管道。若液体介质磨损性较强,可采用下进上出的垂直安装方式,既可减少磨损,亦能保证液体介质充满管道。若液体介质无法充满管道,则测量结果可能为0,甚至是任一不正确数值,将导致流量计失去测量作用。所以对于能够进行管道设计的工作,一定要尽可能地为流量计提供被测介质满管的条件。
 
5 现场使用遇到的问题与应对措施
5.1 显示屏易误碰问题
因为新型流量计的转换器是触屏操作,使用过程中发现其按键较敏感,如果他人在旁工作衣服碰到可能会误碰,存在人因失误风险。对此设计了触摸屏防误碰保护罩,现场安装后有效解决易误碰问题。
 
5.2 显示器黑屏问题
机组日常运行期间曾出现转换器屏幕黑屏的情况,检查后发现是其内部电路板元器件烧坏导致。亦有几台流量计显示有花屏倾向,预估长时间后会导致转换器屏幕模糊不清,甚至影响读数。此批流量计投入运行不满一年,如此短的时间内出现多起质量问题,为以后电磁流量计的使用累计了经验,也为其他电厂相关工作提供了参考。
 
5.3 空管报警设定阈值问题
1)流量计显示虚假值,对其分析后发现是空管报警设定阈值导致的问题。流量计空管报警的原理是将介质导电性能测量值与阈值设定值相比较,若测量值大于阈值则空管报警触发,流量强制为 0 ;若测量值小于阈值,介质满管则显示真实流量值,介质空管则显示虚假值。
2)管道有流量但显示为 0,是由于流量计两端的管线并不是呈 U 型,而是呈倒 U 型,可能因此工艺管线问题,导致流过流量计的介质并不能很好地充满管道。这可能导致有流量与空管两种情况下的介质导电测量值没有明显变化(正常情况下有流量时的测量值要明显小于空管时的测量值),测量值大于设定阈值强制为空管报警,显示为 0。
 
5.4 流量计的维护
流量计传感器基本上无 xu维护,应每年检查以下方面:
①环境条件(通风、湿度);②过程连接的密封完好性 ;③电缆入口点和保护盖螺丝 ;④辅助电源的工作可靠性,避雷装置和接地装置。
 
在记录相同的流量时,如果转换器上的流量信息产生变化,则必须清洁流量计传感器的内部电极。如果显示屏显示流量较高,表示污染物造成绝缘。如果显示屏显示较低流量,表示污染物造成短路。如需维修内衬、电极或者电磁线圈,只能返厂维修。
 
6 结论
综上分析,安装流量计时shou先应保证流量计安装在垂直管道、稍倾斜管道或是 U 型管道上,确保有流量时被测介质能够完全充满管道 ;其次,将流量计的设定阈值调整至有流量时的测量值与空管时的测量值之间。这样有流量时实际测量值会小于设定阈值,流量计运行正常,能够准确显示。空管时实际测量值大于设定阈值,触发空管报警流量显示为 0,如此能够有效地解决空管报警设定阈值所引起的问题,保证流量计的显示准确,提高了流量计的可靠性,对机组安全稳定运行提供了保障。
 
同时,在改造实施阶段以及流量计投入使用后所遇到的问题和解决措施均在文中予以陈述,可为其他电厂的相关改造工作提供经验和借鉴。

 

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