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陽江核電站REN核取樣系統電磁流量計改造

來源:陽江核電有限公司作者:張晨東發表時間:2018-09-28 15:26:32

 摘 要:陽江核電站REN核取樣系統現有流量測量采用的是法國福爾赫曼生產的渦輪流量計,該類型流量計在運行過程中故障頻發,耗費大量人力物力,影響REN系統設備的安全穩定運行。本文從原理上對渦輪流量計故障原因進行分析,確認渦輪流量計不適用于現場工況,需要進行產品換型改造。從改造換型所用電磁流量計的特性出發,闡述選擇電磁流量計作為換型產品的原因,并通過現場反饋和持續改進,確認所選電磁流量計適用于REN核取樣系統工況。

 
引言
核電站由于其特殊性,尤其重視運行期間的安全性。核電站一回路水質指標信息具有時效性強、準確性高的特點,一回路水質指標預警預報和趨勢分析要求快速、準確、實時地采集和傳遞監測信息。核電站的儀表及儀控系統構成了核電站的“中樞”神經系統,對核電站整體工藝流程正常、高效、安全地運行起著不可替代的作用。由于核電項目建設的特殊性,對于儀器設備的要求較高,尤其是儀器設備的穩定性及安全性。目前陽江核電站REN系統采用的是渦輪流量計對核取樣介質進行流量測量,陽江核電站1號~4號機運行的REN系統相關MD出現故障的頻率較高。所以迫切地需要找到渦輪流量計的故障原因及解決方案。
 
1 現狀及影響
陽江核電站REN系統MD采用的是法國福爾赫曼生產的渦輪流量計,在生產運行中故障頻發,當REN系統MD管線長期未投用或機組處于大修啟動階段時,出現的故障概率更高。這不僅導致了人力和物力的浪費,還會對系統造成以下幾種影響:
渦輪流量計原理示意圖渦輪流量計結構圖
1) REN 系統 MD 故障,影響 REN 系統取樣管道流量顯示。
2) REN007 / 020MD為硼表正常環路 / 備用環路(三環路)流量計,當MD出現故障無顯示后,導致硼表出現低流量報警(流量低于50L/h),即硼表不可用。
3) REN006 / 022MD為氫表取樣管線流量,要求其管線流量測量穩定,當MD出現故障無顯示后,影響氫表流量準確性的判斷。
 
2 渦輪流量計故障原因分析
2.1 渦輪流量計測量原理
在流量測量管道中心安放一個渦輪,兩端由軸承支撐,當流體通過管道時,沖擊渦輪葉片,對渦輪產生驅動力矩,使渦輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而產生旋轉。當渦輪葉片切割由殼體內永久磁鋼產生的磁力線時,就會引起傳感線圈中的磁通變化。傳感線圈將檢測到的磁通周期變化信號送入前置放大器,對信號進行放大、整形,產生與流速成正比的脈沖信號,送入單位換算與流量積算電路得到并顯示累積流量值。在一定的流量范圍內,對一定的流體介質粘度,渦輪的旋轉角速度與流體流速成正比。由此流體流速可通過渦輪的旋轉角速度得到,從而可以計算得到通過管道的流體流量。
 
2.2 故障分析
從渦輪流量計的原理可知,渦輪流量計的原始信號是由渦輪旋轉切割線圈磁感線所產生。所以在使用過程中一定要保證渦輪良好的旋轉性能。經過對現場拆卸下的故障渦輪流量計現場解體渦輪流量計發現如下問題:
1)在渦輪上發現絮狀異物。
2)渦輪內部清理出大量雜質。
渦輪流量計上絮狀異物
使用大流量沖洗后,渦輪流量計內部渦輪仍無法正常旋轉,渦輪流量計無法使用。通過以上拆卸現場渦輪流量計可以看出,流量計主要故障原因:
① 渦輪旋轉體被測液體中絮狀物纏繞卡死,無法正常工作。
② 渦輪旋轉體被測液體中雜質卡死,無法正常工作。
③ 渦輪旋轉體被測液體中雜質快速磨損或者撞擊失效而無法正常工作。
④ 測量介質中有雜物及流量計渦輪直徑和孔隙較小是造成該MD故障率高的根本原因。
 
3 解決方案
基于以上原因分析并通過多種流量計進行對比,最終選擇電磁流量計作為改造換型產品。
 
3.1 電磁流量計的測量原理
電磁流量計原理
電磁流量計的測量原理是基于法拉第電磁感應定律,在測量管道上軸線和磁場磁力線相互垂直的管壁上安裝一對檢測電極,當導電液體沿著管軸線運動時,導電液體做切割磁力線運動,產生感應電動勢。
其值大小為:E=KBDV。
其中:
E-感應電勢。
K-儀表常數。
B-磁感應強度。
D-測量管的內直徑。
V-測量管內液體的流速。
 
3.2 選擇電磁流量計的原因
1)電磁流量計傳感器為光滑直通管,管道內部無可動部件和其它結構件,管道內被測液體能夠正常流過,不會造成管道堵塞,同時壓損小。
2)測量準確度等級為0.5%。
3)安裝方式與原渦輪流量計相同。
4)測量量程比優于渦輪流量計。
5)功能滿足核電站REN系統核輻射照射的要求。
6)能滿足REN系統的抗震要求。
 
4 電磁流量計試用過程中遇到的問題和問題分析
結合現場的工藝流程初步選擇REN022MD(氫表流量計)工藝管段作為電磁流量計應用的安裝位置。
 
4.1 電磁流量計試用過程中的安裝位置和使用環境
圖6黃線所標出的路線為實際管道安裝線路,其中REN006MD為REN022MD上游渦輪流量計,同時作為電磁流量計的一個參考源,REN022MD則為電磁流量計的安裝位置。
安裝管道系統圖傳感器安裝圖
現場安裝實物如圖7和圖8所示。
轉換器安裝圖電磁流量計第一次試用時波動和回零曲線圖
使用環境:
環境溫度<60℃。
介質溫度<80℃。
常用流量為130L/h~140L/h(流速在2m/s左右),在流量計的正常測量范圍以內。
 
4.2 在試用過程中遇到的問題
電磁流量計安裝完成后為了驗證其產品性能專門配備了一臺記錄儀。第一次試用時,通過記錄儀觀察,發現流量波動,最大波動幅值50%;除了波動還存在回零現象。波動曲線和回零曲線如圖9。
 
4.3 原因分析
在電磁流量計本身沒有故障的情況下,以下幾種情況下會導致電磁流量計出現流量波動和回零的情況:
1)調整閥門,導致管道內流體流場波動大。
2)電磁流量計接地不好。
3)外部大功率設備干擾。
4)管道內被測液體中存在異物,撞擊電極,使采集到的信號產生突變,從而導致流量波動或回零。
 
通過現場觀察和了解,確認無人為操作閥門,周圍無大功率設備,轉換器和傳感器均接地良好,管道內被測液體中存在絮狀物體,流量計回零時,流量計上顯示空管報警。經過現場參數測試并從測量原理分析可知:這種情況只可能是電磁流量計的空管耦合信號經一個電極發出到另一個電極接收的這個過程中,空管耦合信號受到異物干擾,導致接收到的空管耦合信號突變,超出空管設定閾值,導致空管報警。
 
因此,可以判斷電磁流量計波動和回零均是由于管道內被測液體中存在絮狀物體導致。所以在此種工況下,電磁流量計必須克服管道內存在的漿液介質噪聲干擾,才能正常使用。
 
5 電磁流量計的改進
5.1 電磁流量計第一次改進
電磁流量計的改造分為轉換器和傳感器兩個部分。初次使用的轉換器為普通型轉換器,廣泛應用于測量單一介質。但是不能抵抗現場還有絮凝物質和雜質的介質在電極處形成的噪聲干擾。噪聲產生的原理如圖10所示。經過大量的試驗研究已經證明電磁流量計勵磁頻率越高或者勵磁磁感應強度越大,在漿液介質中產生噪聲越小。所以通過提高勵磁頻率或者勵磁強度都是解決漿液噪聲可行的方案。
漿液噪聲產生原理
根據現場介質工藝狀況更換為三暢儀表的漿液型電磁流量計。相較于普通電磁流量計,漿液型電磁流量計在勵磁頻率,信號采樣頻率和信號處理算法等方面都有不同。勵磁頻率從2.5Hz增加到25Hz,信號采樣頻率從60Hz增加到19KHz,增加漿液濾波算法。
 
傳感器:增加勵磁線圈扎數,增加鐵芯,從而達到提高信噪比的作用。更改電極結構,以達到更好的密封效果。
電磁流量計勵磁頻率特性圖
5.2 改進后電磁流量計的試用
更換成漿液型的電磁流量計在試用過程中發現兩個問題。
 
1)流量計偏差大,真實值為150L/h時,流量計顯示為220L/h,經檢查發現流量計的空管設定值為6,空管檢測值為6.228,空管設定值與空管檢測值的乘積等于37.368,為D/A輸出的上限值,這說明轉換器判斷為空管狀態,流量計的顯示流量是一個不真實的流量信號,所以不準確。
 
2)經現場調整后,空管檢測值恢復到D/A輸出范圍內,流量也恢復到正常的150L/h。但運行一段時間后流量從150L/h驟降到120L/h,并穩定在120L/h。
 
經分析,導致流量偏差大的原因是因為空管檢測存在問題,導致流量計不能正常測量,需要改進。流量減小的原因是,電極結構的改變,導致電極與襯里之間存在縫隙,被測液體中的絮狀物容易附著,導致信號衰減,流量減小。
 
5.3 電磁流量計第二次改進
針對現場使用的情況,再次對漿液型電磁流量計做了以下兩方面的改進:
1)修改空管檢查方式,以防止空管無判斷。
2)修改電極接觸面,使得電極和襯里之間不存在縫隙
 
5.4 第二次改進后再次試用并進行了性能測試
1)流量顯示118L/h,最低105L/h,最高130L/h,上游1REN006MD轉子流量計顯示為106L/h,兩者偏差12L/h,與化學專業確認在合格范圍內。
 
2)手動關閉1REN216VP(就地基地式調節儀),1REN006MD由102 L/h下降到81 L/h,1REN022MD由115 L/h下降到95 L/h,下降趨勢一致,幅值相近,驗證功能正常。
 
3)化學專業做溶氫試驗時手動開啟Y1REN416VP,Y1REN022MD同步由120L/h下降到92L/h,響應迅速。
4)化學專業做氫表沖洗:先打開Y1REN616VP,再關閉Y1REN216VP,Y1REN022MD電磁流量計示值從117.75L/h 下降到60L/h,再到0L/h,儀表響應迅速。具體曲線如圖12所示。
化學專業做氫表沖洗流量計曲線圖
5.5 結論
經過改進后的電磁流量計適用于陽江核電站REN核取樣系統。
 
6 陽江核電站1號機組和2號機組REN系統電磁流量計改造方案
6.1 Y1/2REN系統電磁流量計統計和表頭擺放位置
 
1號和9號公用機組REN轉子流量計統計:
1REN001MD 1REN002MD 1REN003MD 1REN004MD
1REN005MD
1REN006MD 1REN021MD 1REN022MD 9REN361MD
9REN362MD
9REN363MD 9REN364MD 9REN365MD 9REN366MD
1REN007MD
1REN020MD 16塊表的表頭集中在控制柜1內。
 
2號機組REN轉子流量計統計:
2REN001MD 2REN002MD 2REN003MD 2REN004MD
2REN005MD
2REN006MD 2REN021MD 2REN022MD 2REN007MD
2REN020MD
10塊表的表頭集中在控制柜2內。
 
6.2 控制柜尺寸確認
經現場測量,控制柜為700×500的矩形柜。
 
6.3 電磁流量計轉換器改造
由于現有電磁流量計的表頭無法集成到700×500的矩形柜中,所以需要對電磁流量計轉換器結構進行改進,統一集成到控制柜內。SCLDE電磁流量計轉換器主板由電源板、信號板、顯示板3部分組成。廠家為了現場操作方便將電路板安裝在一體積較大的外殼內,然而陽江現場不需要體積較大的外殼,經過技術評估之后決定直接將電磁流量計主板和記錄儀集成到控制柜中,主板與主板之間用鈑金隔離屏蔽。具體布局圖如圖13所示。
電磁流量計表頭布局圖
改進后的電磁流量計采用220VAC供電,集成在控制柜內,儀表能實現實時顯示、趨勢曲線、邏輯輸出報警等綜合功能。
 
7 電磁流量計改造進度安排
電磁流量計主板和控制柜已完成設計改進,2017年10月初完成PCB板的繪制,11月底完成主板調試,2018年1月底完成控制柜的集成調試。2018年2月在陽江核電站1號機現場完成安裝調試,2018年4月在陽江核電站5號機現場完成安裝調試,目前已安裝的新型電磁流量計在現場運行狀況良好。
 
 
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