旋進(jìn)漩渦流量計在電站氫氣干燥系統中的改造應用
摘要：介紹旋進(jìn)漩渦式流量計在田灣核電站發(fā)電機氫氣干燥系統上的改造應用，成功實(shí)現了復雜工況下低靜壓系統氫氣流量的長(cháng)時(shí)間連續測量，對國內電站在同類(lèi)工藝的儀表選型及應用具有一定的參考意義。
1 概述
田灣核電站汽輪發(fā)電機采用水—氫—氫冷卻，即：定子繞組采用水冷卻，轉子繞組用氫氣冷卻，鐵芯采用氫氣冷卻。
機組功率運行時(shí)通過(guò)氫氣干燥器控制發(fā)電機內氫氣濕度在5%~20%范圍內，其流程如圖1所示。氫氣干燥器由兩路干燥罐組成，一路干燥罐干燥時(shí)，另一路干燥罐再生，干燥罐再生時(shí)通過(guò)干燥罐內的電加熱器蒸發(fā)干燥劑內的水分，蒸發(fā)的水分隨氫氣通過(guò)再生管線(xiàn)排出，干燥罐再生時(shí)通過(guò)手動(dòng)調節再生管線(xiàn)上流量計的流量在8~12m3/h范圍內，從而使再生罐內的干燥劑充分再生。系統中的磁力風(fēng)機用以提升氫氣的入口壓力，原系統使用玻璃管浮子式流量計測量再生管線(xiàn)氫氣流量。
圖1 田灣核電站氫氣干燥器系統流程圖
由于氫氣系統內含有大量密封油和水等雜質(zhì)，浮子流量計無(wú)法實(shí)現對系統長(cháng)時(shí)間連續穩定的流量測量，同時(shí)玻璃管浮子流量計存在爆裂的風(fēng)險，給機組的安全穩定運行增加了風(fēng)險。
2 問(wèn)題提出
氫氣干燥器系統原來(lái)使用的再生管線(xiàn)流量計為純機械顯示式的，管內有一浮子，浮子根據流量計兩端介質(zhì)的壓差上下浮動(dòng)，從而實(shí)現氣體流量的測量；機械式浮子流量計在使用過(guò)程中出現過(guò)以下問(wèn)題：
（1）玻璃管流量計內膽由玻璃管組成，浮子位于管內，系統正常運行時(shí)，由于系統內含有水和油等雜質(zhì)，造成玻璃管熱脹冷縮，系統長(cháng)時(shí)間運行后流量計的玻璃管內膽上會(huì )出現裂紋，造成氫氣泄漏，如遇火花或靜電時(shí)將造成氫氣爆炸的嚴重后果。
2010年5月4日田灣核電站1號機組功率運行期間發(fā)生了玻璃管流量計內膽破碎，造成大量氫氣泄漏到廠(chǎng)房?jì)?，機組快速甩負荷；因此玻璃管流量計在氫氣干燥器上使用存在著(zhù)巨大的工業(yè)安全隱患。
（2）氫氣干燥器正常運行時(shí)有兩種工作模式：系統中的磁力風(fēng)機投運和磁力風(fēng)機未投運。
當氫氣濕度低于5%時(shí)，手動(dòng)停運磁力風(fēng)機，此時(shí)氫氣的干燥循環(huán)由發(fā)電機轉子的轉動(dòng)提供動(dòng)力，流量計兩端的壓差約為0.02MPa；當氫氣濕度大于20%時(shí)，手動(dòng)投運磁力風(fēng)機，磁力風(fēng)機能夠提升流量計兩端的壓差約為0.015MPa，因此流量計兩端的壓差約為0.035MPa。
田灣核電站發(fā)電機內氫氣使用透平油進(jìn)行密封，由于油壓大于氫壓，氫氣在循環(huán)干燥過(guò)程中會(huì )將部分油質(zhì)帶入氫氣干燥器系統中，造成氫氣干燥系統內含有大量的油質(zhì)，氫氣通過(guò)浮子流量計時(shí)氣體中的油質(zhì)會(huì )粘附在流量計內的浮子上，經(jīng)長(cháng)時(shí)間積累形成油垢，增加了浮子本身的重量，浮子能夠正常浮起的最小壓差也隨之增大；當浮子與油垢的重量增加到0.02MPa以上，在氫氣的濕度低于5%，停運磁力風(fēng)機的工作模式下，浮子流量計無(wú)法實(shí)現測量功能；當浮子與油垢的重量增加到0.035MPa以上，即使投運磁力風(fēng)機，浮子流量計無(wú)法測量出氫氣流量。
當大量雜質(zhì)粘附在浮子上，造成浮子流量計無(wú)法測量氫氣流量時(shí)，需在線(xiàn)隔離氫氣干燥器系統清洗浮子，降低了氫氣干燥器系統的可用率，對機組安全穩定運行增加了風(fēng)險。
氫氣干燥系統使用的玻璃管式浮子流量計既無(wú)法滿(mǎn)足現場(chǎng)的工業(yè)安全要求也無(wú)法實(shí)現在復雜系統中長(cháng)時(shí)間連續準確測量氫氣流量的功能。為解決上述問(wèn)題，需使用合適的流量計替代玻璃管浮子流量計。
3 流量計的選型
根據現場(chǎng)的工業(yè)安全要求，首先選用了金屬管浮子流量計替代玻璃管浮子流量計，金屬管式浮子流量計由金屬管和浮子及指針組成，當有氣體流過(guò)時(shí)，浮子浮動(dòng)，通過(guò)磁性帶動(dòng)指針，顯示當前氣體流量；將金屬式浮子流量計安裝到現場(chǎng)并驗證，在氫氣干燥器剛剛投運且磁力風(fēng)機未投運模式下，金屬管式流量計無(wú)法實(shí)現流量測量；在磁力風(fēng)機投運模式下，金屬管式流量計可以準確測量氫氣流量。
根據現場(chǎng)的試驗結果，由于金屬管式浮子流量計浮子重量超過(guò)了磁力風(fēng)機未投運時(shí)流量計兩端的壓差，金屬管式浮子流量計無(wú)法實(shí)現正常測量，因此金屬管式流量計不能滿(mǎn)足現場(chǎng)使用要求。
考慮到系統的靜壓差小的特點(diǎn)，重新選用了防爆型旋進(jìn)漩渦式流量計，旋進(jìn)漩渦流量計通流管道采用鑄鋁合金材料，滿(mǎn)足系統的防爆安全要求；旋進(jìn)漩渦流量計由漩渦發(fā)生體、殼體、智能流量計積算儀、溫度傳感器、壓力傳感器、壓電晶體傳感器、消旋器7個(gè)基本部件組成，流量傳感器的流通剖面類(lèi)似文丘利管的型線(xiàn)（圖2）。
圖2 旋進(jìn)漩渦流量計剖面圖
在入口側安放一組螺旋型導流葉片，當流體進(jìn)入流量傳感器時(shí)，導流葉片迫使流體產(chǎn)生劇烈的旋渦流。當流體進(jìn)入擴散段時(shí)，旋渦流受到回流的作用，開(kāi)始作二次旋轉，形成陀螺式的渦流進(jìn)動(dòng)現象。該進(jìn)動(dòng)頻率與流量大小成正比，不受流體物理性質(zhì)和密度的影響，檢測元件測得流體二次旋轉進(jìn)動(dòng)頻率就能在較寬的流量范圍內獲得良好的線(xiàn)性度。信號經(jīng)前置放大器放大、濾波、整形轉換為與流速成正比的脈沖信號，然后再與溫度、壓力等檢測信號一起被送往微處理器進(jìn)行積算處理，最后在液晶顯示屏上顯示出測量值。
4 現場(chǎng)應用
旋進(jìn)漩渦式流量計公稱(chēng)直徑規格可在15~200mm選擇，可實(shí)現1~3600m3/h的流量測量；田灣核電站氫氣干燥器再生管線(xiàn)的流量要求在8~12m3/h范圍內，為使儀表測量準確，選擇了公稱(chēng)直徑20mm的旋進(jìn)漩渦式流量計，測量范圍1.5~15m3/h，儀表精度等級1.0；為驗證流量計的可用性，在流量計安裝到氫氣干燥器再生管線(xiàn)后（如圖3），進(jìn)行了相關(guān)試驗，為保證測量結果的準確性，在流量計安裝前委托有相關(guān)資質(zhì)的計量單位對旋進(jìn)漩渦流量計進(jìn)行了標定，標定結果合格，在流量計誤差精度范圍內。
圖3 旋進(jìn)漩渦流量計安裝圖
氫氣干燥器系統剛投運：在磁力風(fēng)機停運模式下，手動(dòng)調節流量計流量，可以將再生流量調節到系統運行要求的8~12m3/h范圍內；在磁力風(fēng)機投運模式下，手動(dòng)調節流量計流量，再生流量能夠調節到8~12m3/h范圍內。
從試驗的結果可以驗證旋進(jìn)漩渦式流量計在氫氣干燥器系統剛投運時(shí)能夠準確測量?jì)煞N工作模式下再生管線(xiàn)的氫氣流量。
在氫氣干燥器系統連續運行3個(gè)月后，對旋進(jìn)漩渦式流量計進(jìn)行相關(guān)試驗，試驗結果與氫氣干燥器系統剛投運時(shí)的試驗結果一致，即在氫氣干燥器系統運行3個(gè)月后，旋進(jìn)漩渦式流量計仍可準確測量?jì)煞N工作模式下再生管線(xiàn)氫氣流量。
為進(jìn)一步驗證旋進(jìn)漩渦式流量計的可用性，分別在氫氣干燥器系統投運6個(gè)月、9個(gè)月、12個(gè)月對旋進(jìn)漩渦式流量計進(jìn)行相關(guān)試驗。試驗結果見(jiàn)表1。
表1 旋進(jìn)漩渦式流量計在氫氣干燥器系統的試驗結果
從試驗結果可以看出：
旋進(jìn)漩渦式流量計在氫氣干燥器運行的一年時(shí)間內，工作情況穩定，能夠滿(mǎn)足在復雜工況系統中準確測量氣體的流量；儀表運行12個(gè)月后，為驗證儀表測量的準確性，對流量計進(jìn)行了重新標定，標定結果合格，說(shuō)明試驗過(guò)程流量計測量的數據真實(shí)準確。因此旋進(jìn)漩渦式流量計滿(mǎn)足了田灣核電站氫氣干燥器現場(chǎng)使用的要求，旋進(jìn)漩渦式流量計選型是成功的。
5 結束語(yǔ)
旋進(jìn)漩渦式流量計在田灣核電站屬首次應用，經(jīng)過(guò)現場(chǎng)的驗證旋進(jìn)漩渦式流量計可以實(shí)現復雜低靜壓氣體系統的長(cháng)時(shí)間連續流量測量，對于石油、化工、電力、冶金、城市供氣等行業(yè)各種氣體流量測量中特別是測量介質(zhì)比較復雜的系統可參考使用。
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