核電站差壓流量計的誤差來源和控制策略
核電站的孔板差壓式流量計廣泛應用, 但在核電站冷試期間運行的系統中, 多次出現流量變送器的波動情況。論文結合實際對冷試期間出現的差壓變送器的波動情況, 從儀表安裝規范和實際案例中, 分析差壓流量計波動的誤差來源和控制策略。
1、引言：
核電機組機冷試期間, 先后多次出現差壓式流量變送器的示值波動, 現在從儀表特性、安裝、參數設置等方面來對此問題進行分析。
2、差壓變送器的安裝規范：
差壓變送器對流體特性、儀表安裝位置、取樣管線等方面要求較多, 主要是如下幾點:
2.1、對流體和流動狀態的要求：
壓縮流體和不可壓縮流體均可測量, 但必須是均勻單相流體;流體要充滿管道, 管道流量應隨時間推移基本維持不變。
2.2、管道條件：
安裝時要求節流件的上下游需要有一定長度的直管段 (一般要求上游側>10D, 下游側>5D) ;節流件安裝在管道中應保證與管道的同心度滿足要求。
2.3、對于不同流體, 管道取樣點位置的區別：
液體測量:測量液體流量時, 為防止渣滓的沉淀, 取壓口應取在被測管道的側面。同時變送器需要安裝在取壓口以下, 以免氣泡在引壓管線內聚集造成測量波動, 且取樣管道朝儀表側需保持一定的傾斜角度, 以防止取樣管內的氣體聚集, 影響測量值。
氣體測量:測量氣體流量時, 取壓口應開在流程管道的頂部或側面。變送器應安裝在流程管道以上高度, 以便積聚的液體流入流程管道。
蒸汽測量:測量蒸汽流量時, 取壓口應開在流程管道的側面, 并且變送器安裝在取壓口的下面, 以便冷聚液能充滿在導壓管里。被測介質為蒸汽時, 導壓管中要充滿水, 以防止蒸汽直接和變送器接觸, 這樣變送器工作時, 其容積變化量是很微不足道的, 不需要安裝冷凝罐。
2.4、對孔板的要求：
孔板入口直角銳利度合格, 管徑尺寸與計算正確, 孔板厚度誤差合格, 節流件附件不能產生臺階、偏心, 孔板上游端面平度合格, 環室尺寸不能產生臺階、偏心, 取壓位置的焊縫不能突出, 取壓孔加工規范等等。
2.5、抑制脈動流常用的措施：
當管道中流體流速和壓力發生突然變化時, 容易造成脈動流, 它能引起差壓的波動, 當發生脈動現象時, 會產生計量誤差。抑制脈動流常用的措施有: (1) 在滿足計量能力的條件下, 應選擇內徑較小的測量管, 為提高差壓和孔徑比; (2) 采用短引壓管線, 減少管線中的阻力件, 并使上下游管線長度相等, 減少系統中產生諧振和壓力脈動振幅增加。
3、流量波動、誤差分析：
核電站中非核級差壓變送器主要使用的是ROSEMOUNT生產的3051CD型差壓變送器, 核級差壓變送器主要使用的是1151~1154型差壓變送器。
下面對產生誤差的原因逐一分析:
3.1、被測介質實際物理性質的不確定度因素：
(1) 標準中要求管道內的流體應為單相的牛頓流體, 若含有一定比例的懸浮粒雜質則為非牛頓流體, 非牛頓流體會影響可膨脹性系數ε, 牛頓流體中的雜質越多, 流量測量的不確定度會增加, 而孔板流量計的計算公式中ε為恒1, 故而流量測量的誤差會偏大。 (2) 流體相對密度的影響:密度參數是測量中非常重要的參數, 密度測量的不確定度直接影響整個測量系統的不確定度, 由于壓力、溫度的波動, 流體相對密度并不是一個固定值。因此其流量測量會出現一定程度的誤差。
3.2、測量中重要設備的不確定度因素：
該項不確定度因素主要體現在孔板β比選擇方面, 還包括二次儀表的不確定度。
3.3、阻尼系數不合適：
由于阻尼系數為廠家設定, 在調試前期僅會對其進行校驗, 不會修改內部參數。ROSEMOUNT說明書中對降低噪聲的方法為:輸出阻尼和用于表壓測量的參考側濾波。阻尼時間在出廠時設定為3.2s, 如果變送器輸出仍有噪音, 增加阻尼時間, 如果需要快速響應, 需減少阻尼時間。還有另外一種降低噪音的方法是在變送器的參考側附加一段小管作為壓力緩沖器。因此本次冷試期間, 阻尼系數不合適就可能是示值波動的原因, 故可以嘗試從增加阻尼系數修改方面來驗證。
3.4、供電電壓波動：
ROSEMOUNT說明書對電源要求進行了說明, 要求用直流電源供電時, 紋波應小于2%, 即電源波動范圍應小于0.48VDC。RRI這三塊表為雙線制, 供電為安全級DCS的卡件, 對儀表的電壓進行測量, 其電壓值穩定在標準范圍內, 故該項可排除。
3.5、管道污物堵塞：
由于液體的取樣管線一般安裝在流體管道的側面, 因此常有雜質沉淀在取樣管線中, 充水排氣后, 大直徑的顆粒沉積依然無法完全排盡, 這對儀表波動同樣有影響。
3.6、取樣點前后直管段長度：
差壓式流量計對取樣點前后直管段長度有嚴格的要求, 節流件應安裝在兩段有恒定橫截面積的圓筒形直管段之間, ***短直管段長度與節流件形式, 阻流件形式和直徑比有關, 一般來說前后直管段的長度分別為>10D和>5D。
3.7、引壓管線的影響：
引壓管應根據被測流體的性質, 選用相應的材料制造, 其內徑需大于6mm, 長度在16m以內;引壓管應垂直或傾斜敷設, 其傾斜度需大于1:12, 黏度較高的流體, 其傾斜度還需增大。為了避免差壓信號失真, 正負壓導引管內應將氣體排空。嚴寒地區的引壓管線應做好防凍措施。
3.8、節流件同軸度安裝偏差：
節流裝置在工藝管線上安裝時, 應注意上下游直管段與工藝管道的同軸度。產品加工中要確保下列要求:
當節流件的軸線與上、下游側管道軸線之間距離ex滿足下式時流出系數C無附加不確定度。
如上式不能滿足, 而滿足下式時, 流出系數C的不確定度應算術相加0.3%。
根據現場的儀表安裝參數, 直徑比β=0.45, 管道內徑為D=82.54mm, 計算可得流出系數C在無附加不確定的情況下應ex<1mm, 在附加0.3%不確定的情況下應1mm<ex<2mm。現場節流件的實際安裝同軸度可能存在該問題。
4、控制誤差提高計量準確度的方法：
因為流量測量計算的不確定度是在其他影響因素都不存在附加誤差的情況下計算得到的, 但是使用中由于各種原因會帶來一定的附加誤差, 這是需要消除的。根據實際應用情況, 提出以下控制方法及建議。
4.1、孔板節流裝置必須滿足標準要求：
孔板節流裝置在使用前的安裝中應按照標準設計和安裝, 應根據孔板前阻力件形式配有足夠長度的直管段。
4.2、流體中存在脈動流的改善措施：
核電站中使用的除鹽水一般能達到牛頓流體, 但在流量測量中有多種原因會使得流體脈動, 可以采取以下措施減小脈動流的影響。 (1) 在滿足計量能力的條件下, 應盡量選擇內徑較小的測量管, 以保證系統在較高的雷諾數下運行。 (2) 減小引壓管線長度, 盡量減少引壓管線系統中的阻力件, 并使上下游管線長度相等, 以減小諧振和壓力脈動振幅。 (3) 減少流體中的雜質, 使流體保持均勻的單相牛頓流體。
4.3、加強計量管理, 建立健全各項規章制度：
在孔板流量計日常使用過程中, 要確保準確的計量, 還應至少每月一次清洗檢測孔板、檢查儀表零點、儀表D/A轉換通道、核對流量計算程序, 對有坑蝕及劃痕的孔板應及時更換, 同時還配備孔板綜合測試儀定期對孔板進行幾何尺寸檢定。