旋進漩渦流量計在電站氫氣干燥系統(tǒng)中的改造應(yīng)用
摘要：介紹旋進漩渦式流量計在田灣核電站發(fā)電機氫氣干燥系統(tǒng)上的改造應(yīng)用，成功實現(xiàn)了復(fù)雜工況下低靜壓系統(tǒng)氫氣流量的長時間連續(xù)測量，對國內(nèi)電站在同類工藝的儀表選型及應(yīng)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(zhuǎn)子繞組用氫氣冷卻，鐵芯采用氫氣冷卻。
機組功率運行時通過氫氣干燥器控制發(fā)電機內(nèi)氫氣濕度在5%~20%范圍內(nèi)，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，另一路干燥罐再生，干燥罐再生時通過干燥罐內(nèi)的電加熱器蒸發(fā)干燥劑內(nèi)的水分，蒸發(fā)的水分隨氫氣通過再生管線排出，干燥罐再生時通過手動調(diào)節(jié)再生管線上流量計的流量在8~12m3/h范圍內(nèi)，從而使再生罐內(nèi)的干燥劑充分再生。系統(tǒng)中的磁力風(fēng)機用以提升氫氣的入口壓力，原系統(tǒng)使用玻璃管浮子式流量計測量再生管線氫氣流量。
圖1 田灣核電站氫氣干燥器系統(tǒng)流程圖
由于氫氣系統(tǒng)內(nèi)含有大量密封油和水等雜質(zhì)，浮子流量計無法實現(xiàn)對系統(tǒng)長時間連續(xù)穩(wěn)定的流量測量，同時玻璃管浮子流量計存在爆裂的風(fēng)險，給機組的安全穩(wěn)定運行增加了風(fēng)險。
2 問題提出
氫氣干燥器系統(tǒng)原來使用的再生管線流量計為純機械顯示式的，管內(nèi)有一浮子，浮子根據(jù)流量計兩端介質(zhì)的壓差上下浮動，從而實現(xiàn)氣體流量的測量；機械式浮子流量計在使用過程中出現(xiàn)過以下問題：
（1）玻璃管流量計內(nèi)膽由玻璃管組成，浮子位于管內(nèi)，系統(tǒng)正常運行時，由于系統(tǒng)內(nèi)含有水和油等雜質(zhì)，造成玻璃管熱脹冷縮，系統(tǒng)長時間運行后流量計的玻璃管內(nèi)膽上會出現(xiàn)裂紋，造成氫氣泄漏，如遇火花或靜電時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(nèi)膽破碎，造成大量氫氣泄漏到廠房內(nèi)，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巨大的工業(yè)安全隱患。
（2）氫氣干燥器正常運行時有兩種工作模式：系統(tǒng)中的磁力風(fēng)機投運和磁力風(fēng)機未投運。
當(dāng)氫氣濕度低于5%時，手動停運磁力風(fēng)機，此時氫氣的干燥循環(huán)由發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動提供動力，流量計兩端的壓差約為0.02MPa；當(dāng)氫氣濕度大于20%時，手動投運磁力風(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(nèi)氫氣使用透平油進行密封，由于油壓大于氫壓，氫氣在循環(huán)干燥過程中會將部分油質(zhì)帶入氫氣干燥器系統(tǒng)中，造成氫氣干燥系統(tǒng)內(nèi)含有大量的油質(zhì)，氫氣通過浮子流量計時氣體中的油質(zhì)會粘附在流量計內(nèi)的浮子上，經(jīng)長時間積累形成油垢，增加了浮子本身的重量，浮子能夠正常浮起的*小壓差也隨之增大；當(dāng)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，浮子流量計無法實現(xiàn)測量功能；當(dāng)浮子與油垢的重量增加到0.035MPa以上，即使投運磁力風(fēng)機，浮子流量計無法測量出氫氣流量。
當(dāng)大量雜質(zhì)粘附在浮子上，造成浮子流量計無法測量氫氣流量時，需在線隔離氫氣干燥器系統(tǒng)清洗浮子，降低了氫氣干燥器系統(tǒng)的可用率，對機組安全穩(wěn)定運行增加了風(fēng)險。
氫氣干燥系統(tǒng)使用的玻璃管式浮子流量計既無法滿足現(xiàn)場的工業(yè)安全要求也無法實現(xiàn)在復(fù)雜系統(tǒng)中長時間連續(xù)準確測量氫氣流量的功能。為解決上述問題，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(jù)現(xiàn)場的工業(yè)安全要求，*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(dāng)有氣體流過時，浮子浮動，通過磁性帶動指針，顯示當(dāng)前氣體流量；將金屬式浮子流量計安裝到現(xiàn)場并驗證，在氫氣干燥器剛剛投運且磁力風(fēng)機未投運模式下，金屬管式流量計無法實現(xiàn)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(jù)現(xiàn)場的試驗結(jié)果，由于金屬管式浮子流量計浮子重量超過了磁力風(fēng)機未投運時流量計兩端的壓差，金屬管式浮子流量計無法實現(xiàn)正常測量，因此金屬管式流量計不能滿足現(xiàn)場使用要求。
考慮到系統(tǒng)的靜壓差小的特點，重新選用了防爆型旋進漩渦式流量計，旋進漩渦流量計通流管道采用鑄鋁合金材料，滿足系統(tǒng)的防爆安全要求；旋進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個基本部件組成，流量傳感器的流通剖面類似文丘利管的型線（圖2）。
圖2 旋進漩渦流量計剖面圖
在入口側(cè)安放一組螺旋型導(dǎo)流葉片，當(dāng)流體進入流量傳感器時，導(dǎo)流葉片迫使流體產(chǎn)生劇烈的旋渦流。當(dāng)流體進入擴散段時，旋渦流受到回流的作用，開始作二次旋轉(zhuǎn)，形成陀螺式的渦流進動現(xiàn)象。該進動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(zhuǎn)進動頻率就能在較寬的流量范圍內(nèi)獲得良好的線性度。信號經(jīng)前置放大器放大、濾波、整形轉(zhuǎn)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行積算處理，*后在液晶顯示屏上顯示出測量值。
4 現(xiàn)場應(yīng)用
旋進漩渦式流量計公稱直徑規(guī)格可在15~200mm選擇，可實現(xiàn)1~3600m3/h的流量測量；田灣核電站氫氣干燥器再生管線的流量要求在8~12m3/h范圍內(nèi)，為使儀表測量準確，選擇了公稱直徑20mm的旋進漩渦式流量計，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后（如圖3），進行了相關(guān)試驗，為保證測量結(jié)果的準確性，在流量計安裝前委托有相關(guān)資質(zhì)的計量單位對旋進漩渦流量計進行了標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果合格，在流量計誤差精度范圍內(nèi)。
圖3 旋進漩渦流量計安裝圖
氫氣干燥器系統(tǒng)剛投運：在磁力風(fēng)機停運模式下，手動調(diào)節(jié)流量計流量，可以將再生流量調(diào)節(jié)到系統(tǒng)運行要求的8~12m3/h范圍內(nèi)；在磁力風(fēng)機投運模式下，手動調(diào)節(jié)流量計流量，再生流量能夠調(diào)節(jié)到8~12m3/h范圍內(nèi)。
從試驗的結(jié)果可以驗證旋進漩渦式流量計在氫氣干燥器系統(tǒng)剛投運時能夠準確測量兩種工作模式下再生管線的氫氣流量。
在氫氣干燥器系統(tǒng)連續(xù)運行3個月后，對旋進漩渦式流量計進行相關(guān)試驗，試驗結(jié)果與氫氣干燥器系統(tǒng)剛投運時的試驗結(jié)果一致，即在氫氣干燥器系統(tǒng)運行3個月后，旋進漩渦式流量計仍可準確測量兩種工作模式下再生管線氫氣流量。
為進一步驗證旋進漩渦式流量計的可用性，分別在氫氣干燥器系統(tǒng)投運6個月、9個月、12個月對旋進漩渦式流量計進行相關(guān)試驗。試驗結(jié)果見表1。
表1 旋進漩渦式流量計在氫氣干燥器系統(tǒng)的試驗結(jié)果
從試驗結(jié)果可以看出：
旋進漩渦式流量計在氫氣干燥器運行的一年時間內(nèi)，工作情況穩(wěn)定，能夠滿足在復(fù)雜工況系統(tǒng)中準確測量氣體的流量；儀表運行12個月后，為驗證儀表測量的準確性，對流量計進行了重新標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果合格，說明試驗過程流量計測量的數(shù)據(jù)真實準確。因此旋進漩渦式流量計滿足了田灣核電站氫氣干燥器現(xiàn)場使用的要求，旋進漩渦式流量計選型是成功的。
5 結(jié)束語
旋進漩渦式流量計在田灣核電站屬*次應(yīng)用，經(jīng)過現(xiàn)場的驗證旋進漩渦式流量計可以實現(xiàn)復(fù)雜低靜壓氣體系統(tǒng)的長時間連續(xù)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(fù)雜的系統(tǒng)可參考使用。
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