旋進漩渦流量計在電站氫氣干燥系統(tǒng)中的改造應用
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)上的改造應用，成功實現(xiàn)了復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險，給機組的安全穩(wěn)定運行增加了風險。
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)中的磁力風機投運和磁力風機未投運。
當氫氣濕度低于5%時，手動停運磁力風機，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；當氫氣濕度大于20%時，手動投運磁力風機，磁力風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%，停運磁力風機的工作模式下，浮子流量計無法實現(xiàn)測量功能；當浮子與油垢的重量增加到0.035MPa以上，即使投運磁力風機，浮子流量計無法測量出氫氣流量。
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，當有氣體流過時，浮子浮動，通過磁性帶動指針，顯示當前氣體流量；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)安放一組螺旋型導流葉片，當流體進入流量傳感器時，導流葉片迫使流體產(chǎn)生劇烈的旋渦流。當流體進入擴散段時，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資質(zhì)的計量單位對旋進漩渦流量計進行了標定，標定結(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定，標定結(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*次應用，經(jīng)過現(xiàn)場的驗證旋進漩渦式流量計可以實現(xiàn)復雜低靜壓氣體系統(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)比較復雜的系統(tǒng)可參考使用。
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