介紹氣體渦輪流量計(jì)在田灣核電站發(fā)電機(jī)氫氣干燥系統(tǒng)上的改造應(yīng)用，成功實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜工況下低靜壓系統(tǒng)氫氣流量的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)量，對(duì)國(guó)內(nèi)電站在同類(lèi)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(jī)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(jī)組功率運(yùn)行時(shí)通過(guò)氫氣干燥器控制發(fā)電機(jī)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(shí)，另一路干燥罐再生，干燥罐再生時(shí)通過(guò)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(guò)再生管線(xiàn)排出，干燥罐再生時(shí)通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)再生管線(xiàn)上流量計(jì)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(jī)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(jì)測(cè)量再生管線(xiàn)氫氣流量。
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(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定的流量測(cè)量，同時(shí)玻璃管浮子流量計(jì)存在爆裂的風(fēng)險(xiǎn)，給機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行增加了風(fēng)險(xiǎn)。
2 問(wèn)題提出
氫氣干燥器系統(tǒng)原來(lái)使用的再生管線(xiàn)流量計(jì)為純機(jī)械顯示式的，管內(nèi)有一浮子，浮子根據(jù)流量計(jì)兩端介質(zhì)的壓差上下浮動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)氣體流量的測(cè)量；機(jī)械式浮子流量計(jì)在使用過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)以下問(wèn)題：
（1）玻璃管流量計(jì)內(nèi)膽由玻璃管組成，浮子位于管內(nèi)，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后流量計(jì)的玻璃管內(nèi)膽上會(huì)出現(xiàn)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(yán)重后果。
2010年5月4日田灣核電站1號(hào)機(jī)組功率運(yùn)行期間發(fā)生了玻璃管流量計(jì)內(nèi)膽破碎，造成大量氫氣泄漏到廠房?jī)?nèi)，機(jī)組快速甩負(fù)荷；因此玻璃管流量計(jì)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(yùn)行時(shí)有兩種工作模式：系統(tǒng)中的磁力風(fēng)機(jī)投運(yùn)和磁力風(fēng)機(jī)未投運(yùn)。
當(dāng)氫氣濕度低于5%時(shí)，手動(dòng)停運(yùn)磁力風(fēng)機(jī)，此時(shí)氫氣的干燥循環(huán)由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力，流量計(jì)兩端的壓差約為0.02MPa；當(dāng)氫氣濕度大于20%時(shí)，手動(dòng)投運(yùn)磁力風(fēng)機(jī)，磁力風(fēng)機(jī)能夠提升流量計(jì)兩端的壓差約為0.015MPa，因此流量計(jì)兩端的壓差約為0.035MPa。
田灣核電站發(fā)電機(jī)內(nèi)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(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(guò)浮子流量計(jì)時(shí)氣體中的油質(zhì)會(huì)粘附在流量計(jì)內(nèi)的浮子上，經(jīng)長(zhǎng)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(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(yùn)磁力風(fēng)機(jī)的工作模式下，浮子流量計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能；當(dāng)浮子與油垢的重量增加到0.035MPa以上，即使投運(yùn)磁力風(fēng)機(jī)，浮子流量計(jì)無(wú)法測(cè)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(jì)無(wú)法測(cè)量氫氣流量時(shí)，需在線(xiàn)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(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行增加了風(fēng)險(xiǎn)。
氫氣干燥系統(tǒng)使用的玻璃管式浮子流量計(jì)既無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)安全要求也無(wú)法實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜系統(tǒng)中長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)準(zhǔn)確測(cè)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(jì)替代玻璃管浮子流量計(jì)。
3 流量計(jì)的選型
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)安全要求，首先選用了金屬管浮子流量計(jì)替代玻璃管浮子流量計(jì)，金屬管式浮子流量計(jì)由金屬管和浮子及指針組成，當(dāng)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(dāng)前氣體流量；將金屬式浮子流量計(jì)安裝到現(xiàn)場(chǎng)并驗(yàn)證，在氫氣干燥器剛剛投運(yùn)且磁力風(fēng)機(jī)未投運(yùn)模式下，金屬管式流量計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量；在磁力風(fēng)機(jī)投運(yùn)模式下，金屬管式流量計(jì)可以準(zhǔn)確測(cè)量氫氣流量。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)結(jié)果，由于金屬管式浮子流量計(jì)浮子重量超過(guò)了磁力風(fēng)機(jī)未投運(yùn)時(shí)流量計(jì)兩端的壓差，金屬管式浮子流量計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常測(cè)量，因此金屬管式流量計(jì)不能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。
考慮到系統(tǒng)的靜壓差小的特點(diǎn)，重新選用了防爆型氣體渦輪流量計(jì)，氣體渦輪流量計(jì)通流管道采用鑄鋁合金材料，滿(mǎn)足系統(tǒng)的防爆安全要求；氣體渦輪流量計(jì)由漩渦發(fā)生體、殼體、智能流量計(jì)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）。
在入口側(cè)安放一組螺旋型導(dǎo)流葉片，當(dāng)流體進(jìn)入流量傳感器時(shí)，導(dǎo)流葉片迫使流體產(chǎn)生劇烈的旋渦流。當(dāng)流體進(jìn)入擴(kuò)散段時(shí)，旋渦流受到回流的作用，開(kāi)始作二次旋轉(zhuǎn)，形成陀螺式的渦流進(jìn)動(dòng)現(xiàn)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(cè)元件測(cè)得流體二次旋轉(zhuǎn)進(jìn)動(dòng)頻率就能在較寬的流量范圍內(nèi)獲得良好的線(xiàn)性度。信號(hào)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(hào)，然后再與溫度、壓力等檢測(cè)信號(hào)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(cè)量值。
4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
氣體渦輪流量計(jì)公稱(chēng)直徑規(guī)格可在15~200mm選擇，可實(shí)現(xiàn)1~3600m3/h的流量測(cè)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(nèi)，為使儀表測(cè)量準(zhǔn)確，選擇了公稱(chēng)直徑20mm的氣體渦輪流量計(jì)，測(cè)量范圍1.5~15m3/h，儀表精度等級(jí)1.0；為驗(yàn)證流量計(jì)的可用性，在流量計(jì)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(yàn)，為保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，在流量計(jì)安裝前委托有相關(guān)資質(zhì)的計(jì)量單位對(duì)氣體渦輪流量計(jì)進(jìn)行了標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果合格，在流量計(jì)誤差精度范圍內(nèi)。
氫氣干燥器系統(tǒng)剛投運(yùn)：在磁力風(fēng)機(jī)停運(yùn)模式下，手動(dòng)調(diào)節(jié)流量計(jì)流量，可以將再生流量調(diào)節(jié)到系統(tǒng)運(yùn)行要求的8~12m3/h范圍內(nèi)；在磁力風(fēng)機(jī)投運(yùn)模式下，手動(dòng)調(diào)節(jié)流量計(jì)流量，再生流量能夠調(diào)節(jié)到8~12m3/h范圍內(nèi)。
從試驗(yàn)的結(jié)果可以驗(yàn)證氣體渦輪流量計(jì)在氫氣干燥器系統(tǒng)剛投運(yùn)時(shí)能夠準(zhǔn)確測(cè)量?jī)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(tǒng)連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月后，對(duì)氣體渦輪流量計(jì)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與氫氣干燥器系統(tǒng)剛投運(yùn)時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果一致，即在氫氣干燥器系統(tǒng)運(yùn)行3個(gè)月后，氣體渦輪流量計(jì)仍可準(zhǔn)確測(cè)量?jī)煞N工作模式下再生管線(xiàn)氫氣流量。
為進(jìn)一步驗(yàn)證氣體渦輪流量計(jì)的可用性，分別在氫氣干燥器系統(tǒng)投運(yùn)6個(gè)月、9個(gè)月、12個(gè)月對(duì)氣體渦輪流量計(jì)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 氣體渦輪流量計(jì)在氫氣干燥器系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果
從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：
氣體渦輪流量計(jì)在氫氣干燥器運(yùn)行的一年時(shí)間內(nèi)，工作情況穩(wěn)定，能夠滿(mǎn)足在復(fù)雜工況系統(tǒng)中準(zhǔn)確測(cè)量氣體的流量；儀表運(yùn)行12個(gè)月后，為驗(yàn)證儀表測(cè)量的準(zhǔn)確性，對(duì)流量計(jì)進(jìn)行了重新標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果合格，說(shuō)明試驗(yàn)過(guò)程流量計(jì)測(cè)量的數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確。因此氣體渦輪流量計(jì)滿(mǎn)足了田灣核電站氫氣干燥器現(xiàn)場(chǎng)使用的要求，氣體渦輪流量計(jì)選型是成功的。
氣體渦輪流量計(jì)在田灣核電站屬首次應(yīng)用，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的驗(yàn)證氣體渦輪流量計(jì)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜低靜壓氣體系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)流量測(cè)量，對(duì)于石油、化工、電力、冶金、城市供氣等行業(yè)各種氣體流量測(cè)量中特別是測(cè)量介質(zhì)比較復(fù)雜的系統(tǒng)可參考使用。
