旋進漩渦流量計在電站氫氣干燥系統中的改造應用
摘要：介紹旋進漩渦式流量計在田灣核電站發電機氫氣干燥系統上的改造應用，成功實現了復雜工況下低靜壓系統氫氣流量的長時間連續測量，對國內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。
機組功率運行時通過氫氣干燥器控制發電機內氫氣濕度在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，另一路干燥罐再生，干燥罐再生時通過干燥罐內的電加熱器蒸發干燥劑內的水分，蒸發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節再生管線上流量計的流量在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，浮子流量計無法實現對系統長時間連續穩定的流量測量，同時玻璃管浮子流量計存在爆裂的風險，給機組的安全穩定運行增加了風險。
2 問題提出
氫氣干燥器系統原來使用的再生管線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的壓差上下浮動，從而實現氣體流量的測量；機械式浮子流量計在使用過程中出現過以下問題：
（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，由于系統內含有水和油等雜質，造成玻璃管熱脹冷縮，系統長時間運行后流量計的玻璃管內膽上會出現裂紋，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生了玻璃管流量計內膽破碎，造成大量氫氣泄漏到廠房內，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安全隱患。
（2）氫氣干燥器正常運行時有兩種工作模式：系統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由發電機轉子的轉動提供動力，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。
田灣核電站發電機內氫氣使用透平油進行密封，由于油壓大于氫壓，氫氣在循環干燥過程中會將部分油質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，氫氣通過浮子流量計時氣體中的油質會粘附在流量計內的浮子上，經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%，停運磁力風機的工作模式下，浮子流量計無法實現測量功能；當浮子與油垢的重量增加到0.035MPa以上，即使投運磁力風機，浮子流量計無法測量出氫氣流量。
當大量雜質粘附在浮子上，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險。
氫氣干燥系統使用的玻璃管式浮子流量計既無法滿足現場的工業安全要求也無法實現在復雜系統中長時間連續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
根據現場的工業安全要求，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。
根據現場的試驗結果，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正常測量，因此金屬管式流量計不能滿足現場使用要求。
考慮到系統的靜壓差小的特點，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，滿足系統的防爆安全要求；旋進漩渦流量計由漩渦發生體、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，形成陀螺式的渦流進動現象。該進動頻率與流量大小成正比，不受流體物理性質和密度的影響，檢測元件測得流體二次旋轉進動頻率就能在較寬的流量范圍內獲得良好的線性度。信號經前置放大器放大、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行積算處理，最后在液晶顯示屏上顯示出測量值。
4 現場應用
旋進漩渦式流量計公稱直徑規格可在15~200mm選擇，可實現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，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，為保證測量結果的準確性，在流量計安裝前委托有相關資質的計量單位對旋進漩渦流量計進行了標定，標定結果合格，在流量計誤差精度范圍內。
圖3 旋進漩渦流量計安裝圖
氫氣干燥器系統剛投運：在磁力風機停運模式下，手動調節流量計流量，可以將再生流量調節到系統運行要求的8~12m3/h范圍內；在磁力風機投運模式下，手動調節流量計流量，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漩渦式流量計在氫氣干燥器系統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。
在氫氣干燥器系統連續運行3個月后，對旋進漩渦式流量計進行相關試驗，試驗結果與氫氣干燥器系統剛投運時的試驗結果一致，即在氫氣干燥器系統運行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。試驗結果見表1。
表1 旋進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：
旋進漩渦式流量計在氫氣干燥器運行的一年時間內，工作情況穩定，能夠滿足在復雜工況系統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，標定結果合格，說明試驗過程流量計測量的數據真實準確。因此旋進漩渦式流量計滿足了田灣核電站氫氣干燥器現場使用的要求，旋進漩渦式流量計選型是成功的。
5 結束語
旋進漩渦式流量計在田灣核電站屬首次應用，經過現場的驗證旋進漩渦式流量計可以實現復雜低靜壓氣體系統的長時間連續流量測量，對于石油、化工、電力、冶金、城市供氣等行業各種氣體流量測量中特別是測量介質比較復雜的系統可參考使用。
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