热式质量流量计在AP1000中的应用

摘要：三门核电的AP1000项目采用了热式质量流量计对暖通系统的部分气体质量流量参数进行测量，这在国内的核电站尚属首次。文章对比分析了热式质量流量计和差压式气体流量计的优缺点，并介绍了热式质量流量计在AP1000核电站中的应用。

关键词：热式质量流量计；差压式质量流量计；AP1000；气体质量测量

中图分类号：TH814 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）15-0035-03

气体流量作为核电站暖通系统的重要测量参数，其测量结果直接影响到整个系统的运行质量。目前国内核电站的暖通系统使用的气体流量计以差压式流量计为主。随着工艺系统的发展，对流量测量的准确度和稳定性的要求越来越高，流量测量技术的发展也日新月异，各种新型流量计相继问世。热式气体质量流量计是气体质量流量测量领域逐渐兴起的一种新型流量计。采用美国西屋公司开发的第三代压水堆核电技术（AP1000）的三门核电站在国内的核电站中首次使用热式质量流量计对气体的质量流量进行测量。

1 国内核电站气体流量测量现状

国内核电站的气体流量测量目前以均速皮托管、转子流量计等节流式差压式流量计为主，有些项目也使用了涡街流量计、靶式流量计等新型流量计对暖通系统的气体流量进行测量。

1.1 节流式差压式流量计

节流式差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。节流式差压式流量计由检测件和差压转换和流量显示仪表组成。通常以检测件的型式对节流式差压式流量计分类，如孔板流量计、文丘里管流量计及均速皮托管流量计等。

节流式差压流量计的优点是：其标准孔板结构易于复制，简单牢固，性能稳定可靠，使用寿命长，对振动不敏感，抗干扰能力强。其缺点是：测量精度不高，压损大，量程比低，对现场安装条件的要求较高。节流装置与差压显示仪表之间的引压管线易产生泄露、堵塞及冻结，从而造成信号失真。

1.2 涡街流量计

涡街流量计是根据卡门（Karman）涡街原理研究生产的：当稳定的流体流经有一定长度的直管道时，撞击沉浸在流体中的非线性柱体，在流体的下游会产生漩涡。当流体的雷诺数在一定的范围内时，卡门漩涡的释放频率与流体的速度成正比。所以检测出卡门漩涡的释放频率就可求得流速，并由流速求得体积流量。

相比节流式差压式流量计，涡街流量计无需导压管和三阀组等，可减少泄露、堵塞和冻结等故障。其精确度较高，可达到±1%满量程。压损小，约为节流式差压流量计的1/3，量程比可达20∶1。但涡街流量计对管道机械振动较敏感，不宜用于强振动场所。由于其测量原理，涡街流量计对管道直管段的长度要求较高，且管道的口径越大，涡街流量计的分辨率越低，因此不适用于大口径管道。且受压力脉动或流量脉动影响较大，不适用于脉动流体的测量。

1.3 靶式流量计

靶式流量计属于差压式流量计的一种，其主要原理如下：当介质在测量管中流动时，因其自身的动能与靶板产生压差，而产生对靶板的作用力，使靶板产生位移，其作用力的大小与介质流速的平方成正比，靶板所受的作用力经靶杆传递，使传感器的弹性体产生变化，从而将位移转换为传感器对应的电压信号，而流量则与电压的平方成正比。

靶式流量计的精度高于节流式差压流量计，能测量微小流量，且压力损失较低，约为标准孔板流量计的一半。但其易出现零点漂移、满度不准、靶片松动、内部部件松动等故障，不适用于大流量测量。

2 热式质量流量计

2.1 热式质量流量计原理

热式质量流量计可以直接测量气体的质量流量。它的基本原理是利用外部热源对流体加热，测量因流体流动造成的温度场变化来获得质量流量，温度场的变化用加热器前后端的温差来表示，被测流体的质量Qm与加热器前后端温差Δt之间的关系如下：

Qm=P/（JCpΔt） （1）

式中：

P—加热器的功率

J—热工当量

Cp—被测流体的定压比热

Δt—加热器前后端的温度

按其测量原理，热式质量流量计又可分为恒功率法和恒温差法两种质量流量计。由上式可知，若采用恒定功率法，则温差Δt与质量流量Qm成反比，测得温差Δt即可求得Qm；如果采用恒定温差法，则加热器输入功率P与质量流量成正比，测得加热器输入功率P则可求得Qm值。

2.2 热式质量流量计特点

相比差压式流量计，热式质量流量计有以下特点：

（1）量程比高：一般可达为100∶1；

（2）无活动部件，无分流管的热式流量仪表无阻流件，压力损失很小；带分流管的热式质量流量计，虽测量管道中有阻流件，但压力损失也远小于差压式流量计，可以忽略不计。

（3）使用性能相对可靠，其不需要压力传感器和计算单元，仅有流量传感器，结构简单，出现故障概率小。

（4）精度高，以Delta M的TM6000系列为例，其气体的测量精度最高可达±0.02%满量程。

（5）只需一个测量点，可以同时测得质量流量、温度、压力三个参数。

（6）与差压式流量计相比，价格昂贵，响应速度较慢。

（7）对于被测量气体成分变化较大的场所，由于比热容值和热导率的变化，热式质量流量计的测量值会出现较大变化而产生误差。

2.3 两种热式质量流量计比较

（1）与恒功率法热式质量流量计相比，恒温差法热式质量流量计的最大优点是响应时间快。因为恒功率法热式质量流量计测量值是从实际温度变化获得，测量管质量和检测元件质量的热惯性会降低响应速度；恒温差法热式质量流量计的温度分布没有变化，不受检测元件质量的热惯性影响。

（2）恒功率法热式质量流量计的最大可测量流量较大。而对于恒温差法热式质量流量计，对于大流量工况，它要求对被加热电阻的能量快速加大才能保证恒定的温差。但是由于能量的增大受到电源本身功率的影响以及被加热的铂电阻最大允许电流的影响，其最大测量值受到限制。

（3）恒功率法热式质量流量计不容易受到脏湿介质的影响。恒温差法热式质量流量计为了使其对温度快速响应和保持恒定的温差，一般铂电阻做得比较细，这样对于脏湿介质测量时，其附着物对加热铂电阻的散热会产生较大的影响，严重时将使其测量精度大大降低。

（4）恒温差法热式质量流量计适合测量低流速小管径的微小流量；恒功率法热式质量流量计更适合大管径的中高流量测量。

3 热式质量流量计在AP1000中的应用

AP1000需要测量气体流量的系统主要有压缩空气和仪表空气系统、主控室应急可居留系统、放射性废气系统、安全壳空气过滤系统及各厂房的暖通系统。不同的系统的气体流量、工况不一样，对气体流量计的要求也不一样。传统的差压式流量计已经难以满足AP1000对气体流量测量的所有要求。

（1）小流量工况：比如AP1000的放射性废气处理系统的气体流量较低，设计要求为0～2.55nm?/h，正常运行期间的气体流量仅0.99nm?/h。差压式流量计在这么小的流量工况下，其精度无法满足要求。综合上述各流量计的特点，三门核电站选用了DeltaM公司基于等比恒温差法原理的TM6000系列热式质量流量计对放射性废气处理系统、压缩空气和仪表空气系统、主控室应急可居留系统的气体流量参数进行测量。TM6000系列热式质量流量计的响应时间小于0.5s，对于气体的测量精度可达读数的±1%，满量程的±0.02%，能够很好地满足设计求。

（2）精度要求高、响应时间要求不高的大流量工况：AP1000附属辅助厂房非放射性通风系统的气体流量设计要求为0～10831nm?/h，精度要求为±2%，但对响应时间要求不高。在这样的大流量工况下，差压式流量计的精度难以满足要求，而恒温差式的热式质量流量计不适合如此大的流量测量，因此三门核电站选用了FCI公司基于恒功率原理的ST系列热式质量流量计。ST系列恒功率热式质量流量计可以用于大流量的高精度测量，其测量工作温度范围为-40℃～454℃，精度为±0.75%，FCI的MT系列热式质量流量计量程可以达到169901nm3/h，能满足AP1000的安全壳再循环冷却系统的大流量要求。由于热式质量流量计的量程比可达100∶1，因此同一型号的热式质量流量计还可以满足多种型号的需要，比如AP1000附属辅助厂房非放射性通风系统的气体流量的设计要求有0～3398nm3/h，0～10831nm3/h，0～4757nm3/h，0～11681nm3/h四种量程，而ST102A一款热式质量流量计就能满足这四种量程的要求。这就减少了备件的库存，也便于今后的备件管理和设备维护。

（3）对于AP1000的核岛保健物理和热检修车间、放射性控制区、废物厂房等区域的暖通系统及安全壳空气过滤系统，这些区域的特点是气体流量适中，对精度的要求不高，响应时间要求较高，可能有放射剂量。根据这些特点，三门核电站选用了基于差压式原理的均速皮托管对这些气体流量参数进行测量。均速皮托管的使用寿命长，响应时间迅速，价格适中，能够很好地满足设计要求。

4 结语

与传统的差压式流量计相比，热式质量流量计在精度、量程比、压损、安装便利性等方面有显著优势。一块热式质量流量计能同时测量气体质量流量、气体温度、压力三种参数，简化了系统的测量装置，有利于系统的稳定经济运行。但与差压式流量计相比，热式质量流量计的价格仍较为昂贵，这也影响了热式质量流量计的大规模应用。但随着流量测量技术的发展，相信热式质量流量计的成本将下降，功能也将不断改进，能够适应更复杂的系统工况，也能为系统提供更为准确的测量结果。三门核电站作为国内首个选用热式质量流量计的AP1000项目，其运行维护经验也将为后续的核电项目的气体流量测量仪表的选型提供很好的借鉴。

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作者简介：何凡帆（1983—），男，供职于中核集团三门核电有限公司调试处，研究方向：数字化仪控系统。