AP1000电厂循环水流量测量研究

摘要：循环水系统是电厂必不可少的冷却系统，是最终的热量导出途径。文章简述了循环水流量测量的必要性，对比了几种不同测量原理的流量测量方法，对目前应用较多的时间差法超声波流量测量进行了分析，对其在电厂中的应用进行了研究，并结合AP1000核电厂的实际情况，探讨了该方法应用于循环水流量测量的可行性及作用。

关键词：AP1000；循环水流量；超声波流量计；时间差法；核电厂

中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）19-0019-03

循环水系统（CWS——Circulating Water System）是一个开放的冷却水系统，它将冷凝器的热量传输至海水。循环水系统为开放式循环冷却水系统提供冷却水源以冷却汽轮机厂房闭式冷却水系统热交换器。

三门核电循环水系统包含两台50%容量的循环水泵，循环水泵从循环水泵房内的前池取水，前池则通过混凝土涵洞连接到三门湾，在海水进入取水井前的路径上还安装了闸板、固定式拦污栅及旋转滤网。循环水泵是浸入式动叶可调立式混流泵，主要包括钟形吸入口、碗状出口管、柱状接管、出口弯管、轴、叶片及径向轴承，适用于大容量工况。循环水泵采用立式泵壳，减少了安装空间。碗状出口管内布置有七个叶片，可以减少水力振动，泵叶片浸没在吸入井中，能在较低的净正吸入压头下确保正常运行。电机旋转部件在滑动轮毂内与六叶空心转轴相连，空心转轴分为上下两部分。

1 流量测量的必要性

循环水泵能通过一个机械装置调节叶片角度以获得最佳效率，这一调节也可以在泵运行过程中进行。可以根据海水温度及机组负荷任意改变循环水流速及压头，改变叶片的角度，叶片角度是通过就地或远方手动控制调节，最终通过循环水泵自身的油压系统实现。由于夏天与冬天海水温度差别较大，对凝汽器的冷却效果不一样，通过调节循环水泵的叶片角度，调节对凝汽器的冷却水量。由于通过温度的计算来调节叶片角度是一个比较缓慢的过程，而通过测量循环水的流量值，来确定循环水泵叶片调节的角度是有效的方法。

电厂循环冷却水系统的正常运行，是保证电厂安全、经济运行的前提条件。由于循环水系统管道直径大，水流速度较低（约3m/s），采用传统的类似于孔板流量计进行流量测量存在许多问题，而且测量准确性较低，增加了循环水泵的电能损失。如今，许多电厂已经开始使用各种方法对凝汽器循环冷却水的流量进行测量，以获得更准确的流量值，进而更精确地调节循环水泵叶片的角度，达到更高的经济效益。

2 流量测量的方法

流量测量的方法有许多种，下文简单对比几种流量测量方法：

（1）旋桨式流量计：水流推动流量计的叶轮旋转，叶轮旋转产生电脉冲，通过速度来计算出流量值，该方法在日本有使用经验。流量计安装在管道内部，由于循环水管道直径过大，导致安装难度较高，且流量计的标定和维护费用较高。

（2）差压式流量计：由测量元件装置和差压转换器和流量显示装置组成，测量方法简单，且精确度较高；流量计的测量元件为节流元件，由于循环水中含有杂物等，且测量元件对循环水产生了节流作用，在管道内不适合安装类似的流量测量元件。

（3）电磁流量计：由电磁系统、测量导管、电极、外壳、衬里和转换器等部分组成；流量计测量精度高，测量也不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的影响，可以测量腐蚀性流体，对被测流体不产生任何影响。但流量计的测量电极存在极化现象，影响流量计的正常工作，当管道直径较大时，永磁铁不适合使用，需使用交变磁场。同时，流量计要求流体必须在满管下运行，否则测量不准确，所以不适合循环水流量的测量。

（4）超声波流量计：由前置测量单元、超声波换能器及流量计主机组成；流量计具有不扰乱流场、无可动部件、无压力损失、测量精度高、性能稳定可靠、测量范围宽等特点，同时，可以测量较大直径的流体管道。

3 时差法超声波流量计测量原理

传播时差法测量流体流量的原理如图1所示，超声波换能器A、B成对地安装在管道的两侧，为了流量计的测量具有更高的可靠性和准确度，可以增加一对超声波换能器C、D，换能器交替地发射和接受超声波信号。换能器A顺水流方向发射超声波，超声波信号顺流传播到B所需要的时间为t1；从换能器B逆水流方向发射超声波，超声波信号传播到A所需要的时间为t2。L为两个换能器A、B间超声波传播的距离，c为超声波在静止循环水中的传播速度，v为循环水沿管道轴向的速度，θ为超声波传播方向与管轴向之间的夹角，S为循环水管道的截面积，则有如下公式（1）：

（1）

计算得出：

（2）

最终得出循环水流量：

（3）

由公式（2）可知，在换能器安装完成后，就是固定的常数，只需测量出t1、t2便可以计算得出流体的流速，管道的截面积也是固定的常数，从而求得流体的瞬时流量和累积流量。由公式（2）还可以看出超声波顺流和逆流方向传送的时间t1、t2的测量精度直接影响着流速的测量精度，只需要减少影响传送时间测量的因素，便可以获得较高精度的测量结果。

图1 超声波流量计原理示意图

4 应用及注意事项

在核电厂循环水流量测量中，由于循环水管道管径大，差压式和电磁式流量计不适合测量大管径的流体。超声波流量计则可用于大管径流体的流量测量，测量精度高，性能稳定可靠，对流体不产生任何影响。由于在不同季节海水的温度不同，冷却效果也不一致，通过计算在不同季节所需要的循环水量，转换成对应的循环水流量，便于进行循环水泵叶片角度的调节。

热传递的基本公式：

（4）

其中：为传递的热量，为总导热系数，A为传热面积，为热流体与冷流体之间的温度差。

根据公式（4）可得知，流体介质等不变的情况下，总导热系数为常数，传热面积A不变，在温度差越大的情况下，并且冷却流体数量不变，所传递的热量就越多。当需要传递相同热量时，在温度差增大的情况下，可以相应地减少冷却流体的数量。对应到循环水系统中，在不同循环水温度下，可以调节循环水流量，以达到带走凝汽器中相同的能量，通过流体的流量值可以计算出相应的循环水泵叶片角度。

根据三门核电现场的实际情况，流量计主机安装在汽轮机厂房，用于显示和输出测量结果；换能器安装在管道外壁；前置测量单元安装在现场的测量井，测量井与汽轮厂房相距200米左右，流量计主机与前置单元可通过通讯方式来交换数据。

超声波流量计安装注意事项如下：

（1）固定常数的测量：由于超声波换能器安装在管道外壁，需要精确测量管道的壁厚，并计算出超声波在管道壁中的传播时间t；精确测量超声波传播方向与管

道轴向的夹角θ以及两个换能器间超声波传播的距离S。

（2）换能器的正确安装：超声波换能器的安装位置需要满足直管段前10D/后5D的要求，由于循环水泵房距离汽轮机房较远，中间距离可以满足直管段要求，只需要选择使用于安装和检修的位置即可；换能器探头安装处管壁表应光滑，保证探头与管壁间没有缝隙，以减少缝隙带来的误差；换能器应安装牢固，并与管道外壁紧密安装，防止换能器的移动，产生超声波的衰减。

（3）换能器探头安装处管道内壁清洁：由于流体为海水，在长期运行后，管道的内壁会有一定的结垢产生，结垢会影响超声波测量的准确性，在电厂停机后，需要对管道内壁进行清洁工作，以减少结垢带来的测量影响。

（4）安装定位：在换能器固定后，需要使用瞄准工具将每对换能器超声波发射方向进行精确定位，以减少超声波传播方向的偏差而引起的误差。

（5）安装后试验：在换能器安装和循环水进水前，需要进行无水试验，检测换能器的性能及电缆的完整性。具体方法：轻轻敲击换能器发射面，在相应电缆的另一侧用万用表交流mV档，测量电压是否有波动产生，在安装正确时应有电压输出。

5 结语

三门核电厂循环水系统具有管径大、流速低等特点，常规测量仪表难以准确测量其流量，进而无法快速调节循环水泵的叶片角度，造成循环水泵电能的浪费。通过简单对比不同流量测量方法，并分析时差法超声波流量计的基本原理，说明了现场应用超声波流量计可行性和必要性，但相同冷却效果所需的循环水流量及叶片角度的具体关系还需进一步的研究计算。在应用超声波流量计时，安装过程中需掌握流量计的安装注意事项，以减少外在因素对流量测量产生的误差，提高流量计测量准确度，以便更加准确地调节循环水泵。

参考文献

[1] 顾军.AP1000核电厂系统与设备[M].北京：原子能出版社，2010.

[2] 孙轶卿，朱小花.超声波流量计及其在火力发电厂中的应用[J].上海计量测试，2009，（1）.

[3] 孙振华.超声波流量计在大型泵站流量测试中的应用[J].中国农村水利水电，2010，（3）.

[4] 汤正军，黄季艳，仇宝云，等.大型泵站流量测定方法研究[J].中国农村水利水电，2006，（12）.

作者简介：傅长根（1987-），男，江西新余人，三门核电有限公司助理工程师，研究方向：AP1000电厂控制系统。

根据公式（4）可得知，流体介质等不变的情况下，总导热系数为常数，传热面积A不变，在温度差越大的情况下，并且冷却流体数量不变，所传递的热量就越多。当需要传递相同热量时，在温度差增大的情况下，可以相应地减少冷却流体的数量。对应到循环水系统中，在不同循环水温度下，可以调节循环水流量，以达到带走凝汽器中相同的能量，通过流体的流量值可以计算出相应的循环水泵叶片角度。

根据三门核电现场的实际情况，流量计主机安装在汽轮机厂房，用于显示和输出测量结果；换能器安装在管道外壁；前置测量单元安装在现场的测量井，测量井与汽轮厂房相距200米左右，流量计主机与前置单元可通过通讯方式来交换数据。

超声波流量计安装注意事项如下：

（1）固定常数的测量：由于超声波换能器安装在管道外壁，需要精确测量管道的壁厚，并计算出超声波在管道壁中的传播时间t；精确测量超声波传播方向与管

道轴向的夹角θ以及两个换能器间超声波传播的距离S。

（2）换能器的正确安装：超声波换能器的安装位置需要满足直管段前10D/后5D的要求，由于循环水泵房距离汽轮机房较远，中间距离可以满足直管段要求，只需要选择使用于安装和检修的位置即可；换能器探头安装处管壁表应光滑，保证探头与管壁间没有缝隙，以减少缝隙带来的误差；换能器应安装牢固，并与管道外壁紧密安装，防止换能器的移动，产生超声波的衰减。

（3）换能器探头安装处管道内壁清洁：由于流体为海水，在长期运行后，管道的内壁会有一定的结垢产生，结垢会影响超声波测量的准确性，在电厂停机后，需要对管道内壁进行清洁工作，以减少结垢带来的测量影响。

（4）安装定位：在换能器固定后，需要使用瞄准工具将每对换能器超声波发射方向进行精确定位，以减少超声波传播方向的偏差而引起的误差。

（5）安装后试验：在换能器安装和循环水进水前，需要进行无水试验，检测换能器的性能及电缆的完整性。具体方法：轻轻敲击换能器发射面，在相应电缆的另一侧用万用表交流mV档，测量电压是否有波动产生，在安装正确时应有电压输出。

5 结语

三门核电厂循环水系统具有管径大、流速低等特点，常规测量仪表难以准确测量其流量，进而无法快速调节循环水泵的叶片角度，造成循环水泵电能的浪费。通过简单对比不同流量测量方法，并分析时差法超声波流量计的基本原理，说明了现场应用超声波流量计可行性和必要性，但相同冷却效果所需的循环水流量及叶片角度的具体关系还需进一步的研究计算。在应用超声波流量计时，安装过程中需掌握流量计的安装注意事项，以减少外在因素对流量测量产生的误差，提高流量计测量准确度，以便更加准确地调节循环水泵。

参考文献

[1] 顾军.AP1000核电厂系统与设备[M].北京：原子能出版社，2010.

[2] 孙轶卿，朱小花.超声波流量计及其在火力发电厂中的应用[J].上海计量测试，2009，（1）.

[3] 孙振华.超声波流量计在大型泵站流量测试中的应用[J].中国农村水利水电，2010，（3）.

[4] 汤正军，黄季艳，仇宝云，等.大型泵站流量测定方法研究[J].中国农村水利水电，2006，（12）.

作者简介：傅长根（1987-），男，江西新余人，三门核电有限公司助理工程师，研究方向：AP1000电厂控制系统。

根据公式（4）可得知，流体介质等不变的情况下，总导热系数为常数，传热面积A不变，在温度差越大的情况下，并且冷却流体数量不变，所传递的热量就越多。当需要传递相同热量时，在温度差增大的情况下，可以相应地减少冷却流体的数量。对应到循环水系统中，在不同循环水温度下，可以调节循环水流量，以达到带走凝汽器中相同的能量，通过流体的流量值可以计算出相应的循环水泵叶片角度。

根据三门核电现场的实际情况，流量计主机安装在汽轮机厂房，用于显示和输出测量结果；换能器安装在管道外壁；前置测量单元安装在现场的测量井，测量井与汽轮厂房相距200米左右，流量计主机与前置单元可通过通讯方式来交换数据。

超声波流量计安装注意事项如下：

（1）固定常数的测量：由于超声波换能器安装在管道外壁，需要精确测量管道的壁厚，并计算出超声波在管道壁中的传播时间t；精确测量超声波传播方向与管

道轴向的夹角θ以及两个换能器间超声波传播的距离S。

（2）换能器的正确安装：超声波换能器的安装位置需要满足直管段前10D/后5D的要求，由于循环水泵房距离汽轮机房较远，中间距离可以满足直管段要求，只需要选择使用于安装和检修的位置即可；换能器探头安装处管壁表应光滑，保证探头与管壁间没有缝隙，以减少缝隙带来的误差；换能器应安装牢固，并与管道外壁紧密安装，防止换能器的移动，产生超声波的衰减。

（3）换能器探头安装处管道内壁清洁：由于流体为海水，在长期运行后，管道的内壁会有一定的结垢产生，结垢会影响超声波测量的准确性，在电厂停机后，需要对管道内壁进行清洁工作，以减少结垢带来的测量影响。

（4）安装定位：在换能器固定后，需要使用瞄准工具将每对换能器超声波发射方向进行精确定位，以减少超声波传播方向的偏差而引起的误差。

（5）安装后试验：在换能器安装和循环水进水前，需要进行无水试验，检测换能器的性能及电缆的完整性。具体方法：轻轻敲击换能器发射面，在相应电缆的另一侧用万用表交流mV档，测量电压是否有波动产生，在安装正确时应有电压输出。

5 结语

三门核电厂循环水系统具有管径大、流速低等特点，常规测量仪表难以准确测量其流量，进而无法快速调节循环水泵的叶片角度，造成循环水泵电能的浪费。通过简单对比不同流量测量方法，并分析时差法超声波流量计的基本原理，说明了现场应用超声波流量计可行性和必要性，但相同冷却效果所需的循环水流量及叶片角度的具体关系还需进一步的研究计算。在应用超声波流量计时，安装过程中需掌握流量计的安装注意事项，以减少外在因素对流量测量产生的误差，提高流量计测量准确度，以便更加准确地调节循环水泵。

参考文献

[1] 顾军.AP1000核电厂系统与设备[M].北京：原子能出版社，2010.

[2] 孙轶卿，朱小花.超声波流量计及其在火力发电厂中的应用[J].上海计量测试，2009，（1）.

[3] 孙振华.超声波流量计在大型泵站流量测试中的应用[J].中国农村水利水电，2010，（3）.

[4] 汤正军，黄季艳，仇宝云，等.大型泵站流量测定方法研究[J].中国农村水利水电，2006，（12）.

作者简介：傅长根（1987-），男，江西新余人，三门核电有限公司助理工程师，研究方向：AP1000电厂控制系统。