主泵3号密封泄漏流流量计研发

汤建秋，欧卫兵，赵 旸，潘伟华，曹 晶

（秦山核电有限公司，浙江 海盐 314300）

1 核电站主泵3号密封泄漏流流量计概况

主泵是核电站的关键设备，监测主泵轴封水的流量是监视主泵运行的重要参数之一。主泵3号密封泄漏流的正常值应在每小时数百毫升至数升之间，若流量值过大则说明密封已磨损或损坏；若流量值过小则可能是轴密封过紧，这样会加快密封磨损。由于设备正常运行期间这一泄漏值很小，且介质是带有放射性易产生硼结晶的含硼除

2 流量测量系统的硬件组成

测量系统主要组成：测量小桶、磁致伸缩液位传感器、PLC控制器、人机交互界面、电磁阀、显示及报警单元。

2.1 测量系统总体结构

流量测量系统采用PLC作为控制器的核心，PLC采集测量小桶的液位数据，进行电磁阀控制、瞬时流量计算、累积流量计算、报警输出等；采用工控机作为控制系统的人机交互界面。测量系统总体框图见图1。

2.2 测量小桶

测量小桶是用来收集主泵3号密封泄漏流的。采用内径100 mm的不锈钢圆桶，泄漏流通过引流管从桶底部进入测量小桶内，这样能有效抑制泄漏流引起的桶内液位波动。液位传感器安装于桶的顶部。桶的侧面开设溢流孔，使得当出口电磁阀故障或控制器失灵时，泄漏流能通过溢流孔排出。

2.3 液位传感器

液位传感器采用磁致伸缩液位计，该液位计是一种非常适合于高精度测量要求的智能型现场仪表，测量范围可在探杆长度范围内自由调节，采用二线制，输出信号为标准的4～20 mA电流信号，其测量精度优于±0.25 mm。该传感器响应速度块、防爆、安装简单（螺纹连接或法兰连接），运行可靠。

磁致伸缩液位计的主要测量原理：如图2所示，在磁致杆内部有一根紧绷的磁致伸缩线（1），电子模块（2）向磁致伸缩线上发射脉冲信号并且通过磁致伸缩线传送，在周围产生一旋转磁场（3），磁致杆中或者附近的浮子内有一块永久磁铁（4），当旋转磁场到达浮子时，与浮子的永久磁场相互作用。其结果导致磁致伸缩线将产生一个瞬时的扭力（5），同时产生返回脉冲，该脉冲沿磁致伸缩线向两端传送。脉冲传播的速度为一个恒定值，因此通过计算起始脉冲与返回脉冲之间的时间差就可以精确地计算出被测液体的液位或界位。

2.4 电磁阀

电磁阀的选型参考了原用电磁阀和测量小桶排液实际要求，采用220 VAC型电磁阀，通径为1英寸。电磁阀的要求如下：流体温度为常温；压力为0～16 bar；阀体材质为不锈钢；内件材质为不锈钢；电压为220 VAC。

2.5 PLC控制器

流量测量系统采用研华PLC作为控制器的核心。主泵3号密封泄漏流的测量，根据输入输出信号的类型和数量以及备用的需求，采用了4个模块，分别是模拟量输入模块、继电器输出模块、通用数字量I/O模块、高速模拟量输入模块。

2.6 工控机

工控机主要用来作人机交互界面的。通过工控机可方便地进行系统的组态、调试、参数修改、故障诊断、系统维护或优化等。运行期间，可作为3号密封泄漏流的监视，并能记录报警状态，提供报警及流量的数据的历史趋势查询。

3 系统的软件

控制软件采集测量小桶内的液位信号，计算单位时间内测量小桶液位的变化，即泄漏流量，以4～20 mA电流形式输出到流量指示仪或记录仪。当泄漏流量高于设定值时，控制软件输出触点信号驱动高流量报警动作。当控制软件检测到测量小桶内的液位高于高液位设定值时，输出24 VDC电压信号，控制继电器动作打开电磁阀进行排液；当电磁阀打开7 s（可调整）后，如果检测到测量小桶内的液位仍未下降，则判断为电磁阀故障，输出报警；当液位下降到低液位设定值时，控制电磁阀关闭，确保测量小桶内的液位保持在传感器的监测范围之内，以便于流量的计算。

控制软件增加了日累积流量计算功能，可将24 h内累积流量以4～20 mA标准信号送往指示或者记录仪。控制软件能够每天定时自动清零日累积流量。

3.1 算法原理

对于双向流动的罐体（见图3）而言，其液位变化与流入流量及排除流量有关，其函数关系如下：

图3 测量原理图Fig.3 Measurement principle schematic

其中，A为液罐的截面积；

a（t）为电磁阀的有效通径。

根据上式推导出：

由于电磁阀在开闭时有效通径分别为a和0,因此实际流量公式为:

当电磁阀关闭时:

当电磁阀打开时:

3.2 软件流程

控制软件具备以下功能：（1）数字滤波功能；（2）判断瞬时流量高低，自动转换采样周期；（3）根据测量小桶内液位，开启或关闭电磁阀；（4）流量高报警；（5）系统故障报警。软件流程图如4所示。

编程软件采用Advantech Multiprog V3.34。编程软件可以根据用户自己的需要选择其他软件，只要能满足工艺PC运算性能和PLC耐用性能的控制任务，按IEC61131-3的标准设计，为用户提供高效的图形化编程环境，包含用户需要的编辑器即可。

3.3 人机界面

利用工控机可进行人机界面组态，本项目中设置了运行界面、报警列表、趋势记录、参数设定等画面。其中，流量显示包括瞬时流量、累积流量、测量容器液位、流量报警等实时数据显示；参数设定画面用于对程序计算中的参数进行修改，便于流量测量装置的调试；趋势记录可以根据选取的时间显示趋势曲线；报警列表可记录系统触发的报警，用于故障查询。各组态画面如图5所示。

3.4 数值处理

因流量测量的量程范围很宽（0～100 L/h），而其正常运行时流量小于5 L/h。在如此大量程范围内既要保证低流量时流量测量的稳定性，又要保证大流量时的精度，因此对数据处理装置有如下要求：（1）高采样分辨率；数据处理装置的采样分辨率至少比液位计的分辨率高3到5倍，液位计的分辨率在0.1 mm，为量程的0.33%，则数据处理装置的采样分辨率至少在0.1%以上；（2）对采样的液位信号做相应的数据处理，在低流量时液位变化速率小于1 cm/min，变化非常缓慢，为除去液位测量的噪声对流量计算的影响，必须对采样信号进行滤波处理；（3）为保证低流量测量时的稳定性以及高流量测量的精度，计算流量时的采样时间需根据液位变化速率的改变而随之改变，在液位变化缓慢时，采样时间应较长，反之液位变化较快时，采样时间应较短。

因软件函数库内只有简单算术运算模块，因此，需要对计算流程中的高级计算方式进行简化处理，主要涉及计算方式有：

（1）数值均值处理

液位测量信号是流量计算的信号来源，但由于实际测量中不可避免地引入噪声干扰，造成流量计算值波动很大，且不能真实地反映流量趋势，因此采样的液位信号首先要进行均值化处理，可以有效地滤除大部分噪声干扰。

其中， 为n次采样的平均值； 为单次采样值； 为采样次数。

（2）信号滤波处理

根据滤波效果和滤波的响应时间，在调试中试用了不同的滤波方式，最终确定采用了以下两种不同的滤波方式，即加权移位平均滤波和低通滤波。

转换为算术运算为：

泄漏流瞬时流量的计算，根据流量大小，分别采用了两种滤波方式：当流量比较大时（比如大于5 L/h），采用加权移位平均滤波方式，选用合适的k值，能使瞬时流量的计算响应快且波动小；当流量比较小时（比如小于3 L/h），采用低通滤波方式，能比较有效地滤除干扰信号，使测量值稳定，见图6、图7。

4 系统功能及测量精度验证

为了验证本装置测量的精度，需要一个流量大小可调的、实际流量值可知的、具有较高精度的稳定流量源，且其介质为水（比如自来水）。能满足这样要求的稳流源现成的装置是比较难以找到的。如图8所示，这是一个能够产生稳定流量且流量值能够精确计算的简易装置。

产生稳定流量的原理如下：利用两级虹吸原理，可以产生一个持续稳定的水压头（调节V1、V2阀门开度可使处于第二级虹吸的烧杯始终保持满杯）以此作为流量的动力源，在稳定压头作用下，在同一排放管路内产生稳定的流量。稳定流量的具体流量值（平均值），则通过体积法计算出来。采用秒表计时，精密量杯测量单位时间内流出体积。稳定流量平均值计算如下： 初始时间：0 s，初始体积：0 mL；终止时间：t（s）；终止体积：Q（mL）；则流量计算为：F＝Q/t（mL/s）。

以F作为稳定流量的标准值，本装置测量的流量值f与F相比较，计算本装置的测量误差。由于f不可避免地有小幅度波动，所以，在选取f时，采用了在单位时间内（2 min）读取多个f值，然后计算平均值。经多次测量计算：此系统在小流量测量时精度为：0.11%，大流量测量时精度为0.09%，完全满足系统需求。

该系统的自动排液、高流量报警、系统故障报警、趋势记录、报警记录等功能均正常。

5 结束语

目前测量仪器仪表市场上对流量测量比较成熟的方式主要有：差压式流量测量方式、超声波式流量测量方式、电磁式测量、量热式测量等，但这些流量测量方式对测量范围、前后差压、流体流动系数、介质等有一定的要求，尤其是无法做到微流量测量。本装置通过容积式流量测量方法解决了上述问题：

（1）微流量测量；通过本装置可以测量到1 L/h的流量，而对流动系数、介质没有特别的要求。

（2）宽量程流量测量；本装置测量的量程范围可达1 000倍以上，而且针对流量的大小改变计算周期，这样既可保证微流量测量的稳定性，也可以提高大流量测量的响应时间。

容积式流量测量系统的组成简单，安装方便，测量小桶和磁致伸缩液位传感器能够适应苛刻的环境，PLC控制器、人机交互界面、显示及报警单元的实现简单。而且该流量测量系统能够监测的范围从0.1至数百升每小时，测量范围宽，精度高。这些特点，使得该测量系统在非确定性或非连续性流量测量方面，具有很强的适用性。比如，只要稍作改动，即可用来监测阀门的外漏情况；还可以用来监测非连续性的流量，比如疏水器的疏水流量。