核电厂流量测量设计选型分析

刘 静（上海核工程研究设计院，上海 200233）

核电厂流量测量设计选型分析

刘 静
（上海核工程研究设计院，上海 200233）

在核电厂正常运行过程中，流量测量（如主给水流量测量、蒸汽流量测量）是进行经济核算所必需的一个重要参数，并且通过控制流量对核电厂的正常运行也有一定的保护作用。流量仪表种类繁多，并且在能够适应的流体性质、流动状态及工作条件等方面，以及在测量范围、精度、压力损失等方面都各有特点。文章简单介绍了流量测量的基本原理、多种测量方式，并针对恰希玛核电厂工程2号机组（C-2）中应用的测量种类、方法和要求，结合工程设计实例对流量测量的设计选型进行了具体说明。

核电厂；节流装置；流量测量

核电厂中的工作介质大都是流体，如液体、气体、蒸汽等。在实际生产中，对工作介质流量的测量和调节占有重要地位。不仅对保证电厂在最佳参数下运行有很大的经济意义，而且随着高温高压大容量机组的发展，流量测量已成为保证电厂安全运行的重要环节。

目前在核电厂流量仪表的选用中，主要使用节流装置式流量测量系统、转子和电磁等流量测量仪表。基于节流装置式流量测量系统采用的最多，文章着重介绍这种测量方法。

1 节流装置式流量测量系统

节流装置式流量测量系统是指采用孔板、喷嘴、文丘里管测量满圆管流量的测量系统，主要是利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现的。该系统一般由节流件、取压装置、前后测量段、差压计及数据处理器（开方计算器或计算机）组成。这种流量测量系统的特点是：

1）原理及理论研究非常成熟；

2）结构简单、成本低、维护使用费用低；

3）对环境适应能力强；

4）如果维护管理正确可以得到较高的测量准确度。

1.1 节流原理

实验表明，被测介质流经各种节流装置时，其流速和压力分布特性是类似的。图1所示为流体流经孔板时的节流现象。

当连续流动的流体遇到安插在管道内的节流装置时，由于节流装置的截面积比管道的截面积小，形成流体流通面积的突然缩小，在压力（能量）作用下流体的流速增大，挤过节流孔，形成流束收缩。在挤过节流孔之后，流速又由于流通面积的变大和流束的扩大而降低。

与此同时，近管壁处的流体受到节流装置的阻挡最大，促使一部分动压力转化为静压力，出现节流装置入口端面近管壁处的流体静压力P1升高（即图1中P1＞P1′）。由于惯性力的作用，流体在离开节流件之后相当距离处（即流束最小截面）收缩到最小，流速最大，根据位能、动能的相互转化原理，静压力也就降低到最低。同理，在节流装置出口端面处，由于流速已比原来增大，因此静压力也就较原来为低（即图1中P2＜P1′）。故节流装置入口侧的静压P1比其出口侧的静压P2大，形成静压力差ΔP，ΔP＝P1-P2。并且流量Q越大，流束的局部收缩和能量的转化越明显，因此节流装置两端的压差ΔP也越大。所以测量该差压的数值，就能间接测量流量的数值[1]。

图1 孔板附近流束及压力分布情况Fig.1 Flow sheaf near orifice plate and pressure distribution indication

根据流体力学原理及实验证明，流量（Q）是与节流件前后差压（ΔP）的平方根成正比，即

1.2 流体条件

1) 流体必须充满圆管和节流装置，并连续地流经管道；

2) 流体必须是牛顿流体，在物理上和热力学上是均匀的、单相的；

3) 流体流经节流件时不发生相变；

4) 流体不随时间变化或其变化非常缓慢；

5) 流体在流经节流件之前其流束必须与管道轴线平行，不得有旋转流。

1.3 有关参数

（1）流量系数α

α也称为流体流经装置的损失系数。

对于一定的节流装置型式和取压方式，α决定于Re、β和管道粗糙度。

对于β值相等的同一类型的节流装置，当流体沿着光滑管道流动时，其流量系数只是雷诺数的函数。但是，雷诺数对流量系数的影响，随着它的数值的增大而减少。并且当雷诺数足够大时，对于标准节流装置来说，流量系数就不再随着雷诺数的变化而变化了。

（2）雷诺数ReD

雷诺数是表征黏性介质流动特性的一个无因次量。对于几何相似的节流装置，流量系数α仅与雷诺数ReD有关，当流体的流动情况可用相当的ReD表征时，α值相等。

（3）β

（4）介质密度ρ

（5）膨胀系数ε

对不可压缩性流体：ε＝1，

对可压缩性流体：ε＜1。

（6）压力损失δP

流束通过节流装置时，一部分能量用来克服摩擦力和消耗在节流装置后形成的漩涡上。从图1可以看出，节流装置后流体的静压力并不能完全恢复到节流装置前的数值。不能恢复的这部分压力就称为压力损失。

标准节流装置的压力损失可用下式近似的计算：

（7）压差上限ΔPmax的确定[2]

压差是指在标准节流件上、下游规定的取压孔位置上测得的静压力的差。设计最关心的是在最大流量时所取的最大压差ΔPmax。最大压差的大小影响测量精度、测量范围、压力损失及安装所需直管段的长度等。节流装置型式确定后，最大压差完全取决于直径比β。在同样流量下，β越小，ΔP越大。

但是直径比β越小，也会带来下述不利因素：

1) 压力损失增加，即增加了动力损耗；

2) 测量静压力不大的蒸汽和气体时，采用较大的ΔP将使比值max增大；当流量变化时，会引起比值的较大波动。因而，使ε值产生偏差，影响了测量精度。

压差上限ΔPmax应在考虑到上述许多相互矛盾的因素下，根据现场要求和被测介质的已知参数等选择最适宜的数值。选择压差上限时，一般情况下应尽量满足下面几项要求：

1) 在全部测量范围内，流量系数α是恒定值；

2) 产生的压力损失不超过现场的容许值；

3) 需要的最小直管段长度，现场可以满足。

1.4 取压方式和使用范围

核电厂中应用的节流装置取压方式主要包括：径距取压法、法兰取压法和角接取压法。

（1）径距取压法

径距取压又称D、1/2D取压。上游取压管中心位于节流装置前端面距离为D的管道上游处；下游取压管中心位于节流装置前端面距离为1/2D的管道下游处。

径距取压标准孔板用于管径D为12.5～570 mm和直径比β为0.2～0.75范围内，雷诺数ReD范围为6×103～108。

（2）法兰取压法

法兰取压的取压装置为设有取压孔的法兰，如图2所示。

图2 法兰取压装置示意图Fig.2 Sketch of flange tap

不论管道的直径大小，法兰取压的上、下游取压管中心均位于距节流装置两侧相应端面的距离S=S′＝（25.4±0.8）mm处。这种取压方式的优点如下：当由一种直径比更换为另一种直径比时，取压点位置不变。

法兰取压标准孔板用于管径D为50～750 mm和直径比β为0.10～0.75范围内，雷诺数ReD范围为8×103～107。

（3）角接取压法

角接取压包括单独钻孔和环室取压两种结构（见图3）。

上、下游侧取压孔的轴线分别与节流装置上、下游侧端面的距离等于取压孔径的一半或取压环隙宽度的一半。取压点均在节流元件前后夹紧（或环室）内壁上。单独钻孔应力求取压导管与管道轴线垂直，与节流件前后紧固端面的夹角不大于3°。

图3 单独钻孔和环室示意图Fig.3 Sketch of single tap and ring chamber tap

环室取压用于管道D为50～1 000 mm和直径比β为0.22～0.80范围内，雷诺数ReD范围为5×103～107。

比较上述各种取压方式，角接取压法有以下优点：

1) 容易实现环室取压，提高了测量精确度，缩短了安装时所需要的最小直管段；

2) 实际雷诺数大于界限雷诺数时，流量系数仅是β的函数，当β一定时，流量系数α为定值，这时流量和压差间有恒定关系；

3) 由于管壁粗糙度逐渐改变而产生的摩擦损失影响最小。

基于上述原因，角接取压法被广泛采用。环室有均压作用，所取的压差比较稳定，应用更为广泛。但当管径超过500 mm时，环室加工麻烦，耗材多，一般都采用单独钻孔取压。

1.5 标准节流装置的种类

（1）标准孔板

标准孔板是一块具有圆形开孔并与管道同心且直角入口边缘非常锐利的薄板。其厚度E≤0.05D。同时孔板厚度不宜小于3 mm和大于10 mm。

标准孔板的最大优点是加工方便、安装容易、但压力损失较大。因为在同一β值下，孔板引起流束的扰动要比喷嘴和文丘里管显著。此外，测量大管径高温高压介质时，孔板容易变形。

（2）孔板常用的取压方式

孔板常用的取压方式是角接取压、法兰取压等。

（3）标准喷嘴

标准喷嘴是由两个圆弧曲面构成的入口收缩部分和与之相接的圆筒形喉部组成的。

从加工及成本而言，虽比不上孔板，但较文丘里管优越。和孔板比较，在同一β值下，α值大，测量范围大，而需直管段则较短。运行中，对介质污脏和冲刷的敏感性低，使用寿命长。

（4）标准文丘里喷嘴

标准文丘里喷嘴有长式和短式之分，其结构尺寸如图4所示。

长式文丘里喷嘴（图4中心线以下部分）出口圆锥的最大内径等于管道内径，而短式文丘里喷嘴（图4中心线以上部分）的出口圆锥的最大内径小于管道内径。

文丘里喷嘴的流量系数在较宽的范围内变化不大，因此其测量精度较高。而核电厂中的主给水流量用于测量反应堆的热功率，精度要求较高，一般采用文丘里喷嘴进行测量。

（5）标准节流装置的选择原则

基于测量的准确度、压力损失的大小、直管段所需的长度、是否方便安装等方面，标准节流装置的选择原则可以归纳为以下几点：

图4 标准文丘里喷嘴（箭头表示流束方向）Fig.4 Standard venturi nozzle

1) 要求节流装置产生的压力损失较小时，可选用喷嘴、文丘里喷嘴或文丘里管。但在压差值相等以及被测流量也相等时，孔板和喷嘴的压力损失大小大致上是相同的。文丘里喷嘴和文丘里管较孔板和喷嘴的压力损失值要小得多。

2) 测量某些容易使节流装置弄脏、磨损和变形的脏污及侵蚀性介质时，喷嘴要较孔板优越得多。

3) 流量值和差压值都相等时，喷嘴比孔板的直径比β小。在这种情况下，喷嘴有较高的测量精度，而且需要的直管段长度也较短。

4) 在加工制造和安装方面，以孔板为最简单，喷嘴次之，文丘里喷嘴和文丘里管最复杂。其成本也与此相同。管径越大时，这种差别就越显著。

1.6 非标准节流装置

由于核电工程的特殊性，核电厂中使用的节流装置在加工工艺和材质等方面都有一些特殊要求，以满足安全等级、质量保证等级和抗震要求的非标节流装置，具体如表1所示。

表1 非标节流装置要求Table1 Requirements of non-standard throttling device

此外，在不同的工艺条件下，节流装置与工艺管道的连接方式也有所不同：

1) 介质温度、压力在高温（340 ℃）高压（15.5 MPa）条件下的核安全级节流装置，节流装置与工艺管道采用焊接的连接方式。

2) 介质温度、压力在小于250 ℃、小于10 MPa条件下的核安全级节流装置，节流装置与工艺管道可采用焊接或法兰的连接方式。

2 转子流量计

转子流量计，又称浮子流量计，也是利用流体流动节流原理的一种流量测量仪表，在一根由下向上扩大的垂直锥管中，圆形横截面的浮子的重力是由液体动力承受的，从而使转子可以在锥管内自由地上升和下降。由于转子的重量在转子做上下移动时是不变的，因此转子处于任一平衡位置时，其两端压差也为恒定值，故转子流量计又称为恒压差式流量计。

转子流量计是仅次于差压式流量计应用范围最宽广的一类流量计，优势如下：

1) 流量极低时，也可以实现精确测量；

2) 压力损耗较小；

3) 本地指示，无须辅助电源；

4) 前后直管段较短。

3 电磁流量计

电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。

测量流量时，流体流过垂直于流动方向的磁场，导电性液体的流动感应出一个与平均流速（即体积流量）成正比的电压，因此要求被测的流动液体具有最低限度的电导率。其感应电压信号通过两个与液体直接接触的电极检出，并通过电缆传送至放大器，然后转换成统一输出信号。

电磁流量计有一系列优良特性,可以解决其他流量计不易应用的问题，如脏污流、腐蚀流的测量。具体如下：

1) 测量不受流体密度、黏度、温度、压力和电导率变化的影响；

2) 测量管内无活动及阻流部件，无压损，直管段要求低，不易堵塞；

3) 测量管内无可动部件或突出于管内的部件，因而原理损失较小；

4) 流量范围大，口径范围宽；

5) 反应迅速，可以用于测量脉动流量；

6) 可应用腐蚀性流体。

但是也存在一些缺点：

1) 不能测量电导率很低的液体,如石油制品；

2) 不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体；

3) 不能用于较高温度，一般使用的温度范围为0～200 ℃；

4) 结构复杂，成本高。

4 实例说明

选用流量仪表是一项复杂的工作，必须因地制宜、全面考虑。

下面以C-2工程中的某系统为例进行说明：

某泵出口流量的工艺参数如下：

温度正常流量流量变化范围管道尺寸允许压损180 ℃450 m3/h 50～650 m3/h φ219.1×12.7 2 m水柱

根据工艺参数进行计算，得出使用标准孔板测量将无法满足工艺允许压损的结论，因此有必要把选用的节流件改为喷嘴。计算结果如下：

压力损失变送器的差压前直管段后直管段0.69 18 kPa 60 kPa L=5.4 m L=1.4 m β

计算后发现工艺管道的前后直管段无法满足计算所要求的最小直管段长度[根据GB 2624-1981标准中β值与前后直管段的对应关系（β＝ 0.69对应的前直管段要求是28D,最小要14D)[3]。因而重新计算，提高差压上限，使β值减小。再次计算的结果如下：

压力损失变送器的差压前直管段后直管段0.56 82 kPa 160 kPa L=3.2 m L=1.2 m β

虽然工艺前直管段仍然无法满足要求，但是已经满足了最小直管段的要求（只是附加极限相对误差会±0.5%），基本满足流量的测量要求，所以选用第二次的计算结果。

5 总结

在核电厂的设计过程中，考虑的内容主要是：测量对象、工艺介质、环境条件、放射性强度、安全等级、质保等级和使用寿命等。一般来说，使用寿命放在第一位，流量仪表精度是次要的。因为大多数流量仪表仅作控制、显示用，除非要求有累计计量的流量仪表才考虑精度要求高一些，如电磁流量计。所以对核电厂中使用的流量仪表（一次部分）第一步考虑的是孔板或喷嘴，如果发现上述两种流量仪表不适合，才考虑选用其他流量仪表。

[1] 《化工测量及调节仪表》编写组. 化工测量仪表 [M].上海：上海人民出版社，1977：28.(Preparation team of Chemical Engineering Measurement and Regulating Instrument. Chemical Engineering Measurement Instrument [M]. Shanghai: Shanghai People's Publishing House, 1977:28.)

[2] 孙淮清，张宝鑫，等. 流量测量节流装置设计手册 [M]. 北京：机械工业出版社，1966：11.(SUN Huai-qing, ZHANG Bao-xin, et al. Design Handbook for Flow Measurement Throttle Device [M]. Beijing: Mechanical Industry Press, 1966:11.)

[3] GB 2624—1981，流量测量节流装置 第一部分：节流件为角接取压、法兰取压的标准孔板和角接取压的标准喷嘴 [S]. (B 2624-1981, Flow Measurement Throttle Device (Part I): the throttling components are of standard corner taping and flange taping orifice plate, and standard corner taping nozzles [S].)

Flow Measurement Analysis for Nuclear Power Plant

LIU Jing
(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute，Shanghai 200233，China)

During the normal operation of nuclear power plant, flow measurement (such as main feedwater measurement, steam flow measurement) is an important parameter for economic accounting，and there is some protection effect on the normal operation by flow control. There are a wide variety of flow meters and they have different characteristics in the fluid properties, flow and working conditions to which the flow meters are adapted, as well as in the measurement range, precision, pressure loss and other aspects. The paper firstly introduces the basic principles, kinds and methods of flow measurement for CHASNUPP 2（C-2）, and gives the detailed explanation of instrument selection for flow measurement with the example of the project.

nuclear power plant；throttling device；flow measurement

TM623 Article character: A Article ID: 1674-1617(2013)01-0079-06

TM623

A

1674-1617(2013)01-0079-06

2012-09-18

刘 静（1978—），女，安徽阜阳人，工程师，大学本科，从事核电厂仪控系统设计工作。