中国先进研究堆反应堆厂房通风系统风量测量技术改进

韩德军 余建江 顾方华 丁丽

摘 要：反应堆厂房通风系统属于中国先进研究堆（CARR）通风空调系统中的重要子系统，从2012年下半年进入试运行，发现DCS通风系统中风量显示误差越来越大，普遍风量指示过大，有的显示送风量大于排风量，易引起运行人员和核安全监督人员的误解。经检查分析，认为原热式风速变送器易粘尘土失效，不适合CARR运行环境需要，决定更换为皮托管式风速变送器，并进行规范地安装调试。经过数月的运行考验，DCS系统计算机反应堆厂房通风系统风量显示数据较为稳定准确，说明新安装的皮托管风速变送器是适用的。

关键词：中国先进研究堆 反应堆厂房通风系统 风量测量 技术改进 皮托管风速变送器

中图分类号：TL36 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（b）-0133-04

Abstract：Reactor Hall Ventilation System （RHVS） is one important sub-system of the China Advanced Research Reactor （CARR） ventilation air conditioning system. Since the beginning of trial operation in 2012， the deviation of air flow between actual measured value with the displayed value on the screen of distributed control system （DCS） have had an increasing trend， the latter were larger. Sometimes the intake air flow was larger than exhaust one. These problems would easily cause confusion of operating crew and nuclear safety supervisors. Through inspection and analysis， it was the main reason of causing deviation that the original hot type wind speed transmitter was inclined to adhere dust in CARR operation condition. So the pitot-tube type wind speed transmitters were used as an alternative. After finishing installation and debugging， several months of operation practice showed the deviation had a obvious decrease ，the measure values were stable and accurate.It proved that the new transmitters are suitable for CARR.

Key Word：China Advanced Research Reactor；Reactor hall ventilation system；Air flow measurement technique，Technical modification，Pitot-tube type wind speed transmitter

中国先进研究堆（CARR）是由我国自主设计、建造的多用途研究性反应堆，设计核功率60 MW。目前，CARR处于调试试运行阶段，正在进行运行许可证的申请工作。

CARR通风空调系统是CARR反应堆系统中重要的组成部分，用以减少放射性物质向周围环境的泄露，排出机械、电气设备及管道散发的热量及维持工作场所的温湿度在合理范围内。CARR通风系统运行时，要求各工艺间排风量略高于送风量，工艺间压差30±10Pa，防止放射性气体在各工艺间扩散。

CARR通风空调系统调试完成并投入运行今以来，计算机集散控制系统（DCS）的通风系统送、排风风量指示偏差越来越大，尤其是反应堆厂房通风系统，普遍风量指示过大或过小，已不能实际反映运行状况。于是决定查找原因进行整改。

1 原风速变送器检查

为了搞清问题存在的原因，我们抽出了问题最大的操作大厅送风系统风速变送器进行检查。

原风速变送器为热线式风速变送器，探杆及上面的探头粘上一层灰黑色灰尘，探杆有一定弯曲，可能是送风温度有时较高所致。具体状况见图1所示。

热线式风速变送器是一种以热线为探头的流速测量仪器，由探头、信号和数据处理系统构成。热线式风速变送器探头—热敏电阻极易沉积灰尘，最终使风速变送器失效。

在检查其他的风速变送器时，也发现有的风速变送器安装位置不当、变送器探杆过短，导致不能反映实际风量的问题。

鉴于热线式风速变送器不适合CARR实际运行状况，影响反应堆正常运行，决定选用新形式的风速变送器。

2 新风速变送器选择

2.1 常见的风速测量技术

依据测量原理不同，目前市场应用常见的风速测量技术有：机械式风速测量、皮托管式（差压式）风速测量、热敏式风速测量、激光多普勒式风速测量和超声波式测量。

2.1.1 热敏式风速测量

热敏式风速测量技术是一种以热敏材料为敏感元件的流速测量仪表，由热敏感元件、信号和数据处理系统构成。热敏感元件按结构分为热线、热球和热膜3种，均由电阻值随温度变化的热敏材料构成。市场应用较多的是热线式风速测量仪表，目前CARR使用的就是热线式风速变送器。

2.1.2 机械式风速测量

机械式风速变送器主要有叶轮式和风杯式两种，一般应用于气象环境监测和管道风速测量。基本原理是流动气体带动叶轮或风杯旋转，其转速与风速呈一定的关系，通过测量旋转速度来测量风速大小。

机械式风速变送器的结构简单、使用方便，而且对环境适应性强。机械式风速变送器适用于中低段平均风速的测量。叶轮式风速仪广泛应用于通风现场送排风口风量测量。

2.1.3 皮托管式风速测量

皮托管式（差压式）风速测量的方法为一种间接测算法，通过皮托管和差压计联合测定出风速。实际测量时，使气流方向垂直于皮托管的管口，测得该位置的全压与静压之差，得出动压，然后通过风速与动差的关系式求算出相应的风速值。

皮托管测量构造简单，安装方便，测量时也不受气体紊流的影响，维护方便；流动阻力小，可测速度分布；低风速段测量响应迅速，对粉尘环境有较强的适应性。缺点：标准皮托管管口较小，湿度及粉尘较大的环境中管口容易堵塞；标准皮托管安装角度对精度有一定的影响。

2.1.4 激光多普勒式风速测量

激光多普勒测速技术（简称LDA或LDV）的基本原理是将激光束穿透流体照射在随流体一起运动的微粒上，检测微粒散射光的频率，根据光学多普勒效应确定微粒即流体的运动速度。

激光多普勒风速仪价格较为昂贵，目前还未普及。

2.1.5 超声波式风速测量

超声风速仪根据测量方法不同，分为超声速差测风仪和超声涡街测风仪。

超声波风速测量技术优点是测量范围广，精度高，缺点是长期稳定性不佳，价格较高。

2.2 风速变送器最终选定

针对CARR通风系统实际运行状况，需要一种能适应一定的灰尘环境，安装更换方便，而且信号输出稳定的风速变送器。经过调查比较，确定选用皮托管式风速变送器进行安装试验验证（见表1）。

2.3 厂家定制

通风系统矩形或圆形管道中，风速的分布是中心高，四周逐渐降低。风速变送器探杆的长度要根据管道尺寸进行适当调整。探杆取压点位于管道截面宽（长）度或直径的约1/3处。标准长度的风速变送器并不适合所有尺寸的通风管道。

变送器探杆长度根据以下公式计算：L=1/3D+M+Z

式中：D为通风管道直径，单位：mm。M为探杆裕量，根据实际需要确定，约10～20 mm。Z为探杆首对测压孔至探杆顶端的距离，10 mm。

表2是根据CARR反应堆厂房通风系统管道实际情况，确定的一些技术参数，表中风速量程及相应尺寸探杆要求厂家依此定制。

技术要求：（1）厂方设计探杆首个探孔位置应在管道进深的1/3处。（2）表头必须有数据清零按钮。（3）风速变送器电源，交流24 V或交、直流24 V通用型。（4）直流4～20 mA信号输出。

3 皮托管风速变送器安装调试

3.1 前提条件

（1）皮托管风速变送器做校准试验，出具校准证书。

（2）安装前再次检查风速变送器零点是否合格。方法是：用塑料袋将风速变送器探杆包严，以免环境微风影响，然后通电测零点电流，4 mA±3%为合格。

3.2 安装步骤

（1）停止反应堆厂房所有风机，相应风阀关闭。

（2）按照风速变送器的安装要求检查反应堆厂房通风系统原风速变送器安装位置。较为理想安装位置应在距上游弯管段大于6倍或距下游弯管段大于3倍管径处。风速变送器不能安装在弯管或变径处。

（3）拆除原风速变送器，安装皮托管风速变送器套管头，用螺钉固定。

（4）将探杆插入套管头，注意动压测孔要保证垂直迎风方向，固定探杆。

（5）接通电源线、电流信号输出线，测皮托管变送器零点输出电流，4 mA±3%为合格。

3.3 风量实测

遵循的原则是：用风速仪实测反应堆厂房各通风子系统中各个工艺间风口风量，再把各个工艺间风口风量累加得出此通风系统送风量或排风量实际值；然后调整皮托管风速变送器探杆进深，使其风量输出值大致等于实测值。

3.3.1 风量实测方法

使用叶轮式风速仪，根据CARR反应堆厂房通风系统中各工艺间送排风口截面积大小不同，采用9点法或5点法测风口风速。

风口平均速度： （1）

式中：为风口平均风速，单位：m/s；

为各测点风速，单位：m/s；

n为测点数量。

风口风量按下式计算：

风口风量： （2）

式中：Q为风口风量，单位：m3/h 。

F为风口通风面积，单位：m2；为风口平均风速，单位：m/s。

风量测量操作步骤如下：

（1）启动CARR反应堆厂房通风系统所有送风机、排风机A，调整好各楼层工艺间压差，关闭工艺间房门。

（2）记录风机电压、电流，记录送风机初效过滤器压差、中效过滤器压差；记录排风机预过滤器压差、高效过滤器压差；记录送风温度、湿度、风压，记录排风温度、湿度、风压。

（3）用风速仪测风口平均风速，计算各风口风量，将某通风子系统送、排风风口风量累加即得相应通风子系统的送、排风实际量。

（4）根据实测风量，计算调整新更换皮托管风速变送器输出电流。风速变送器输出电流推导如下：

风速： （3）

式中：V为通风管道中的风速，单位：m/s；IO为皮托管风速变送器输出电流，单位：mA；L为皮托管风速变送器量程，单位：m/s。

风量：FV （4）

式中：Q为通风子系统送、排风量，单位：m3/h；F为总送、排风管道截面积，单位：m2。

根据（3）式、（4）式得出：IO （5）

调节风速变送器探杆的进深，现场实测输出电流，使其等于计算的输出电流IO，即使风量大致等于实测风量，并用红色油漆标示探杆进深位置，以备下次更换参照。

（5）修改主控室DCS通风系统IFIX组态软件中风量计算公式，风量按（4）式计算。

（6）停止送风机、排风机A。再启动送风机、排风机B，调01子项各楼层工艺间压差匹配，按（2）、（3）步骤实测反应堆厂房各通风子系统送排风量，与主控室DCS通风系统计算机显示值对比，验证新安装的皮托管风速变送器输出的准确性。

3.3.2 风量实测实例

以物理实验大厅排风系统为例。01物理实验大厅排风系统有2台排风机，即A、B排风机，对应1台高效过滤装置。01物理实验大厅有6个排风口，A排风机运行时，排风量实测、计算见表2。

根据实测总排风量计算风速变送器输出电流：

Io=﹝16×11679/（3600×0.7×0.45×15）﹢4﹞≈14.98mA

调整排风总管道新更换皮托管风速变送器探杆的进深，现场实测输出电流，使输出电流约为14.98 mA。更改主控室DCS通风系统IFIX组态软件中风量计算公式，风量按（4）式计算。

Q=（A×B）×C

式中：A为PLC接收模拟信号转换的风速值；B为风管截面积，对于01物理实验大厅排风系统，管道截面积为0.3969m2。C为系数，等于3600。

修改后，检查计算机显示值与实测风量值比较，偏差≤5%为合格。

4 运行评价

反应堆厂房通风系统风量测量技术改进工作从2015年4月开始一直持续到2015年12月，新更换了9只定制的皮托管式风速变送器。

以表3是技术改进后，记录的反应堆厂房通风系统计算机显示值与实测值的对比表。（说明：实测风量符合设计风量）

（1）从表3可以看出，DCS系统计算机反应堆厂房通风系统风量显示数据与实测值比较较为准确，偏差小于5%，经过数月的运行考验，数据显示基本稳定，基本能够如实反映通风系统运行状况，说明新安装的皮托管风速变送器是适用的。

（2）风速变送器探杆安装位置调试完成后用红漆标示，下次更换时依此确定新风速变送器（需是按表1定制的）的位置，这样省去了繁琐的风量实测工作。

（3）皮托管风速变送器维护方便，测压孔粘泥堵塞影响工作时，可以取下清洗测压孔，检测输出电流信号合格后，即可继续使用。

5 结语

中国先进研究堆通风空调系统是保证核反应堆安全运行的重要系统，反应堆厂房通风系统风量测量问题的解决，有效保证了反应堆厂房通风系统正常运行，保障了反应堆的安全运行。另外，这次技改积累的一些安装调试的成功经验，对后续其它通风系统风量测量改进，也具有益的借鉴意义。

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