对含气泡液体管道差压式流量计测量稳定性的改进

汪 达，徐霖野，李宇睿，李军怀

（中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300）

秦二厂安全壳喷淋系统（EAS）喷淋流量变送器，通过测得安喷管线上流量孔板两侧的差压来实现喷淋流量的测量及远传功能，该变送器为事故后监测系统仪表。

该变送器为EAS 系统直接喷淋流量与循环喷淋流量的差压流量测量变送器，现场测得参数并经处理后远传至主控室。

在进行涉及该流量计的零流量现场试验时，多次出现停泵后流量数据波动的情况，波动幅度超出误差许可范围。为保证现场设备可用，本文从测量结果波动这一问题着手，深入剖析波动产生的原因，并提出对应的解决方案，应用至现场后，取得了良好的成效。

图1 小流量测量波动记录Fig.1 Fluctuation record of small flow measurement

1 故障现象及故障处理

1.1 故障现象

安喷系统零流量实验期间，曾多次出现小流量指示波动的情况，曾有过1 个月内连续触发3 次波动的情况发生，其波动方式为在停泵后出现短时间的波动峰（如图1 所示）。

图1 中绿色曲线为流量，蓝色曲线为泵轴承温度，启泵期间流量指示正常，而在停泵后（蓝色曲线开始下行，证明已停泵成功）又出现了两次大的波动值，较大的一次波动值约为正常启泵期间流量值的1/4，明显已远超误差许可范围。

1.2 故障处理

针对这一故障，现场多采用充水排气方式进行处理，对仪表进行充水排气并校准后，在一段时间内仪表的测量稳定性会有所提高，然而在进行多次试验后（该管线在机组运行期间不投运），流量波动的情况又会出现。经统计，近3 年内对单个变送器校验（含充水排气）的工作次数多达7 次。从现场实际效果来看，充水排气具有见效快、操作容易等优点，但属于一种治标不治本的办法，对于应用于事故期间及事故后处理的安全壳喷淋系统来说，每次使用前进行人为校验的行为是不现实的。

2 背景介绍

2.1 差压式流量计测量原理

差压式流量测量方式基于伯努利方程和连续性原理，通过测量液体流经节流元件时产生的压力变化，从而计算出流体流量[2]。推导为：

已知流体密度ρ；流体管道前后截面积A1、A2；截面处流体流速v1、v2；压强p1、p2。根据不可压缩理想流体的伯努利方程：

图2 差压式流量计现场布置情况Fig.2 Site layout of differential pressure flowmeter

和流体连续性方程：

可以推得式（3）：

其中，A0 为孔板开孔面积，μ 为流束收缩系数（A2=μA0），d 为节流孔直径，D 为管道内径。

上述方程均建立在流体不可压缩及流体动量守恒的基础之上。事实上，由于流体存在摩擦力和黏性，其动量有所损失，而孔板前后流体由于具备可压缩性，前后密度并不相同，故引入流量系数α 和膨胀系数ε（对于不可压缩流体，其ε 为1），并得到孔板前后的实际压差为Δp=p1-p2，实际密度ρ2=ερ1=ερ，得到可压缩的实际流体方程：

简化公式，可以得到流量与差压之间的关系：

上述公式作为差压式流量测量的理论基础，其结论决定了差压式流量计的硬件组成，对于现场应用来说，主要的组成元件包含节流元件、引压管线及差压变送器。差压式流量计可以采用的节流元件包含标准孔板、节流挡板、文丘里管等，而在现场使用的设备中则以标准孔板居多。秦二厂安喷系统现场使用的正是标准孔板型差压流量计。

2.2 现场布置情况

秦二厂安全壳喷淋系统（EAS）喷淋流量变送器，通过测得安喷管线上流量孔板两侧的差压来实现喷淋流量的测量及远传功能。

现场仪表安装于管道侧方，通过引压管线自孔板两侧接入管道，对孔板前后两侧的差压值进行测量，并送出4mA DC ～20mA DC 标准电流信号至控制与监测系统，在控制柜系统中通过开方卡件与线性运算卡件处理，即可直接得到流量值。

现场采用的差压式变送器，测量范围0kPa ～60kPa，精度0.25，通过约6m 长的引压管线由孔板引入变送器进行测量，如图2 所示。

对国内同类型电厂该仪表的使用情况进行调研，发现该问题在大部分同型号电站中均有存在，属于共性问题，解决方案也多为充水排气操作。本文所讨论的解决方案具备推广价值。

2.3 不稳定性原因分析

1）安喷泵作用原理分析

该表计用于测量安喷管线内流量，安喷管线在机组正常运行期间无流量，只有在试验期间，该表计才会起到测量的作用，此时管线内液体来源为安全壳喷淋泵泵送的含硼水，安喷泵为叶片式立式筒形泵，泵扬程为131m，最大入口压力0.385MPa，在试验过程中，因氢氧化钠虹吸管线破坏带入空气，喷射泵将氢氧化钠输送管线中的空气吸入安喷管线内，气体以气泡的形式存在于液体管线中，并随着液体进入引压管线。考虑到对于仪表充水排气可以短期消除仪表测量不稳定问题的情况，不能排除测量不稳定的原因为仪表管线中含气泡。而事实上，为消除仪表管线含气泡对于仪表测量稳定性的影响，引压管线上安装有集气罐，但由于引压管线长度较长（约6m），集气罐并不能起到良好的除气作用。

2）历史故障记录分析

经查询历史记录，除了零流量试验停泵后该表波动外，也曾出现过机组正常运行期间该表计出现小流量波动的情况，如图3 所示。从图3 中可以看到，该波动持续一段较长时间后，经约5min 的最大量程指示（故障处理工作期间断开仪表），仪表指示复原，期间管线内不存在液体流动的情况（功率运行期间安喷泵不启动），查询历史工作记录可以发现，对该故障采用充水排气的方法进行了处理，这一故障不同于大多数情况下的零流量试验停泵后流量波动的产生条件，但其故障表现、故障处理方式及故障处理结果均有相似之处。

3）引压管线因素分析

图3 功率运行期间小流量波动故障记录Fig.3 Fault record of small flow fluctuation during power operation

作为差压式流量计的测量仪表，差压式变送器的测量范围本身较小（0kPa ～60kPa），需要较高的测量精度与测量灵敏度，管线内气体扰动、气体憋压等情况均会造成压力变送器的测量不稳定，而在安喷管线中，气体通过气泡的形式存在，气泡流动与汇聚均有可能引发管线内压力波动。在安喷泵正常工作期间，由于管线内流量较大，差压本身较高，扰动造成的影响较小，而停泵后主管线内液体停止流动，引压管线中的气体开始移动，这一过程中，气泡的流动、汇聚与破裂均有可能引发管线内压力波动，残留气体引发的压力波动与憋压情况造成了停泵之后的流量波动情况[1]。

4）信号处理回路分析

在流量测量的过程中，信号经开方卡件处理，开方卡件具有小信号切除功能，当输入信号小于0.075V 时，输出保持为0。

由开方运算关系式可知，对于输入信号为0.075 ～0.999之间的电压值，经开方卡件处理后，其输出值大于输入值。换言之，输入值低于满量程1/10 的信号值经由开方卡件运算后，如有输出，其输出会大于原输入值，由于差压值与变送器输出电流之间满足线性输出关系，且I-V 卡件为线性转换关系，易知变送器测量差压值与开方卡件输入端电压满足线性运算关系，对于波动误差，开方运算会将其放大，这也是波动较为明显的原因之一。

综合以上故障情况分析，可以判断出流量测量不稳定性的成因与管道内存在气体有密切关系。

2.4 处理措施

综上分析可知，小流量波动产生的原因为管线内气体产生的压力扰动，要解决小流量测量不稳定的情况，需要消除气体造成的影响，气体由虹吸破坏作用带出，根据该系统的工作原理可知，无法做到从根源消除管线气，解决方法主要着手于消除引压管线内的气体扰动。根据现场的实际布置，初步的解决方案有3 个：

1）在管线上布置气体消除装置（集气罐等）。

2）修改变送器及引压管线所在位置，消除引压管线内液体无法排空的问题。

图4 采用毛细管变送器后实验结果及前后结果对比Fig.4 Experimental results and comparison of results before and after using capillary transmitter

3）采用毛细管差压变送器，从根本上避免气体波动。

对于1）、2）两项解决方案，有成本较低、实施简单的优势，但由于在安喷试验进行的过程中，还是有气泡随虹吸破坏进入管线，依然不能完全避免气体影响，且加装集气罐会在管线中引入故障点，造成系统稳定性下降，其中集气罐这一方案已被证明效果不佳，不考虑采用。

考虑第3 条方案，由连通器原理可知，主管线中的压力变化对于差压变送器来说不造成影响，主要的问题集中于引压管线上，毛细管变送器通过在封闭毛细管内填充硅油进行引压，可以避免主管线内含气泡液体进入，达到从根本上消除气体影响因素的效果。

综上考虑，采用毛细管型差压变送器对现场变送器与引压管线一同更换，对原变送器、引压管线及集气罐进行拆除，由孔板出口根阀后全部换为毛细管进行引压。改造后进行零流量试验，启停泵前后流量指示保持一致，且停泵后未出现小流量波动，改造效果良好。改造前后测量效果对比如图4 所示，其中绿色曲线为改造后效果。

3 总结

差压式流量计作为一种广泛应用于生产场所的流量测量模式，其结构简单，测量回路易于搭建，对纯流体的测量结果准确度也让人满意。但其受流体密度与压强影响较大，特别是对于含气泡液体来说，由于测量值为孔板差压，对于单侧波动影响的敏感度较高，通过将测量仪表更换为毛细管变送器，将单侧管线等效为纯液体测量，从根源上避免了气体扰动，对于含气泡液体管线小流量测量稳定性改进有明显的功效，对于现场其它类似流量计以及国内同类型电站均具有广泛的应用与推广前景。