热式质量流量计在核电厂的应用

　　流量是核电厂运行过程中重要的过程参数之一，常用的流量测量仪表有孔板流量计、超声波流量计、电磁流量计以及热式质量流量计等。热式质量流量计目前多用于工业中气体流量的测量，在核电厂中则普遍应用于通风系统流量测量场合。在采用轴封型主泵的核电厂中，主泵第三级密封泄漏流是典型的微小流量工况。孔板流量计和超声波流量计通常并不适用或不能取得良好的测量效果。热式质量流量计自问世以来，已在核电厂通风系统中获得了成功的应用，而在液体微小流量测量方面，热式质量流量计也具有一定的适用性。

　　1热式质量流量计的原理①

　　热式质量流量计是利用热传导原理，即通过流动中的流体与热源之间的热量交换，来测量介质流量的仪表，主要可分为两类：利用流体流动传递热量改变测量管壁温度分布(即热传导分布)效应的热分布式流量计，也称为量热式质量流量计;利用热消散效应(基于金氏定律)的侵入式质量流量计，也称为导热式质量流量计或插入式质量流量计。

　　热分布式质量流量计的工作原理是在测量管外壁上、下游各绕两组加热/检测线圈，两组线圈通以恒定电流加热，当流体静止(无流量通过)时，两组线圈中心上、下游温度分布处于对称平衡状态，两组检测线圈的电阻相等;当有流体流动时，流体将上游管壁热量带走传递给下游管壁，破坏原平衡状态，线圈电阻产生差异，检测其差值从而求得流体质量流量：

　　(1)

　　式中A———热传导系数;

　　cp———被测介质的定压比热容;

　　K———常数。

　　热消散效应(基于金氏定律)侵入式质量流量计的工作原理是将两个温度传感器(一般为铂热电阻)分别置于管道的流体中，由其中一个铂电阻测得流体本身的温度T，另一个铂电阻经一定功率的电加热，其温度TV高于T，当流体静止时其温度最高，伴随着管道中流体流量的增加，流体流动带走更多热量使TV降低，即可通过温度差求取流量值。基于金氏定律的热丝热散失率为：

　　(2)

　　式中cv———流体的定容比热容;

　　d———热丝直径;

　　H/L———单位长度热散失率;

　　V———流体的流速;

　　ρ———流体的密度;

　　λ———流体的热导率。

　　侵入式质量流量计根据对铂热电阻的加热方式，又分为恒功率式、恒温差式和恒比率式。

　　恒功率式是在加热电路上用一个恒定功率的电能对铂电阻进行加热，流体介质在静态时，被加热的铂电阻和没有被加热的铂电阻之间温度差最大，随着流体介质的流动，被加热铂电阻上温度降低，则两个铂电阻之间的温差减小。恒功率式热式质量流量计是通过测量温差的变化来获得流体介质流量的变化。

　　恒温差式是加热一支铂电阻，使其比不加热的铂电阻高出一个恒定的温度。随着流体介质的流动，被加热的铂电阻由于散热而导致温度降低，通过反馈电路反馈到处理器增大加热器的电流(也可以是电压)来保持其温差为恒定值，再通过检测变化的电流(或电压)来获得流量的变化值。

　　恒比率式是在恒温差原理的基础上，通过调节施加在加热端热电阻上的加热电流以保证被加热的铂电阻阻值与不加热的铂电阻阻值成一恒定比率。同恒温差式质量流量计一样，恒比率式质量流量计也是通过检测变化的电流来获得管道中流体的流量值。

　　2核电厂中微小流量的测量与热式质量流量计的应用

　　2.1核电厂中的典型微小流量测量工况

　　在使用轴封型反应堆冷却剂泵(主泵)的核电厂中，主泵的第三级密封泄漏流是一种典型的微小流量工况。轴封系统是轴封型主泵的关键部件，其长期可靠运行不仅关系到核电厂的正常运行，也直接影响到核电厂的安全。轴封的功能是保证核电厂正常运行期间从一回路系统沿主泵泵轴向安全壳空间环境的反应堆冷却剂泄漏量基本为零，要求其长期处于高压差工况，并维持可控泄漏率。轴封一旦失效会导致核电厂一回路的压力边界完整性丧失，其泄漏率如果超过了化容系统的补给能力，则会导致潜在的小破口失水事故的发生，影响电厂安全。典型的流体动压型轴封系统通常由3道串联机械密封和1道停车密封组成，通过降压装置将一回路系统压力分配到串联的各级密封上面，从而降低单级密封承受的压力，增加主泵轴封长期运行的可靠性。通过三级降压，主泵第三道密封之后压力降低至大气压。考虑到若主泵第三级密封泄漏流流量过大，说明密封可能已磨损或损坏，流量过小，则对密封面的散热和润滑不利，而影响轴封寿命。因而在核电厂正常运行工况下，主泵第三级密封泄漏流的流量约为5L/h左右，当流量达到50L/h时，则需要产生报警提醒操作员。

　　2.2常用的主泵第三级密封泄漏流量测量方法

　　目前在多个核电厂(例如秦山核电)中，采用容积式流量测量的方法，即通过液位仪表测量主泵密封泄漏流量在容器中的变化速率来推算泄漏流量。测量示意图如图1所示。

　　图1容积式流量测量装置示意图

　　容积式流量测量装置一般由容器(允许流入和流出)和液位开关组成。当正常运行时，容器内的液位随液体流入和流出速率的变化而变化：

　　(3)

　　式中a———容器下泄口的面积;

　　A———容器的截面积;

　　f(t)———泄漏流的瞬时流量;

　　h(t)———容器内液位。

　　当流量增大时，流入容器的流量大于经容器下泄口流出的流量，容器内的液位开始上升。当上升至容器内的设定点时，触发液位开关动作，发生报警，表明第三级泄漏流的流量过大。若将液位测量仪表由液位开关改为液位变送器，并配合数据采集和处理系统，则可获取泄漏流实时流量。