旋进漩涡流量计在电站氢气干燥系统中的改造应用
摘要：介绍旋进漩涡式流量计在田湾核电站发电机氢气干燥系统上的改造应用，成功实现了复杂工况下低静压系统氢气流量的长时间连续测量，对国内电站在同类工艺的仪表选型及应用具有一定的参考意义。
1 概述
田湾核电站汽轮发电机采用水—氢—氢冷却，即：定子绕组采用水冷却，转子绕组用氢气冷却，铁芯采用氢气冷却。
机组功率运行时通过氢气干燥器控制发电机内氢气湿度在5%~20%范围内，其流程如图1所示。氢气干燥器由两路干燥罐组成，一路干燥罐干燥时，另一路干燥罐再生，干燥罐再生时通过干燥罐内的电加热器蒸发干燥剂内的水分，蒸发的水分随氢气通过再生管线排出，干燥罐再生时通过手动调节再生管线上流量计的流量在8~12m3/h范围内，从而使再生罐内的干燥剂充分再生。系统中的磁力风机用以提升氢气的入口压力，原系统使用玻璃管浮子式流量计测量再生管线氢气流量。
图1 田湾核电站氢气干燥器系统流程图
由于氢气系统内含有大量密封油和水等杂质，浮子流量计无法实现对系统长时间连续稳定的流量测量，同时玻璃管浮子流量计存在爆裂的风险，给机组的安全稳定运行增加了风险。
2 问题提出
氢气干燥器系统原来使用的再生管线流量计为纯机械显示式的，管内有一浮子，浮子根据流量计两端介质的压差上下浮动，从而实现气体流量的测量；机械式浮子流量计在使用过程中出现过以下问题：
（1）玻璃管流量计内胆由玻璃管组成，浮子位于管内，系统正常运行时，由于系统内含有水和油等杂质，造成玻璃管热胀冷缩，系统长时间运行后流量计的玻璃管内胆上会出现裂纹，造成氢气泄漏，如遇火花或静电时将造成氢气爆炸的严重后果。
2010年5月4日田湾核电站1号机组功率运行期间发生了玻璃管流量计内胆破碎，造成大量氢气泄漏到厂房内，机组快速甩负荷；因此玻璃管流量计在氢气干燥器上使用存在着巨大的工业安全隐患。
（2）氢气干燥器正常运行时有两种工作模式：系统中的磁力风机投运和磁力风机未投运。
当氢气湿度低于5%时，手动停运磁力风机，此时氢气的干燥循环由发电机转子的转动提供动力，流量计两端的压差约为0.02MPa；当氢气湿度大于20%时，手动投运磁力风机，磁力风机能够提升流量计两端的压差约为0.015MPa，因此流量计两端的压差约为0.035MPa。
田湾核电站发电机内氢气使用透平油进行密封，由于油压大于氢压，氢气在循环干燥过程中会将部分油质带入氢气干燥器系统中，造成氢气干燥系统内含有大量的油质，氢气通过浮子流量计时气体中的油质会粘附在流量计内的浮子上，经长时间积累形成油垢，增加了浮子本身的重量，浮子能够正常浮起的最小压差也随之增大；当浮子与油垢的重量增加到0.02MPa以上，在氢气的湿度低于5%，停运磁力风机的工作模式下，浮子流量计无法实现测量功能；当浮子与油垢的重量增加到0.035MPa以上，即使投运磁力风机，浮子流量计无法测量出氢气流量。
当大量杂质粘附在浮子上，造成浮子流量计无法测量氢气流量时，需在线隔离氢气干燥器系统清洗浮子，降低了氢气干燥器系统的可用率，对机组安全稳定运行增加了风险。
氢气干燥系统使用的玻璃管式浮子流量计既无法满足现场的工业安全要求也无法实现在复杂系统中长时间连续准确测量氢气流量的功能。为解决上述问题，需使用合适的流量计替代玻璃管浮子流量计。
3 流量计的选型
根据现场的工业安全要求，首先选用了金属管浮子流量计替代玻璃管浮子流量计，金属管式浮子流量计由金属管和浮子及指针组成，当有气体流过时，浮子浮动，通过磁性带动指针，显示当前气体流量；将金属式浮子流量计安装到现场并验证，在氢气干燥器刚刚投运且磁力风机未投运模式下，金属管式流量计无法实现流量测量；在磁力风机投运模式下，金属管式流量计可以准确测量氢气流量。
根据现场的试验结果，由于金属管式浮子流量计浮子重量超过了磁力风机未投运时流量计两端的压差，金属管式浮子流量计无法实现正常测量，因此金属管式流量计不能满足现场使用要求。
考虑到系统的静压差小的特点，重新选用了防爆型旋进漩涡式流量计，旋进漩涡流量计通流管道采用铸铝合金材料，满足系统的防爆安全要求；旋进漩涡流量计由漩涡发生体、壳体、智能流量计积算仪、温度传感器、压力传感器、压电晶体传感器、消旋器7个基本部件组成，流量传感器的流通剖面类似文丘利管的型线（图2）。
图2 旋进漩涡流量计剖面图
在入口侧安放一组螺旋型导流叶片，当流体进入流量传感器时，导流叶片迫使流体产生剧烈的旋涡流。当流体进入扩散段时，旋涡流受到回流的作用，开始作二次旋转，形成陀螺式的涡流进动现象。该进动频率与流量大小成正比，不受流体物理性质和密度的影响，检测元件测得流体二次旋转进动频率就能在较宽的流量范围内获得良好的线性度。信号经前置放大器放大、滤波、整形转换为与流速成正比的脉冲信号，然后再与温度、压力等检测信号一起被送往微处理器进行积算处理，最后在液晶显示屏上显示出测量值。
4 现场应用
旋进漩涡式流量计公称直径规格可在15~200mm选择，可实现1~3600m3/h的流量测量；田湾核电站氢气干燥器再生管线的流量要求在8~12m3/h范围内，为使仪表测量准确，选择了公称直径20mm的旋进漩涡式流量计，测量范围1.5~15m3/h，仪表精度等级1.0；为验证流量计的可用性，在流量计安装到氢气干燥器再生管线后（如图3），进行了相关试验，为保证测量结果的准确性，在流量计安装前委托有相关资质的计量单位对旋进漩涡流量计进行了标定，标定结果合格，在流量计误差精度范围内。
图3 旋进漩涡流量计安装图
氢气干燥器系统刚投运：在磁力风机停运模式下，手动调节流量计流量，可以将再生流量调节到系统运行要求的8~12m3/h范围内；在磁力风机投运模式下，手动调节流量计流量，再生流量能够调节到8~12m3/h范围内。
从试验的结果可以验证旋进漩涡式流量计在氢气干燥器系统刚投运时能够准确测量两种工作模式下再生管线的氢气流量。
在氢气干燥器系统连续运行3个月后，对旋进漩涡式流量计进行相关试验，试验结果与氢气干燥器系统刚投运时的试验结果一致，即在氢气干燥器系统运行3个月后，旋进漩涡式流量计仍可准确测量两种工作模式下再生管线氢气流量。
为进一步验证旋进漩涡式流量计的可用性，分别在氢气干燥器系统投运6个月、9个月、12个月对旋进漩涡式流量计进行相关试验。试验结果见表1。
表1 旋进漩涡式流量计在氢气干燥器系统的试验结果
从试验结果可以看出：
旋进漩涡式流量计在氢气干燥器运行的一年时间内，工作情况稳定，能够满足在复杂工况系统中准确测量气体的流量；仪表运行12个月后，为验证仪表测量的准确性，对流量计进行了重新标定，标定结果合格，说明试验过程流量计测量的数据真实准确。因此旋进漩涡式流量计满足了田湾核电站氢气干燥器现场使用的要求，旋进漩涡式流量计选型是成功的。
5 结束语
旋进漩涡式流量计在田湾核电站属首次应用，经过现场的验证旋进漩涡式流量计可以实现复杂低静压气体系统的长时间连续流量测量，对于石油、化工、电力、冶金、城市供气等行业各种气体流量测量中特别是测量介质比较复杂的系统可参考使用。
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