CN102252723A - 直接测量高温气冷堆一回路氦气总质量流量的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直接测量高温气冷堆一回路氦气总质量流量的系统，属于气体质量流量测量技术领域，包括弯管流量计组，以及数据采集和处理装置。单个弯管流量计包括：弯管流量传感器、差压变送器、压力变送器和温度变送器；所述差压变送器用于测量弯管流量传感器内、外侧的氦气差压；所述压力变送器用于测量氦气压力；所述温度变送器用于测量氦气温度；所述数据采集和处理装置分别与每个弯管流量计的差压变送器、压力变送器、温度变送器的输出端连接，用于根据差压信号、压力信号及温度信号计算氦气质量流量，并乘以修正系数计算高温气冷堆一回路氦气总质量流量。本发明构简单、可靠性好、复现精度高，没有附加压力损失。

Description

直接测量高温气冷堆一回路氦气总质量流量的系统和方法

技术领域

本发明涉及气体质量流量测量技术领域，尤其涉及一种直接测量高温气冷堆一回路氦气总质量流量的系统和方法。

背景技术

在10MW高温气冷实验堆(HTR-10)中，采用陶瓷型包覆颗粒燃料元件，以石墨为慢化剂，氦气为冷却剂。一回路氦气载带的热量通过蒸汽发生器将二回路的水加热成蒸汽，送蒸汽轮机发电^[1]。为保证反应堆安全运行，一回路氦气质量流量是执行反应堆保护功能以及计算反应堆热功率必不可少的热工参数之一。由于高温气冷实验堆内部结构的限制，没有合适的管路安装孔板和文丘利管等常用的流量计，因而采用一种间接的软测量方法，根据氦风机的输入功率、转速、压力升和总效率等参数来确定一回路氦气质量流量^[2]。但是这种间接测量的方法不适用于示范和商用高温气冷堆核电站，根据其仪表系统设计准则和和安全级系统单一故障准则的要求，必需设置直接测量一回路氦气质量流量的核安全级氦气流量计，并且要冗余设置独立的4台。上面提及的文献[1]为Zhong Shuoping，Hu Shouyin，Zha Meisheng，et al.Thermal Hydraulic Instrumentation System of HTR-10，NuclearEngineering and Design，Vol.218，No.1-3，199-208，2002；[2]为查美生，仲朔平等，HTR-10一回路氦气流量的软测量方法，自动化仪表，2004，Vol.25，No.10，29-30。

压水堆核电站工程中广泛使用孔板和文丘利管节流装置作为给水和蒸汽流量测量仪表，也有使用弯管流量计的。这类差压式流量计的传感器具有非能动特性，冗余设置中允许共用流量传感器，但需要引出4对引压管，分别与4台核安全级差压变送器构成4个测量通道。另外，这类流量传感器属于机械部件设备，不含有电子元器件，易于满足核安全级仪表的要求。

弯管流量传感器更具有结构简单、可靠性好、复现精度高，没有附加压力损失等优点；热弯型或机加工焊接型弯管传感器的精确度不够高，但精密加工整体型弯管传感器的精确度和稳定性非常高，已具有可换性。

图1为现有高温气冷示范堆一回路氦气循环通道示意图。如图1所示，来自高温气冷示范堆堆芯的高温氦气由热气导管内管1进入蒸汽发生器，通过换热管2冷却为较低温度的冷氦气，沿压力容器3内壁向上，通过冷氦气上升管4和弯管流量传感器5进入氦风机入口联箱6，经氦风机7增压后由热气导管外管8返回堆芯。可见在高温气冷示范堆的一回路氦气循环通道中没有适于安装直接测量氦气总流量的流量计的位置；14根冷氦气上升管4虽具有安装孔板和文丘利管节流装置的条件，但是必须全都安装同样的流量计，方能保持其流动阻力的平衡；此时从冷氦气上升管4的分流量之和可以得到一回路氦气的总质量流量，但只能算是一个测量通道得到的测量结果，不能满足冗余要求；此外，孔板和文丘利管节流装置的压力损失较大，将会增加氦风机的功率要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种结构简单、可靠性好、复现精度高，没有附加压力损失的测量高温气冷堆一回路氦气总质量流量的方案。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种直接测量高温气冷堆一回路氦气总质量流量的系统，其特征在于，所述系统包括由多个弯管流量计组成的弯管流量计组，以及数据采集和处理装置。

单个所述弯管流量计包括：弯管流量传感器、差压变送器、压力变送器和温度变送器；所述差压变送器用于测量弯管流量传感器内、外侧的氦气差压，输出差压信号；所述压力变送器用于测量氦气压力，输出压力信号；所述温度变送器用于测量氦气温度，输出温度信号。

所述数据采集和处理装置分别与差压变送器、压力变送器、温度变送器的输出端连接，用于根据所述差压信号、压力信号及温度信号计算氦气质量流量，并将所述氦气质量流量乘以修正系数计算所述高温气冷堆一回路氦气总质量流量。

所述差压变送器用于通过位于弯管流量传感器内、外侧的引压管接收弯管流量传感器内、外侧的氦气差压信号。

所述弯管流量计组由四个弯管流量计组成。

所述系统还包括分别向弯管流量计组以及数据采集和处理装置供电的稳压直流电源。

所述稳压直流电源的正极分别连接差压变送器、压力变送器、温度变送器的正极；负极连接数据采集和处理装置，并分别通过标准电阻连接差压变送器、压力变送器、温度变送器的负极。

所述差压变送器、压力变送器和温度变送器均是核安全级的装置。

所述温度变送器为热电偶式温度变送器。

本发明还提供了一种利用上述系统直接测量高温气冷堆一回路氦气总质量流量的方法，包括以下步骤：

S1，用所述差压变送器测量弯管流量传感器内、外侧的氦气差压得到差压信号；

S2，用所述压力变送器测量氦气的压力信号；

S3，用所述温度变送器测量氦气的温度信号；

S4，用所述数据采集和处理装置根据所述差压信号、压力信号和温度信号计算氦气质量流量，再将该氦气质量流量乘以修正系数计算出所述高温气冷堆一回路氦气总质量流量。

S5，将一回路氦气总质量流量转换成4～20mA电流信号输出。

所述步骤S4中的氦气上升管氦气质量流量为：

$B\left(T\right)9.489433\×{10}^{-4}+\frac{9.528079\×{10}^{-4}}{1-3.420680\×{10}^{-2}\×(T+273.15)}+\frac{2.739470\×{10}^{-2}}{1+9.409120\×{10}^{-4}\×(T+273.15)}$

式中，

Q_设计：设计质量流量(kg/s)，是额定设计工况下的最大流量，对应差压变送器20mA输出电流信号；Q_测量：运行工况下测量的质量流量(kg/s)；I_测量：差压变送器测量输出的电流信号(mA)；ρ_设计：额定设计工况下的介质密度(kg/m³)；ρ_测量：运行工况下测量的介质密度(kg/m³)；P：一回路氦气压力(Pa)；T：氦气温度(℃)；R为预设参数，可设为2077.1(J/kg·℃)。

优选地，测量时，四个弯管流量传感器分别安装于高温气冷堆的蒸汽发生器的四个冷氦气上升管上进行测量。

(三)有益效果

用本发明所提出的方法和系统直接测量高温气冷堆一回路氦气质量流量，不用改动原有一回路氦气管路设计，也不用附加任何测量元件，即可满足高温气冷堆安全级氦气流量冗余直接测量的要求。该系统具有结构简单、可靠性好、复现精度高，没有附加压力损失等优点。

附图说明

图1是现有设计高温气冷示范堆一回路氦气循环通道示意图；

图2是现有设计高温气冷示范堆冷氦气上升管的布置图；

图3是本发明的具有单个弯管流量计的构成以及数据采集处理装置的系统结构示意图；

图4是本发明的方法流程图。

其中，1：热气导管内管；2：换热管；3：压力容器；4：冷氦气上升管；5：弯管流量传感器；6：氦风机入口联箱；7：氦风机；8：热气导管外管；9：差压变送器；10：压力变送器；11、温度变送器；12：稳压直流电源；13：标准电阻；14：引压管；15：热电偶；16：数据采集处理装置；101～107、201～207冷氦气上升管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明实施例提供一种直接测量高温气冷堆一回路氦气总质量流量的系统，其包括：

如图2、3所示，在高温气冷堆的蒸汽发生器的冷氦气上升管102、106、202、206的位置各安装1台精密加工整体型的弯管流量传感器5；电容式的差压变送器9(1152DP)通过弯管流量传感器5内、外侧的引压管14接收弯管传感器5内、外侧的差压信号；电容式的压力变送器10(1152GP)通过另一引压管14接收压力信号，用于测量一回路氦气压力；热电偶式温度变送器11(SBWR-2260NA)通过热电偶15接收温度信号，用于测量冷氦气温度；数据采集和处理装置16(可以由各种数据采集芯片和数据处理芯片组合实现，也可以为具有数据采集和处理功能的芯片，例如可以为ATmega128)通过模/数转换输入端与差压变送器9、压力变送器10和热电偶式温度变送器11的输出端相连，根据差压信号、压力信号和温度信号计算4路冷氦气上升管中的氦气流量，再分别乘以修正系数计算一回路氦气总质量流量，并将一回路氦气总质量流量转换成4至20mA电流信号输出。

图3是具有单个弯管流量计的构成及数据采集和处理装置的系统结构示意图。在冷氦气上升管4上安装弯管流量传感器5，经过引压管14将流量传感器内、外侧的差压信号输入差压变送器9；压力信号通过引压管14输入压力变送器10；来自热电偶15的温度信号输入温度变送器11；由差压变送器9、压力变送器10、温度变送器11输出的4～20mA直流信号分别经250Ω标准电阻13变换为1～5V电压信号，输入数据采集和处理装置16；稳压直流电源12为差压变送器9、压力变送器10、温度变送器11和数据采集和处理装置16提供5V和24V直流稳压电源。其余弯管流量计的压力变送器、差压变送器及温度变送器也分别通过数据线与数据采集处理装置连接。

如图4所示，本发明的方法包括步骤：S1，用差压变送器测量弯管流量传感器内、外侧取压口的差压得到差压信号；S2，用压力变送器测量氦气压力信号；S3，用热电偶式温度变送器测量氦气温度信号；S4，由数据采集和处理装置根据所述差压、压力和温度信号计算4个冷氦气上升管的氦气质量流量，再分别乘以修正系数计算一回路氦气总质量流量。S5，将一回路氦气总质量流量转换成4至20mA电流信号输出。

优选地，所述步骤S4中的氦气上升管氦气质量流量为：

$B\left(T\right)9.489433\×{10}^{-4}+\frac{9.528079\×{10}^{-4}}{1-3.420680\×{10}^{-2}\×(T+273.15)}+\frac{2.739470\×{10}^{-2}}{1+9.409120\×{10}^{-4}\×(T+273.15)}$

式中，

Q_设计：设计质量流量(kg/s)，是额定设计工况下的最大流量，对应差压变送器20mA输出电流信号；

Q_测量：运行工况下测量的质量流量(kg/s)，；

I_测量：差压变送器测量输出的电流信号(mA)；

ρ_设计：额定设计工况下的介质密度(kg/m³)；

ρ_测量：运行工况下测量的介质密度(kg/m³)；

P：一回路氦气压力(Pa)；

T：氦气温度(℃)；

R＝2077.1(J/kg·℃)。

由以上实施例可以看出，用本发明所提出的方法和系统直接测量高温气冷堆一回路氦气质量流量，使用4个弯管传感器配以核安全级差压变送器、压力变送器和温度变送器，不用改动原有一回路氦气管路设计，也不用附加任何测量元件，即可实现高温气冷堆安全级氦气流量冗余直接测量的目的。该系统具有结构简单、可靠性好、复现精度高，没有附加压力损失等优点。

上述的精密加工整体型弯管流量传感器，经过实流标定，其精确度达到±0.5％，重复性为0.25％。弯管流量传感器所取差压信号较小的问题，也由于高性能差压变送器的使用得到了解决。

还利用本发明进行了冷氦气上升管流量均匀性实验，结果表明，不同流速下各冷氦气上升管内的流量具有稳定的线性关系；选择第102、106、202、206号冷氦气上升管位置安装流量计，可保证其测量值最接近流量平均值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种直接测量高温气冷堆一回路氦气总质量流量的系统，其特征在于，所述系统包括由多个弯管流量计组成的弯管流量计组，以及数据采集和处理装置；

单个所述弯管流量计包括：弯管流量传感器(5)、差压变送器(9)、压力变送器(10)和温度变送器(11)；所述差压变送器(9)用于测量弯管流量传感器(5)内、外侧的氦气差压，输出差压信号；所述压力变送器(10)用于测量氦气压力，输出压力信号；所述温度变送器(11)用于测量氦气温度，输出温度信号；

所述数据采集和处理装置(16)分别与每个弯管流量计的差压变送器(9)、压力变送器(10)、温度变送器(11)的输出端连接，用于根据所述差压信号、压力信号及温度信号计算氦气质量流量，并将所述氦气质量流量乘以修正系数计算出所述高温气冷堆一回路氦气总质量流量。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述差压变送器(9)用于通过位于弯管流量传感器(5)内、外侧的引压管(14)接收弯管流量传感器(5)内、外侧的氦气差压信号。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述弯管流量计组由四个弯管流量计组成。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括分别向弯管流量计组以及数据采集和处理装置(16)供电的稳压直流电源(12)。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述稳压直流电源(12)的正极分别连接差压变送器(9)、压力变送器(10)、温度变送器(11)的正极；负极连接数据采集和处理装置(16)，并分别通过标准电阻(13)连接差压变送器(9)、压力变送器(10)、温度变送器(11)的负极。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述差压变送器(9)、压力变送器(10)和温度变送器(11)均是核安全级的装置。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述温度变送器(11)为热电偶式温度变送器。

8.一种利用权利要求1～7中任一项所述的系统直接测量高温气冷堆一回路总氦气质量流量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，用所述差压变送器测量弯管流量传感器内、外侧的氦气差压，得到差压信号；

S2，用所述压力变送器测量氦气的压力信号；

S3，用所述温度变送器测量氦气的温度信号；

S4，用所述数据采集和处理装置根据所述差压信号、压力信号和温度信号计算氦气质量流量，再将该氦气质量流量乘以修正系数计算所述高温气冷堆一回路氦气总质量流量。

S5，将一回路氦气总质量流量转换成4～20mA电流信号输出。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中的氦气上升管氦气质量流量为：

$B\left(T\right)=9.489433\×{10}^{-4}+\frac{9.528079\×{10}^{-4}}{1-3.420680\×{10}^{-2}\×(T+273.15)}+\frac{2.739470\×{10}^{-2}}{1+9.409120\×{10}^{-4}\×(T+273.15)}$

式中，

Q_设计为设计质量流量，是额定设计工况下的最大流量，对应差压变送器20mA输出电流信号；Q_测量为运行工况下测量的质量流量；I_测量为差压变送器测量输出的电流信号；ρ_设计为额定设计工况下的介质密度；ρ_测量为运行工况下测量的介质密度；P为一回路氦气压力；T为氦气温度；R为预设参数。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，四个弯管流量传感器分别安装于高温气冷堆的蒸汽发生器的四个冷氦气上升管上进行测量。

Images