熱式質量流量計在核電廠的 應用

 流量是核電廠運行過程中重要的過程參數之一，常用的流量測量儀表有孔板流量計、超聲波流量計、電磁流量計以及熱式質量流量計等。熱式質量流量計目前多用于工業中氣體流量的測量，在核電廠中則普遍應用于通風系統流量測量場合。在采用軸封型主泵的核電廠中，主泵第三級密封泄漏流是典型的微小流量工況。孔板流量計和超聲波流量計通常并不適用或不能取得良好的測量效果。熱式質量流量計自問世以來，已在核電廠通風系統中獲得了成功的應用，而在液體微小流量測量方面，熱式質量流量計也具有一定的適用性。

1 熱式質量流量計的原理①

熱式質量流量計是利用熱傳導原理，即通過流動中的流體與熱源之間的熱量交換，來測量介質流量的儀表，主要可分為兩類：利用流體流動傳遞熱量改變測量管壁溫度分布（即熱傳導分布）效應的熱分布式流量計，也稱為量熱式質量流量計；利用熱消散效應（基于金氏定律）的侵入式質量流量計，也稱為導熱式質量流量計或插入式質量流量計。

熱分布式質量流量計的工作原理是在測量管外壁上、下游各繞兩組加熱/檢測線圈，兩組線圈通以恒定電流加熱，當流體靜止（無流量通過）時，兩組線圈中心上、下游溫度分布處于對稱平衡狀態，兩組檢測線圈的電阻相等；當有流體流動時，流體將上游管壁熱量帶走傳遞給下游管壁，破壞原平衡狀態，線圈電阻產生差異，檢測其差值從而求得流體質量流量：

     （1）

式中  A———熱傳導系數；

c_p———被測介質的定壓比熱容；

K———常數。

熱消散效應（基于金氏定律）侵入式質量流量計的工作原理是將兩個溫度傳感器（一般為鉑熱電阻）分別置于管道的流體中，由其中一個鉑電阻測得流體本身的溫度T，另一個鉑電阻經一定功率的電加熱，其溫度TV高于T，當流體靜止時其溫度zui高，伴隨著管道中流體流量的增加，流體流動帶走更多熱量使TV降低，即可通過溫度差求取流量值?；诮鹗隙傻臒峤z熱散失率為：

    （2）

式中cv———流體的定容比熱容；

d———熱絲直徑；

H/L———單位長度熱散失率；

V———流體的流速；

ρ———流體的密度；

λ———流體的熱導率。

侵入式質量流量計根據對鉑熱電阻的加熱方式，又分為恒功率式、恒溫差式和恒比率式。

恒功率式是在加熱電路上用一個恒定功率的電能對鉑電阻進行加熱，流體介質在靜態時，被加熱的鉑電阻和沒有被加熱的鉑電阻之間溫度差zui大，隨著流體介質的流動，被加熱鉑電阻上溫度降低，則兩個鉑電阻之間的溫差減小。恒功率式熱式質量流量計是通過測量溫差的變化來獲得流體介質流量的變化。

恒溫差式是加熱一支鉑電阻，使其比不加熱的鉑電阻高出一個恒定的溫度。隨著流體介質的流動，被加熱的鉑電阻由于散熱而導致溫度降低，通過反饋電路反饋到處理器增大加熱器的電流（也可以是電壓）來保持其溫差為恒定值，再通過檢測變化的電流（或電壓）來獲得流量的變化值。

恒比率式是在恒溫差原理的基礎上，通過調節施加在加熱端熱電阻上的加熱電流以保證被加熱的鉑電阻阻值與不加熱的鉑電阻阻值成一恒定比率。同恒溫差式質量流量計一樣，恒比率式質量流量計也是通過檢測變化的電流來獲得管道中流體的流量值。

2 核電廠中微小流量的測量與熱式質量流量計的應用

2.1 核電廠中的典型微小流量測量工況

在使用軸封型反應堆冷卻劑泵（主泵）的核電廠中，主泵的第三級密封泄漏流是一種典型的微小流量工況。軸封系統是軸封型主泵的關鍵部件，其長期可靠運行不僅關系到核電廠的正常運行，也直接影響到核電廠的安全。軸封的功能是保證核電廠正常運行期間從一回路系統沿主泵泵軸向安全殼空間環境的反應堆冷卻劑泄漏量基本為零，要求其長期處于高壓差工況，并維持可控泄漏率。軸封一旦失效會導致核電廠一回路的壓力邊界完整性喪失，其泄漏率如果超過了化容系統的補給能力，則會導致潛在的小破口失水事故的發生，影響電廠安全。典型的流體動壓型軸封系統通常由3道串聯機械密封和1道停車密封組成，通過降壓裝置將一回路系統壓力分配到串聯的各級密封上面，從而降低單級密封承受的壓力，增加主泵軸封長期運行的可靠性。通過三級降壓，主泵第三道密封之后壓力降低至大氣壓?？紤]到若主泵第三級密封泄漏流流量過大，說明密封可能已磨損或損壞，流量過小，則對密封面的散熱和潤滑不利，而影響軸封壽命。因而在核電廠正常運行工況下，主泵第三級密封泄漏流的流量約為5L/h左右，當流量達到50L/h時，則需要產生報警提醒操作員。

2.2 常用的主泵第三級密封泄漏流量測量方法

目前在多個核電廠（例如秦山核電）中，采用容積式流量測量的方法，即通過液位儀表測量主泵密封泄漏流量在容器中的變化速率來推算泄漏流量。測量示意圖如圖1所示。

圖1 容積式流量測量裝置示意圖

容積式流量測量裝置一般由容器（允許流入和流出）和液位開關組成。當正常運行時，容器內的液位隨液體流入和流出速率的變化而變化：

    （3）

式中a———容器下泄口的面積；

A———容器的截面積；

f（t）———泄漏流的瞬時流量；

h（t）———容器內液位。

當流量增大時，流入容器的流量大于經容器下泄口流出的流量，容器內的液位開始上升。當上升至容器內的設定點時，觸發液位開關動作，發生報警，表明第三級泄漏流的流量過大。若將液位測量儀表由液位開關改為液位變送器，并配合數據采集和處理系統，則可獲取泄漏流實時流量。