核電廠磁性翻板液位計測量值偏大的影響因素分析

 

１背景磁性翻板液位計因其便于在線隔離，在線檢修，在線更換的優點，廣泛應用于火電、核電等能源領域。

國內部分采用內置水位計的核電廠也開始逐步改造為磁性翻板液位計。國內某核電廠汽水分離再熱器系統疏水箱改造后采用一個內置水位計，兩個磁性翻板液位計，通過水位平均值參與自動控制。該機組在５０％負荷前，３個水位計測量偏差較小，滿足使用要求。負荷大于５０％后，外置水位測量值逐漸偏大；１００％負荷時，內置水位測量值與整定值接近，外置水位測量值接近滿量程（見圖１）。相對于平均值，３個測量值均偏差大，zui終導致水位測量失效。為解決上述問題，本文基于簡化模型，使用流體力學理論對造成偏差的各項因素進行了分析、對比，提出了一般處理原則，并得到實際應用。

２原因分析

２．１參考火電汽包水位偏差進行分析

參考火電廠汽包水位分析模型（見圖２），該核電廠疏水箱運行過程中，疏水箱內的水和蒸汽近似為飽和狀態，因為散熱，水位計中水的平均溫度必然低于疏水箱運行壓力下的飽和溫度，其上部由于來自連通管的飽和蒸汽不斷凝結，水溫接近飽和溫度，水溫沿高度逐步降低，凝結水由水側連通管流入疏水箱［１，２］。

 

 

結論：磁性翻板液位計測量值應低于疏水箱內實際水位。此結論與實際現象恰恰相反。因此使用以上簡化模型進行分析不能確定偏差的原因。

 

２．２建立疏水箱水位分析簡化模型

與實際工況對比，以上簡化模型未將連通管內流體的流動損失納入計算，得到了與實際情況相反的結果，因此應將連通管流動損失納入實際簡化模型（見圖３）。并做如下假設：

（１）取機組某一負荷穩態工況，疏水箱內水位保持恒定為Ｈ，測量筒內水位保持恒定為ｈ。

（２）疏水箱內水和蒸汽為飽和狀態，壓力為Ｐ１，測量筒內水和蒸汽為飽和狀態，壓力為Ｐ３；Ｐ１＞Ｐ３。

（３）汽側連通管內蒸汽流速為ｕＷ，兩端為截面Ａ和截面Ｃ，高度相等；水側連通管內水流速度為ｕＷ兩端為截面Ｂ和截面Ｄ，高度相等。

（４）汽側與水側連通管長度相等，為Ｌ＝１．５ｍ。根據實際情況，汽側與水側隔離閥均為截止閥，彎頭均為９０°標準彎頭；汽側與水側連通管是同種類型，汽側和水側連通管直徑均為ｄ＝２５ｍｍ，截面積為Ａ。

２．３測量筒水位ｈ與疏水箱水位Ｈ的關系

對于水在水側連通管內的流動，水只受到重力作用，所管內水的流動可視為定常運動。截面Ｂ和截面Ｄ截面積相等，水為粘性不可壓縮流體。根據實際流體的伯努利方程可得：

其中ｈｗ為水在水側連通管內流動的各項水頭損失之和［３］。

對于蒸汽在汽側連通管內的流動，由于管壁外側有保溫層，且管道長度較短，近似視為絕熱流動，截面Ａ與截面Ｃ水蒸氣的焓值不變。由于截面Ａ和截面Ｃ，截面積相等，水蒸氣的流動可近似視為不可壓縮氣體的絕熱流動，因此，實際流體的伯努利方程仍然成立，對于截面Ａ和截面Ｃ可得到：

由（４）式可以看出，造成連通管水位測量值偏高的因素為水側管道的流阻和汽側管道的流阻。

 

３測量偏差的主要因素

３．１將ｈＷ和ｈＳ展開

對于水側管道內流體的流動損失，ｈｗ包含水在水側連通管流動的管道沿程損失ｈＷ４、彎頭局部損失ｈＷ５、閥門局部損失ｈＷ６。根據達西公式有：

其中λＷ、ξＷ５、ξＷ６分別為水在管道內流動的沿程阻力系數、彎頭阻力系數、閥門阻力系數［４］。

對于汽側管道流動損失，ｈＳ包含蒸汽在汽側連通管流動的管道沿程損失ｈＳ１、彎頭局部損失ｈＳ２、閥門局部損失ｈＳ３。根據達西公式有：

其中λＳ、ξＳ２、ξＳ３、分別為蒸汽在管道內流動的沿程阻力系數、彎頭阻力系數、閥門阻力系數。

《火力發電廠汽水管道設計規范》給出了前蘇聯、德國、美國三個國家對于管道元件能量損失計算的推薦標準，為了量化ｈｗ與ｈＳ的關系，在此選取美國推薦標準確定ξＷｉ與ξＳｉ的數值。該標準規定各種管道附件的阻力系數采用ξ＝Ｌｄλ表示，Ｌｄ為管件的當量長度，λ是與管件連接管線的沿程摩擦阻力系數［５，６］）。

其中ＲｅＷ、ＲｅＳ分別為水側流體流動的雷諾數和汽側流體流動的雷諾數，νＷ、νＳ分別為水側流體的運動粘度和汽側流體的運動粘度。

由（７）～（１１）可得到：

其中νＳ、ν２分別為飽和蒸汽與飽和水的運動粘度。

由于該疏水箱運行溫度不大于２８０℃，根據

１００℃～２８０℃飽和蒸汽與飽和水運動粘度的比值曲線（圖４）：

 

 

由以上假設可得到如下結論：當連通管內流體均處于層流區時，汽側的流動損失小于水側流動損失的２０．１％，即水側流動損失是水位測量偏差的主要因素。

３．３假設水側和汽側均處在紊流光滑區

假設水側和汽側連通管內的流動都處于紊流

光滑區，根據布拉修斯經驗公式，有：

由以上假設可得到如下結論：當連通管內流體均處于紊流光滑區時，水側的流動損失小于汽側流動損失的１５．８％，即汽側流動損失是水位測量偏差的主要因素。

３．４假設水側和汽側均處在紊流粗糙區

假設水側和汽側連通管內的流動都處于紊流粗糙區，根據希弗林松經驗公式，λ與雷諾數無關，僅與管道的當量粗糙度ｋｓ和直徑有關，

由以上假設可得到如下結論：當連通管內流體均處于紊流粗糙區時，汽側的流動損失大于水側流動損失的２２．６１倍，即汽側流動損失占據主導地位，占比超過９５．８％。

３．５對各項損失系數進行分析

將ｄ＝２５ｍｍ，Ｌ＝１．５ｍ帶入由（７）、（８），得到表１。

３．６對于影響測量偏差的因素

根據層流區，紊流光滑區，紊流粗糙區的對比，損失系數的對比以及流體力學一般原理，得到以下結論：

（１）連通管內流體的流動損失與流速的平方成正比。

（２）在層流區，水側管道內的流動損失是測量偏差的主要因素；

（３）隨著水側和汽側流速增加，汽側流動損失所占比重逐漸增大，并zui終占據主導地位；

（４）不論在水側還是汽側，閥門損失均為流動損失的主要因素。

４優化措施與驗證

４．１減小連通管內流體的流速

由熱力學原理可知ｕＳ的大小取決于Ｐ１與Ｐ３的差值，而Ｐ１與Ｐ３產生差值的原因為連通管側的散熱。因此減小連通管內流速的關鍵在于減小連通管及測量筒的散熱，應適當增加連通管和測量筒的保溫厚度，并將閥門、支架處進行嚴密保溫。

４．２減小連通管內流體的損失系數

在層流區，水側閥門為管路阻力的主要因素。因此在保溫良好的情況下，至少應將水側截止閥更換為阻力系數更小的閥門，如球閥（３λ）、旋塞閥（１８λ）、閘閥（８λ）等。

如果具備條件，應盡可能將汽側連通管閥門更換為阻力系數更小的閥門；

另外，減少連通管彎頭的使用量，或使用彎管代替彎頭也能減小連通管的損失系數。

４．３實踐驗證

該機組在１００％負荷時，連通管水位計測量值已接近滿量程，偏差問題十分嚴重。經現場檢查，連通管和測量筒保溫較差，連通管存在Ｚ型布置，彎頭使用較多。因此為避免多次施工，采取了多種優化措施。具體措施如下：

（１）增加保溫厚度至１００ｍｍ，閥門和支架處制作鋁制外殼，改進保溫工藝，確保保溫良好；

（２）連通管水側和汽側截止閥均更換為球閥；

（３）連通管重新施工，去除彎頭，全部使用小于等于９０°彎管替代，并使連通管具備一定斜度。采取以上措施后，該機組從０到１００％負荷任一功率平臺，汽水分離再熱器疏水箱內置水位計與外置水位計測量偏差均在１０％以內，完全滿足機組運行要求，在此基礎上順利完成了各項瞬態試驗。

 

５結論與應用

根據分析結果及實踐驗證，針對核電廠磁性翻板液位計測量值偏大問題，得到以下處理原則：

（１）首先，必須確保連通管及測量筒保溫良好；

（２）其次，必須盡可能減小水側連通管流體的流動損失，例如使用球閥、閘閥作為隔離閥，使用彎管代替彎頭，盡可能減小管道長度等；

（３）zui后，在條件允許情況下，可將汽側連通管的閥門和管道按照水側進行優化。

以上原則對于熱態工況下連通管式水位測量值偏大問題具有普遍適用性。國內某ＥＰＲ核電機組汽水分離再熱器系統磁性翻板液位計也曾出現測量值偏大的情況。根據以上原則，在確認該水位計保溫良好，連通管安裝工藝良好的情況下，將水側截止閥改為閘閥后，測量值偏差大問題得到解決。