时差法超声波流量计在核电厂的应用及故障处理

时差法超声波流量计在核电厂的应用及故障处理

陆彦飞

福建福清核电有限公司 福建省 福清 350318

摘要：超声波流量计是一种无阻碍流量计，在测量过程中，不会在流体流动通道内设置任何阻碍件，管外安装不阻碍流体的流动，测量过程与生产过程同时进行。尤其在大管道、大流量、介质腐蚀性环境下，超声波流量计的优势更加明显，应用更加广泛。本文首先阐述了超声波流量计的测量原理，然后介绍了超声波流量计在核电厂的应用案例，最后，本文列举了超声波流量计在核电厂应用过程中出现的问题及处理方法。

关键字：超声波流量计；应用；故障处理

1.超声波流量计概述

1.1概述

超声波流量计是一种无阻碍流量计，在测量过程中，不会在流体流动通道内设置任何阻碍件，管外安装不阻碍流体的流动，测量过程与生产过程同时进行。相比其他类型流量计，超声波流量计有三大特点：非接触式、精度高、对介质的腐蚀性和化学性无要求等。正因为超声波流量计具有上述有点，所以使其被广泛应用在各工业领域。

1.2超声波流量计原理

超声波流量计常用的测量方法未传播速度差法、多普勒法等。传播速度差法又包括直接时差法、相差法和频差法。其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出流量；多普勒法的基本原理则是应用超声波中的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的流速从而得出流量。本文重点阐述时差法测量原理。

时差法超声波流量计是利用超声波信号在流体中顺逆流传播时间之差来测量流体的流速，进而换算为流量，原理图见图1。

图1 超声波流量计测量原理

一对超声波换能器交替作为接收和发射超声波端，并以一定的夹角安装在管道两侧，交替作为接收和发射超声波端。当流体以速度v 流动时，超声波的实际传播速度是声速c 和流体在声道方向上的速度分量vcosθ 的叠加，即c±vcosθ。超声波信号在流体中顺逆流的传播时间分别为：

（1）

（2）

其中，D 为被测管道直径，C 为超声波在流体中的声速，V 为介质流速，θ 为声路与流体之间夹角，T0 为超声波在换能器、电路中传播的总延迟时间，可在静水中测得，故超声波顺逆流传播时间差ΔT：

（3）

在一般应用中， ，故式(3) 可简化为

（4）

相应流速流量公式：

（5）

在理想情况下，超声波在静水中传播速度可认为常数。由上式可见，被测流速与时间差正比，可求得流速，进而求得流量。则圆管流体的瞬时流量Q 为：

（6）

2.超声波流量计的分类

2.1根据超声波声道结构类型分类

根据超声波声道结构类型可分为单声道和多声道超声波流量计。单声道超声波流量计是在被测管道上安装一对换能器构成一个超声波通道，应用比较多的换能器是外夹式和插入式。单声道超声波流量计结构简单、使用方便，但这种流量计对流态分布变化适应性差，测量精度不易控制，一般用于中小口径管道和对测量精度要求不高的场合。多声道超声波是在被测管道上安装多对超声波换能器构成多个超声波通道，综合各声道测量结果求出流量。与单声道超声波流量计相比，多声道流量计对流态分布变化适应力更强，测量精度更高，可用于大口径管道和流态分布复杂的渠道。

2.2根据超声波流量计适用的流道不同分类

根据超声波流量计适用的流道不同可分为管道流量计、渠道流量计和河流流量计。管道流量计一般是指用于有压管道的流量计，其中也包括有压的各种形状断面的涵洞，这种流量计一般是通过一个或多个声道测量流体中的流速，然后求得流量。用于管渠的超声波流量计除了要具有测流速的换能器以外，还需要有测水位的换能器，根据测得的流速和水位求得流量。用于管渠的流量计一般含有多个测速换能器和一个水位换能器。多数河流超声波流量计仅测流速和水位，而河流的过水量则根据用户根据河床断面进行计算。

3.超声波流量计在核电厂的应用

在压水堆核电机组，为了把核岛设备冷却水系统收集的热负荷输送到最终热阱大海，设置了重要厂用水系统。重要厂用水系统具有核安全功能，属于设备冷却系统的一部分，用于在正常运行和事故工况下把从安全有关的构筑物、系统和部件来的热量输送到最终热阱。

该系统每个系列由两台100％容量的SEC 泵从循环水过滤系统CFI 吸入海水，然后经过SEC 管道、贝类捕集器和两台并联的RRI/SEC 热交换器，从热交换器中带走热量；排水则是通过NX 厂房NEF 区的SEC 溢流井排入GS 沟，然后由GS 沟汇流至CRF 系统的CC 虹吸井，最终排入大海。本系统为直流式的海水回路。

图2 超声波流量计系统图

福清核电厂重要厂用水系统采用法国某厂家生产的MINISONIC系列超声波流量计，流量计总体测量系统图如上图所示。换能器采用单声道形式布置，并在就地设置变送器对信号进行处理后送出4-20mA模拟量信号至DCS控制系统。

在换能器安装位置方面，需要考虑以下几个因素。首先，只有在管道满管时，才能正确测量流量，所以换能器安装时应尽量避免安装在管道的最上部，防止空气积聚，避免安装在垂直放空管出口的上游。其次，为了保证换能器所在管线流体均匀稳定，提高测量准确性，换能器应尽量避开阀门、三通、弯头等管件，并且，换能器上游直管段至少为管道直径的15倍，这样才能保证测量稳定准确。

图3 超声波流量计换能器安装示意图

在流量计调试方面，需要考虑以下两个因素。首先，管道液体静止且周围无强磁场干扰及振动的情况下，变送器应该输出零点信号，否则应该执行零点设置，消除零点漂移。其次，在变送器上电后，需要严格按照设计进行参数设置，主要包括管径、管道材质、壁厚、量程范围、探头类型等。

4.超声波流量计的故障处理

在超声波流量计维护方面，目前有遇到以下两个问题。

第一，流量测量值偏小。在调试期间，系统投入运行后，无论如何调节泵出口流量调节阀，流量总是偏小预期，无法满足设计要求。经分析，原因为探头安装支管长度偏长导致两个探头之间的距离变长，从而导致测量值偏低。解决办法是对测量支管进行切割整改，确保其长度与设计一致。处理后流量测量值正常。

第二，流量值波动不稳定。在管道上游泵启动后月3分钟内，流量值大幅波动。经分析，原因是泵启动后初期，管道内可能存在大量气泡，导致超声波在传播过程中不稳定，从而导致流量测量不稳定。处理方法是开大上游调节阀开度，调大流量，稳定运行数分钟后，待管道内流量满管且稳定后，超声波流量计测量稳定。

结束语

本文首先阐述了超声波流量计的测量原理，然后介绍了超声波流量计在核电厂的应用案例，最后，本文列举了超声波流量计在核电厂应用过程中出现的问题及处理方法，为同行提供了维护的重要经验反馈。

参考文献

［1］潘汪杰 文群英 热工仪表测量及仪表，北京，中国电力出版社，2005。

［2］苏彦勋 杨有涛 流量检测技术，北京，中国质检出版社，2012。

2