摘要：循環(huán)水系統(tǒng)是電廠必不可少的冷卻系統(tǒng)，是最終的熱量導(dǎo)出途徑。文章簡(jiǎn)述了循環(huán)水流量測(cè)量的必要性，對(duì)比了幾種不同測(cè)量原理的流量測(cè)量方法，對(duì)目前應(yīng)用較多的時(shí)間差法超聲波流量測(cè)量進(jìn)行了分析，對(duì)其在電廠中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并結(jié)合AP1000核電廠的實(shí)際情況，探討了該方法應(yīng)用于循環(huán)水流量測(cè)量的可行性及作用。

關(guān)鍵詞：AP1000；循環(huán)水流量；超聲波流量計(jì)；時(shí)間差法；核電廠

中圖分類號(hào)：TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）19-0019-03

循環(huán)水系統(tǒng)（CWS——Circulating Water System）是一個(gè)開放的冷卻水系統(tǒng)，它將冷凝器的熱量傳輸至海水。循環(huán)水系統(tǒng)為開放式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)提供冷卻水源以冷卻汽輪機(jī)廠房閉式冷卻水系統(tǒng)熱交換器。

三門核電循環(huán)水系統(tǒng)包含兩臺(tái)50%容量的循環(huán)水泵，循環(huán)水泵從循環(huán)水泵房?jī)?nèi)的前池取水，前池則通過混凝土涵洞連接到三門灣，在海水進(jìn)入取水井前的路徑上還安裝了閘板、固定式攔污柵及旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)。循環(huán)水泵是浸入式動(dòng)葉可調(diào)立式混流泵，主要包括鐘形吸入口、碗狀出口管、柱狀接管、出口彎管、軸、葉片及徑向軸承，適用于大容量工況。循環(huán)水泵采用立式泵殼，減少了安裝空間。碗狀出口管內(nèi)布置有七個(gè)葉片，可以減少水力振動(dòng)，泵葉片浸沒在吸入井中，能在較低的凈正吸入壓頭下確保正常運(yùn)行。電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件在滑動(dòng)輪轂內(nèi)與六葉空心轉(zhuǎn)軸相連，空心轉(zhuǎn)軸分為上下兩部分。

1 流量測(cè)量的必要性

循環(huán)水泵能通過一個(gè)機(jī)械裝置調(diào)節(jié)葉片角度以獲得最佳效率，這一調(diào)節(jié)也可以在泵運(yùn)行過程中進(jìn)行?？梢愿鶕?jù)海水溫度及機(jī)組負(fù)荷任意改變循環(huán)水流速及壓頭，改變?nèi)~片的角度，葉片角度是通過就地或遠(yuǎn)方手動(dòng)控制調(diào)節(jié)，最終通過循環(huán)水泵自身的油壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。由于夏天與冬天海水溫度差別較大，對(duì)凝汽器的冷卻效果不一樣，通過調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的葉片角度，調(diào)節(jié)對(duì)凝汽器的冷卻水量。由于通過溫度的計(jì)算來調(diào)節(jié)葉片角度是一個(gè)比較緩慢的過程，而通過測(cè)量循環(huán)水的流量值，來確定循環(huán)水泵葉片調(diào)節(jié)的角度是有效的方法。

電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的正常運(yùn)行，是保證電廠安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的前提條件。由于循環(huán)水系統(tǒng)管道直徑大，水流速度較低（約3m/s），采用傳統(tǒng)的類似于孔板流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量存在許多問題，而且測(cè)量準(zhǔn)確性較低，增加了循環(huán)水泵的電能損失。如今，許多電廠已經(jīng)開始使用各種方法對(duì)凝汽器循環(huán)冷卻水的流量進(jìn)行測(cè)量，以獲得更準(zhǔn)確的流量值，進(jìn)而更精確地調(diào)節(jié)循環(huán)水泵葉片的角度，達(dá)到更高的經(jīng)濟(jì)效益。

2 流量測(cè)量的方法

流量測(cè)量的方法有許多種，下文簡(jiǎn)單對(duì)比幾種流量測(cè)量方法：

（1）旋槳式流量計(jì)：水流推動(dòng)流量計(jì)的葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電脈沖，通過速度來計(jì)算出流量值，該方法在日本有使用經(jīng)驗(yàn)。流量計(jì)安裝在管道內(nèi)部，由于循環(huán)水管道直徑過大，導(dǎo)致安裝難度較高，且流量計(jì)的標(biāo)定和維護(hù)費(fèi)用較高。

（2）差壓式流量計(jì)：由測(cè)量元件裝置和差壓轉(zhuǎn)換器和流量顯示裝置組成，測(cè)量方法簡(jiǎn)單，且精確度較高；流量計(jì)的測(cè)量元件為節(jié)流元件，由于循環(huán)水中含有雜物等，且測(cè)量元件對(duì)循環(huán)水產(chǎn)生了節(jié)流作用，在管道內(nèi)不適合安裝類似的流量測(cè)量元件。

（3）電磁流量計(jì)：由電磁系統(tǒng)、測(cè)量導(dǎo)管、電極、外殼、襯里和轉(zhuǎn)換器等部分組成；流量計(jì)測(cè)量精度高，測(cè)量也不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化的影響，可以測(cè)量腐蝕性流體，對(duì)被測(cè)流體不產(chǎn)生任何影響。但流量計(jì)的測(cè)量電極存在極化現(xiàn)象，影響流量計(jì)的正常工作，當(dāng)管道直徑較大時(shí)，永磁鐵不適合使用，需使用交變磁場(chǎng)。同時(shí)，流量計(jì)要求流體必須在滿管下運(yùn)行，否則測(cè)量不準(zhǔn)確，所以不適合循環(huán)水流量的測(cè)量。

（4）超聲波流量計(jì)：由前置測(cè)量單元、超聲波換能器及流量計(jì)主機(jī)組成；流量計(jì)具有不擾亂流場(chǎng)、無可動(dòng)部件、無壓力損失、測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定可靠、測(cè)量范圍寬等特點(diǎn)，同時(shí)，可以測(cè)量較大直徑的流體管道。

3 時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量原理

傳播時(shí)差法測(cè)量流體流量的原理如圖1所示，超聲波換能器A、B成對(duì)地安裝在管道的兩側(cè)，為了流量計(jì)的測(cè)量具有更高的可靠性和準(zhǔn)確度，可以增加一對(duì)超聲波換能器C、D，換能器交替地發(fā)射和接受超聲波信號(hào)。換能器A順?biāo)鞣较虬l(fā)射超聲波，超聲波信號(hào)順流傳播到B所需要的時(shí)間為t1；從換能器B逆水流方向發(fā)射超聲波，超聲波信號(hào)傳播到A所需要的時(shí)間為t2。L為兩個(gè)換能器A、B間超聲波傳播的距離，c為超聲波在靜止循環(huán)水中的傳播速度，v為循環(huán)水沿管道軸向的速度，θ為超聲波傳播方向與管軸向之間的夾角，S為循環(huán)水管道的截面積，則有如下公式（1）：

（1）

計(jì)算得出：

（2）

最終得出循環(huán)水流量：

（3）

由公式（2）可知，在換能器安裝完成后，就是固定的常數(shù)，只需測(cè)量出t1、t2便可以計(jì)算得出流體的流速，管道的截面積也是固定的常數(shù)，從而求得流體的瞬時(shí)流量和累積流量。由公式（2）還可以看出超聲波順流和逆流方向傳送的時(shí)間t1、t2的測(cè)量精度直接影響著流速的測(cè)量精度，只需要減少影響傳送時(shí)間測(cè)量的因素，便可以獲得較高精度的測(cè)量結(jié)果。

圖1 超聲波流量計(jì)原理示意圖

4 應(yīng)用及注意事項(xiàng)

在核電廠循環(huán)水流量測(cè)量中，由于循環(huán)水管道管徑大，差壓式和電磁式流量計(jì)不適合測(cè)量大管徑的流體。超聲波流量計(jì)則可用于大管徑流體的流量測(cè)量，測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定可靠，對(duì)流體不產(chǎn)生任何影響。由于在不同季節(jié)海水的溫度不同，冷卻效果也不一致，通過計(jì)算在不同季節(jié)所需要的循環(huán)水量，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的循環(huán)水流量，便于進(jìn)行循環(huán)水泵葉片角度的調(diào)節(jié)。

熱傳遞的基本公式：

（4）

其中：為傳遞的熱量，為總導(dǎo)熱系數(shù)，A為傳熱面積，為熱流體與冷流體之間的溫度差。

根據(jù)公式（4）可得知，流體介質(zhì)等不變的情況下，總導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，傳熱面積A不變，在溫度差越大的情況下，并且冷卻流體數(shù)量不變，所傳遞的熱量就越多。當(dāng)需要傳遞相同熱量時(shí)，在溫度差增大的情況下，可以相應(yīng)地減少冷卻流體的數(shù)量。對(duì)應(yīng)到循環(huán)水系統(tǒng)中，在不同循環(huán)水溫度下，可以調(diào)節(jié)循環(huán)水流量，以達(dá)到帶走凝汽器中相同的能量，通過流體的流量值可以計(jì)算出相應(yīng)的循環(huán)水泵葉片角度。

根據(jù)三門核電現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，流量計(jì)主機(jī)安裝在汽輪機(jī)廠房，用于顯示和輸出測(cè)量結(jié)果；換能器安裝在管道外壁；前置測(cè)量單元安裝在現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量井，測(cè)量井與汽輪廠房相距200米左右，流量計(jì)主機(jī)與前置單元可通過通訊方式來交換數(shù)據(jù)。

超聲波流量計(jì)安裝注意事項(xiàng)如下：

（1）固定常數(shù)的測(cè)量：由于超聲波換能器安裝在管道外壁，需要精確測(cè)量管道的壁厚，并計(jì)算出超聲波在管道壁中的傳播時(shí)間t；精確測(cè)量超聲波傳播方向與管

道軸向的夾角θ以及兩個(gè)換能器間超聲波傳播的距離S。

（2）換能器的正確安裝：超聲波換能器的安裝位置需要滿足直管段前10D/后5D的要求，由于循環(huán)水泵房距離汽輪機(jī)房較遠(yuǎn)，中間距離可以滿足直管段要求，只需要選擇使用于安裝和檢修的位置即可；換能器探頭安裝處管壁表應(yīng)光滑，保證探頭與管壁間沒有縫隙，以減少縫隙帶來的誤差；換能器應(yīng)安裝牢固，并與管道外壁緊密安裝，防止換能器的移動(dòng)，產(chǎn)生超聲波的衰減。

（3）換能器探頭安裝處管道內(nèi)壁清潔：由于流體為海水，在長(zhǎng)期運(yùn)行后，管道的內(nèi)壁會(huì)有一定的結(jié)垢產(chǎn)生，結(jié)垢會(huì)影響超聲波測(cè)量的準(zhǔn)確性，在電廠停機(jī)后，需要對(duì)管道內(nèi)壁進(jìn)行清潔工作，以減少結(jié)垢帶來的測(cè)量影響。

（4）安裝定位：在換能器固定后，需要使用瞄準(zhǔn)工具將每對(duì)換能器超聲波發(fā)射方向進(jìn)行精確定位，以減少超聲波傳播方向的偏差而引起的誤差。

（5）安裝后試驗(yàn)：在換能器安裝和循環(huán)水進(jìn)水前，需要進(jìn)行無水試驗(yàn)，檢測(cè)換能器的性能及電纜的完整性。具體方法：輕輕敲擊換能器發(fā)射面，在相應(yīng)電纜的另一側(cè)用萬用表交流mV檔，測(cè)量電壓是否有波動(dòng)產(chǎn)生，在安裝正確時(shí)應(yīng)有電壓輸出。

5 結(jié)語

三門核電廠循環(huán)水系統(tǒng)具有管徑大、流速低等特點(diǎn)，常規(guī)測(cè)量?jī)x表難以準(zhǔn)確測(cè)量其流量，進(jìn)而無法快速調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的葉片角度，造成循環(huán)水泵電能的浪費(fèi)。通過簡(jiǎn)單對(duì)比不同流量測(cè)量方法，并分析時(shí)差法超聲波流量計(jì)的基本原理，說明了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用超聲波流量計(jì)可行性和必要性，但相同冷卻效果所需的循環(huán)水流量及葉片角度的具體關(guān)系還需進(jìn)一步的研究計(jì)算。在應(yīng)用超聲波流量計(jì)時(shí)，安裝過程中需掌握流量計(jì)的安裝注意事項(xiàng)，以減少外在因素對(duì)流量測(cè)量產(chǎn)生的誤差，提高流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度，以便更加準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)循環(huán)水泵。

參考文獻(xiàn)

[1] 顧軍.AP1000核電廠系統(tǒng)與設(shè)備[M].北京：原子能出版社，2010.

[2] 孫軼卿，朱小花.超聲波流量計(jì)及其在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用[J].上海計(jì)量測(cè)試，2009，（1）.

[3] 孫振華.超聲波流量計(jì)在大型泵站流量測(cè)試中的應(yīng)用[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2010，（3）.

[4] 湯正軍，黃季艷，仇寶云，等.大型泵站流量測(cè)定方法研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2006，（12）.

作者簡(jiǎn)介：傅長(zhǎng)根（1987-），男，江西新余人，三門核電有限公司助理工程師，研究方向：AP1000電廠控制系統(tǒng)。

根據(jù)公式（4）可得知，流體介質(zhì)等不變的情況下，總導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，傳熱面積A不變，在溫度差越大的情況下，并且冷卻流體數(shù)量不變，所傳遞的熱量就越多。當(dāng)需要傳遞相同熱量時(shí)，在溫度差增大的情況下，可以相應(yīng)地減少冷卻流體的數(shù)量。對(duì)應(yīng)到循環(huán)水系統(tǒng)中，在不同循環(huán)水溫度下，可以調(diào)節(jié)循環(huán)水流量，以達(dá)到帶走凝汽器中相同的能量，通過流體的流量值可以計(jì)算出相應(yīng)的循環(huán)水泵葉片角度。

根據(jù)三門核電現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，流量計(jì)主機(jī)安裝在汽輪機(jī)廠房，用于顯示和輸出測(cè)量結(jié)果；換能器安裝在管道外壁；前置測(cè)量單元安裝在現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量井，測(cè)量井與汽輪廠房相距200米左右，流量計(jì)主機(jī)與前置單元可通過通訊方式來交換數(shù)據(jù)。

超聲波流量計(jì)安裝注意事項(xiàng)如下：

（1）固定常數(shù)的測(cè)量：由于超聲波換能器安裝在管道外壁，需要精確測(cè)量管道的壁厚，并計(jì)算出超聲波在管道壁中的傳播時(shí)間t；精確測(cè)量超聲波傳播方向與管

道軸向的夾角θ以及兩個(gè)換能器間超聲波傳播的距離S。

（2）換能器的正確安裝：超聲波換能器的安裝位置需要滿足直管段前10D/后5D的要求，由于循環(huán)水泵房距離汽輪機(jī)房較遠(yuǎn)，中間距離可以滿足直管段要求，只需要選擇使用于安裝和檢修的位置即可；換能器探頭安裝處管壁表應(yīng)光滑，保證探頭與管壁間沒有縫隙，以減少縫隙帶來的誤差；換能器應(yīng)安裝牢固，并與管道外壁緊密安裝，防止換能器的移動(dòng)，產(chǎn)生超聲波的衰減。

（3）換能器探頭安裝處管道內(nèi)壁清潔：由于流體為海水，在長(zhǎng)期運(yùn)行后，管道的內(nèi)壁會(huì)有一定的結(jié)垢產(chǎn)生，結(jié)垢會(huì)影響超聲波測(cè)量的準(zhǔn)確性，在電廠停機(jī)后，需要對(duì)管道內(nèi)壁進(jìn)行清潔工作，以減少結(jié)垢帶來的測(cè)量影響。

（4）安裝定位：在換能器固定后，需要使用瞄準(zhǔn)工具將每對(duì)換能器超聲波發(fā)射方向進(jìn)行精確定位，以減少超聲波傳播方向的偏差而引起的誤差。

（5）安裝后試驗(yàn)：在換能器安裝和循環(huán)水進(jìn)水前，需要進(jìn)行無水試驗(yàn)，檢測(cè)換能器的性能及電纜的完整性。具體方法：輕輕敲擊換能器發(fā)射面，在相應(yīng)電纜的另一側(cè)用萬用表交流mV檔，測(cè)量電壓是否有波動(dòng)產(chǎn)生，在安裝正確時(shí)應(yīng)有電壓輸出。

5 結(jié)語

三門核電廠循環(huán)水系統(tǒng)具有管徑大、流速低等特點(diǎn)，常規(guī)測(cè)量?jī)x表難以準(zhǔn)確測(cè)量其流量，進(jìn)而無法快速調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的葉片角度，造成循環(huán)水泵電能的浪費(fèi)。通過簡(jiǎn)單對(duì)比不同流量測(cè)量方法，并分析時(shí)差法超聲波流量計(jì)的基本原理，說明了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用超聲波流量計(jì)可行性和必要性，但相同冷卻效果所需的循環(huán)水流量及葉片角度的具體關(guān)系還需進(jìn)一步的研究計(jì)算。在應(yīng)用超聲波流量計(jì)時(shí)，安裝過程中需掌握流量計(jì)的安裝注意事項(xiàng)，以減少外在因素對(duì)流量測(cè)量產(chǎn)生的誤差，提高流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度，以便更加準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)循環(huán)水泵。

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作者簡(jiǎn)介：傅長(zhǎng)根（1987-），男，江西新余人，三門核電有限公司助理工程師，研究方向：AP1000電廠控制系統(tǒng)。

根據(jù)公式（4）可得知，流體介質(zhì)等不變的情況下，總導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，傳熱面積A不變，在溫度差越大的情況下，并且冷卻流體數(shù)量不變，所傳遞的熱量就越多。當(dāng)需要傳遞相同熱量時(shí)，在溫度差增大的情況下，可以相應(yīng)地減少冷卻流體的數(shù)量。對(duì)應(yīng)到循環(huán)水系統(tǒng)中，在不同循環(huán)水溫度下，可以調(diào)節(jié)循環(huán)水流量，以達(dá)到帶走凝汽器中相同的能量，通過流體的流量值可以計(jì)算出相應(yīng)的循環(huán)水泵葉片角度。

根據(jù)三門核電現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，流量計(jì)主機(jī)安裝在汽輪機(jī)廠房，用于顯示和輸出測(cè)量結(jié)果；換能器安裝在管道外壁；前置測(cè)量單元安裝在現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量井，測(cè)量井與汽輪廠房相距200米左右，流量計(jì)主機(jī)與前置單元可通過通訊方式來交換數(shù)據(jù)。

超聲波流量計(jì)安裝注意事項(xiàng)如下：

（1）固定常數(shù)的測(cè)量：由于超聲波換能器安裝在管道外壁，需要精確測(cè)量管道的壁厚，并計(jì)算出超聲波在管道壁中的傳播時(shí)間t；精確測(cè)量超聲波傳播方向與管

道軸向的夾角θ以及兩個(gè)換能器間超聲波傳播的距離S。

（2）換能器的正確安裝：超聲波換能器的安裝位置需要滿足直管段前10D/后5D的要求，由于循環(huán)水泵房距離汽輪機(jī)房較遠(yuǎn)，中間距離可以滿足直管段要求，只需要選擇使用于安裝和檢修的位置即可；換能器探頭安裝處管壁表應(yīng)光滑，保證探頭與管壁間沒有縫隙，以減少縫隙帶來的誤差；換能器應(yīng)安裝牢固，并與管道外壁緊密安裝，防止換能器的移動(dòng)，產(chǎn)生超聲波的衰減。

（3）換能器探頭安裝處管道內(nèi)壁清潔：由于流體為海水，在長(zhǎng)期運(yùn)行后，管道的內(nèi)壁會(huì)有一定的結(jié)垢產(chǎn)生，結(jié)垢會(huì)影響超聲波測(cè)量的準(zhǔn)確性，在電廠停機(jī)后，需要對(duì)管道內(nèi)壁進(jìn)行清潔工作，以減少結(jié)垢帶來的測(cè)量影響。

（4）安裝定位：在換能器固定后，需要使用瞄準(zhǔn)工具將每對(duì)換能器超聲波發(fā)射方向進(jìn)行精確定位，以減少超聲波傳播方向的偏差而引起的誤差。

（5）安裝后試驗(yàn)：在換能器安裝和循環(huán)水進(jìn)水前，需要進(jìn)行無水試驗(yàn)，檢測(cè)換能器的性能及電纜的完整性。具體方法：輕輕敲擊換能器發(fā)射面，在相應(yīng)電纜的另一側(cè)用萬用表交流mV檔，測(cè)量電壓是否有波動(dòng)產(chǎn)生，在安裝正確時(shí)應(yīng)有電壓輸出。

5 結(jié)語

三門核電廠循環(huán)水系統(tǒng)具有管徑大、流速低等特點(diǎn)，常規(guī)測(cè)量?jī)x表難以準(zhǔn)確測(cè)量其流量，進(jìn)而無法快速調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的葉片角度，造成循環(huán)水泵電能的浪費(fèi)。通過簡(jiǎn)單對(duì)比不同流量測(cè)量方法，并分析時(shí)差法超聲波流量計(jì)的基本原理，說明了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用超聲波流量計(jì)可行性和必要性，但相同冷卻效果所需的循環(huán)水流量及葉片角度的具體關(guān)系還需進(jìn)一步的研究計(jì)算。在應(yīng)用超聲波流量計(jì)時(shí)，安裝過程中需掌握流量計(jì)的安裝注意事項(xiàng)，以減少外在因素對(duì)流量測(cè)量產(chǎn)生的誤差，提高流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度，以便更加準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)循環(huán)水泵。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：傅長(zhǎng)根（1987-），男，江西新余人，三門核電有限公司助理工程師，研究方向：AP1000電廠控制系統(tǒng)。