核电厂磁性翻板液位计测量值偏大的影响因素分析

 

１背景磁性翻板液位计因其便于在线隔离，在线检修，在线更换的优点，广泛应用于火电、核电等能源领域。

国内部分采用内置水位计的核电厂也开始逐步改造为磁性翻板液位计。国内某核电厂汽水分离再热器系统疏水箱改造后采用一个内置水位计，两个磁性翻板液位计，通过水位平均值参与自动控制。该机组在５０％负荷前，３个水位计测量偏差较小，满足使用要求。负荷大于５０％后，外置水位测量值逐渐偏大；１００％负荷时，内置水位测量值与整定值接近，外置水位测量值接近满量程（见图１）。相对于平均值，３个测量值均偏差大，zui终导致水位测量失效。为解决上述问题，本文基于简化模型，使用流体力学理论对造成偏差的各项因素进行了分析、对比，提出了一般处理原则，并得到实际应用。

２原因分析

２．１参考火电汽包水位偏差进行分析

参考火电厂汽包水位分析模型（见图２），该核电厂疏水箱运行过程中，疏水箱内的水和蒸汽近似为饱和状态，因为散热，水位计中水的平均温度必然低于疏水箱运行压力下的饱和温度，其上部由于来自连通管的饱和蒸汽不断凝结，水温接近饱和温度，水温沿高度逐步降低，凝结水由水侧连通管流入疏水箱［１，２］。

 

 

结论：磁性翻板液位计测量值应低于疏水箱内实际水位。此结论与实际现象恰恰相反。因此使用以上简化模型进行分析不能确定偏差的原因。

 

２．２建立疏水箱水位分析简化模型

与实际工况对比，以上简化模型未将连通管内流体的流动损失纳入计算，得到了与实际情况相反的结果，因此应将连通管流动损失纳入实际简化模型（见图３）。并做如下假设：

（１）取机组某一负荷稳态工况，疏水箱内水位保持恒定为Ｈ，测量筒内水位保持恒定为ｈ。

（２）疏水箱内水和蒸汽为饱和状态，压力为Ｐ１，测量筒内水和蒸汽为饱和状态，压力为Ｐ３；Ｐ１＞Ｐ３。

（３）汽侧连通管内蒸汽流速为ｕＷ，两端为截面Ａ和截面Ｃ，高度相等；水侧连通管内水流速度为ｕＷ两端为截面Ｂ和截面Ｄ，高度相等。

（４）汽侧与水侧连通管长度相等，为Ｌ＝１．５ｍ。根据实际情况，汽侧与水侧隔离阀均为截止阀，弯头均为９０°标准弯头；汽侧与水侧连通管是同种类型，汽侧和水侧连通管直径均为ｄ＝２５ｍｍ，截面积为Ａ。

２．３测量筒水位ｈ与疏水箱水位Ｈ的关系

对于水在水侧连通管内的流动，水只受到重力作用，所管内水的流动可视为定常运动。截面Ｂ和截面Ｄ截面积相等，水为粘性不可压缩流体。根据实际流体的伯努利方程可得：

其中ｈｗ为水在水侧连通管内流动的各项水头损失之和［３］。

对于蒸汽在汽侧连通管内的流动，由于管壁外侧有保温层，且管道长度较短，近似视为绝热流动，截面Ａ与截面Ｃ水蒸气的焓值不变。由于截面Ａ和截面Ｃ，截面积相等，水蒸气的流动可近似视为不可压缩气体的绝热流动，因此，实际流体的伯努利方程仍然成立，对于截面Ａ和截面Ｃ可得到：

由（４）式可以看出，造成连通管水位测量值偏高的因素为水侧管道的流阻和汽侧管道的流阻。

 

３测量偏差的主要因素

３．１将ｈＷ和ｈＳ展开

对于水侧管道内流体的流动损失，ｈｗ包含水在水侧连通管流动的管道沿程损失ｈＷ４、弯头局部损失ｈＷ５、阀门局部损失ｈＷ６。根据达西公式有：

其中λＷ、ξＷ５、ξＷ６分别为水在管道内流动的沿程阻力系数、弯头阻力系数、阀门阻力系数［４］。

对于汽侧管道流动损失，ｈＳ包含蒸汽在汽侧连通管流动的管道沿程损失ｈＳ１、弯头局部损失ｈＳ２、阀门局部损失ｈＳ３。根据达西公式有：

其中λＳ、ξＳ２、ξＳ３、分别为蒸汽在管道内流动的沿程阻力系数、弯头阻力系数、阀门阻力系数。

《火力发电厂汽水管道设计规范》给出了前苏联、德国、美国三个国家对于管道元件能量损失计算的推荐标准，为了量化ｈｗ与ｈＳ的关系，在此选取美国推荐标准确定ξＷｉ与ξＳｉ的数值。该标准规定各种管道附件的阻力系数采用ξ＝Ｌｄλ表示，Ｌｄ为管件的当量长度，λ是与管件连接管线的沿程摩擦阻力系数［５，６］）。

其中ＲｅＷ、ＲｅＳ分别为水侧流体流动的雷诺数和汽侧流体流动的雷诺数，νＷ、νＳ分别为水侧流体的运动粘度和汽侧流体的运动粘度。

由（７）～（１１）可得到：

其中νＳ、ν２分别为饱和蒸汽与饱和水的运动粘度。

由于该疏水箱运行温度不大于２８０℃，根据

１００℃～２８０℃饱和蒸汽与饱和水运动粘度的比值曲线（图４）：

 

 

由以上假设可得到如下结论：当连通管内流体均处于层流区时，汽侧的流动损失小于水侧流动损失的２０．１％，即水侧流动损失是水位测量偏差的主要因素。

３．３假设水侧和汽侧均处在紊流光滑区

假设水侧和汽侧连通管内的流动都处于紊流

光滑区，根据布拉修斯经验公式，有：

由以上假设可得到如下结论：当连通管内流体均处于紊流光滑区时，水侧的流动损失小于汽侧流动损失的１５．８％，即汽侧流动损失是水位测量偏差的主要因素。

３．４假设水侧和汽侧均处在紊流粗糙区

假设水侧和汽侧连通管内的流动都处于紊流粗糙区，根据希弗林松经验公式，λ与雷诺数无关，仅与管道的当量粗糙度ｋｓ和直径有关，

由以上假设可得到如下结论：当连通管内流体均处于紊流粗糙区时，汽侧的流动损失大于水侧流动损失的２２．６１倍，即汽侧流动损失占据主导地位，占比超过９５．８％。

３．５对各项损失系数进行分析

将ｄ＝２５ｍｍ，Ｌ＝１．５ｍ带入由（７）、（８），得到表１。

３．６对于影响测量偏差的因素

根据层流区，紊流光滑区，紊流粗糙区的对比，损失系数的对比以及流体力学一般原理，得到以下结论：

（１）连通管内流体的流动损失与流速的平方成正比。

（２）在层流区，水侧管道内的流动损失是测量偏差的主要因素；

（３）随着水侧和汽侧流速增加，汽侧流动损失所占比重逐渐增大，并zui终占据主导地位；

（４）不论在水侧还是汽侧，阀门损失均为流动损失的主要因素。

４优化措施与验证

４．１减小连通管内流体的流速

由热力学原理可知ｕＳ的大小取决于Ｐ１与Ｐ３的差值，而Ｐ１与Ｐ３产生差值的原因为连通管侧的散热。因此减小连通管内流速的关键在于减小连通管及测量筒的散热，应适当增加连通管和测量筒的保温厚度，并将阀门、支架处进行严密保温。

４．２减小连通管内流体的损失系数

在层流区，水侧阀门为管路阻力的主要因素。因此在保温良好的情况下，至少应将水侧截止阀更换为阻力系数更小的阀门，如球阀（３λ）、旋塞阀（１８λ）、闸阀（８λ）等。

如果具备条件，应尽可能将汽侧连通管阀门更换为阻力系数更小的阀门；

另外，减少连通管弯头的使用量，或使用弯管代替弯头也能减小连通管的损失系数。

４．３实践验证

该机组在１００％负荷时，连通管水位计测量值已接近满量程，偏差问题十分严重。经现场检查，连通管和测量筒保温较差，连通管存在Ｚ型布置，弯头使用较多。因此为避免多次施工，采取了多种优化措施。具体措施如下：

（１）增加保温厚度至１００ｍｍ，阀门和支架处制作铝制外壳，改进保温工艺，确保保温良好；

（２）连通管水侧和汽侧截止阀均更换为球阀；

（３）连通管重新施工，去除弯头，全部使用小于等于９０°弯管替代，并使连通管具备一定斜度。采取以上措施后，该机组从０到１００％负荷任一功率平台，汽水分离再热器疏水箱内置水位计与外置水位计测量偏差均在１０％以内，完全满足机组运行要求，在此基础上顺利完成了各项瞬态试验。

 

５结论与应用

根据分析结果及实践验证，针对核电厂磁性翻板液位计测量值偏大问题，得到以下处理原则：

（１）首先，必须确保连通管及测量筒保温良好；

（２）其次，必须尽可能减小水侧连通管流体的流动损失，例如使用球阀、闸阀作为隔离阀，使用弯管代替弯头，尽可能减小管道长度等；

（３）zui后，在条件允许情况下，可将汽侧连通管的阀门和管道按照水侧进行优化。

以上原则对于热态工况下连通管式水位测量值偏大问题具有普遍适用性。国内某ＥＰＲ核电机组汽水分离再热器系统磁性翻板液位计也曾出现测量值偏大的情况。根据以上原则，在确认该水位计保温良好，连通管安装工艺良好的情况下，将水侧截止阀改为闸阀后，测量值偏差大问题得到解决。