韓德軍 余建江 顧方華 丁麗

摘 要：反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)屬于中國先進研究堆（CARR）通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中的重要子系統(tǒng)，從2012年下半年進入試運行，發(fā)現(xiàn)DCS通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)量顯示誤差越來越大，普遍風(fēng)量指示過大，有的顯示送風(fēng)量大于排風(fēng)量，易引起運行人員和核安全監(jiān)督人員的誤解。經(jīng)檢查分析，認(rèn)為原熱式風(fēng)速變送器易粘塵土失效，不適合CARR運行環(huán)境需要，決定更換為皮托管式風(fēng)速變送器，并進行規(guī)范地安裝調(diào)試。經(jīng)過數(shù)月的運行考驗，DCS系統(tǒng)計算機反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量顯示數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定準(zhǔn)確，說明新安裝的皮托管風(fēng)速變送器是適用的。

關(guān)鍵詞：中國先進研究堆 反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng) 風(fēng)量測量 技術(shù)改進 皮托管風(fēng)速變送器

中圖分類號：TL36 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（b）-0133-04

Abstract：Reactor Hall Ventilation System （RHVS） is one important sub-system of the China Advanced Research Reactor （CARR） ventilation air conditioning system. Since the beginning of trial operation in 2012， the deviation of air flow between actual measured value with the displayed value on the screen of distributed control system （DCS） have had an increasing trend， the latter were larger. Sometimes the intake air flow was larger than exhaust one. These problems would easily cause confusion of operating crew and nuclear safety supervisors. Through inspection and analysis， it was the main reason of causing deviation that the original hot type wind speed transmitter was inclined to adhere dust in CARR operation condition. So the pitot-tube type wind speed transmitters were used as an alternative. After finishing installation and debugging， several months of operation practice showed the deviation had a obvious decrease ，the measure values were stable and accurate.It proved that the new transmitters are suitable for CARR.

Key Word：China Advanced Research Reactor；Reactor hall ventilation system；Air flow measurement technique，Technical modification，Pitot-tube type wind speed transmitter

中國先進研究堆（CARR）是由我國自主設(shè)計、建造的多用途研究性反應(yīng)堆，設(shè)計核功率60 MW。目前，CARR處于調(diào)試試運行階段，正在進行運行許可證的申請工作。

CARR通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是CARR反應(yīng)堆系統(tǒng)中重要的組成部分，用以減少放射性物質(zhì)向周圍環(huán)境的泄露，排出機械、電氣設(shè)備及管道散發(fā)的熱量及維持工作場所的溫濕度在合理范圍內(nèi)。CARR通風(fēng)系統(tǒng)運行時，要求各工藝間排風(fēng)量略高于送風(fēng)量，工藝間壓差30±10Pa，防止放射性氣體在各工藝間擴散。

CARR通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)調(diào)試完成并投入運行今以來，計算機集散控制系統(tǒng)（DCS）的通風(fēng)系統(tǒng)送、排風(fēng)風(fēng)量指示偏差越來越大，尤其是反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)，普遍風(fēng)量指示過大或過小，已不能實際反映運行狀況。于是決定查找原因進行整改。

1 原風(fēng)速變送器檢查

為了搞清問題存在的原因，我們抽出了問題最大的操作大廳送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)速變送器進行檢查。

原風(fēng)速變送器為熱線式風(fēng)速變送器，探桿及上面的探頭粘上一層灰黑色灰塵，探桿有一定彎曲，可能是送風(fēng)溫度有時較高所致。具體狀況見圖1所示。

熱線式風(fēng)速變送器是一種以熱線為探頭的流速測量儀器，由探頭、信號和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成。熱線式風(fēng)速變送器探頭—熱敏電阻極易沉積灰塵，最終使風(fēng)速變送器失效。

在檢查其他的風(fēng)速變送器時，也發(fā)現(xiàn)有的風(fēng)速變送器安裝位置不當(dāng)、變送器探桿過短，導(dǎo)致不能反映實際風(fēng)量的問題。

鑒于熱線式風(fēng)速變送器不適合CARR實際運行狀況，影響反應(yīng)堆正常運行，決定選用新形式的風(fēng)速變送器。

2 新風(fēng)速變送器選擇

2.1 常見的風(fēng)速測量技術(shù)

依據(jù)測量原理不同，目前市場應(yīng)用常見的風(fēng)速測量技術(shù)有：機械式風(fēng)速測量、皮托管式（差壓式）風(fēng)速測量、熱敏式風(fēng)速測量、激光多普勒式風(fēng)速測量和超聲波式測量。

2.1.1 熱敏式風(fēng)速測量

熱敏式風(fēng)速測量技術(shù)是一種以熱敏材料為敏感元件的流速測量儀表，由熱敏感元件、信號和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成。熱敏感元件按結(jié)構(gòu)分為熱線、熱球和熱膜3種，均由電阻值隨溫度變化的熱敏材料構(gòu)成。市場應(yīng)用較多的是熱線式風(fēng)速測量儀表，目前CARR使用的就是熱線式風(fēng)速變送器。

2.1.2 機械式風(fēng)速測量

機械式風(fēng)速變送器主要有葉輪式和風(fēng)杯式兩種，一般應(yīng)用于氣象環(huán)境監(jiān)測和管道風(fēng)速測量。基本原理是流動氣體帶動葉輪或風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與風(fēng)速呈一定的關(guān)系，通過測量旋轉(zhuǎn)速度來測量風(fēng)速大小。

機械式風(fēng)速變送器的結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，而且對環(huán)境適應(yīng)性強。機械式風(fēng)速變送器適用于中低段平均風(fēng)速的測量。葉輪式風(fēng)速儀廣泛應(yīng)用于通風(fēng)現(xiàn)場送排風(fēng)口風(fēng)量測量。

2.1.3 皮托管式風(fēng)速測量

皮托管式（差壓式）風(fēng)速測量的方法為一種間接測算法，通過皮托管和差壓計聯(lián)合測定出風(fēng)速。實際測量時，使氣流方向垂直于皮托管的管口，測得該位置的全壓與靜壓之差，得出動壓，然后通過風(fēng)速與動差的關(guān)系式求算出相應(yīng)的風(fēng)速值。

皮托管測量構(gòu)造簡單，安裝方便，測量時也不受氣體紊流的影響，維護方便；流動阻力小，可測速度分布；低風(fēng)速段測量響應(yīng)迅速，對粉塵環(huán)境有較強的適應(yīng)性。缺點：標(biāo)準(zhǔn)皮托管管口較小，濕度及粉塵較大的環(huán)境中管口容易堵塞；標(biāo)準(zhǔn)皮托管安裝角度對精度有一定的影響。

2.1.4 激光多普勒式風(fēng)速測量

激光多普勒測速技術(shù)（簡稱LDA或LDV）的基本原理是將激光束穿透流體照射在隨流體一起運動的微粒上，檢測微粒散射光的頻率，根據(jù)光學(xué)多普勒效應(yīng)確定微粒即流體的運動速度。

激光多普勒風(fēng)速儀價格較為昂貴，目前還未普及。

2.1.5 超聲波式風(fēng)速測量

超聲風(fēng)速儀根據(jù)測量方法不同，分為超聲速差測風(fēng)儀和超聲渦街測風(fēng)儀。

超聲波風(fēng)速測量技術(shù)優(yōu)點是測量范圍廣，精度高，缺點是長期穩(wěn)定性不佳，價格較高。

2.2 風(fēng)速變送器最終選定

針對CARR通風(fēng)系統(tǒng)實際運行狀況，需要一種能適應(yīng)一定的灰塵環(huán)境，安裝更換方便，而且信號輸出穩(wěn)定的風(fēng)速變送器。經(jīng)過調(diào)查比較，確定選用皮托管式風(fēng)速變送器進行安裝試驗驗證（見表1）。

2.3 廠家定制

通風(fēng)系統(tǒng)矩形或圓形管道中，風(fēng)速的分布是中心高，四周逐漸降低。風(fēng)速變送器探桿的長度要根據(jù)管道尺寸進行適當(dāng)調(diào)整。探桿取壓點位于管道截面寬（長）度或直徑的約1/3處。標(biāo)準(zhǔn)長度的風(fēng)速變送器并不適合所有尺寸的通風(fēng)管道。

變送器探桿長度根據(jù)以下公式計算：L=1/3D+M+Z

式中：D為通風(fēng)管道直徑，單位：mm。M為探桿裕量，根據(jù)實際需要確定，約10～20 mm。Z為探桿首對測壓孔至探桿頂端的距離，10 mm。

表2是根據(jù)CARR反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)管道實際情況，確定的一些技術(shù)參數(shù)，表中風(fēng)速量程及相應(yīng)尺寸探桿要求廠家依此定制。

技術(shù)要求：（1）廠方設(shè)計探桿首個探孔位置應(yīng)在管道進深的1/3處。（2）表頭必須有數(shù)據(jù)清零按鈕。（3）風(fēng)速變送器電源，交流24 V或交、直流24 V通用型。（4）直流4～20 mA信號輸出。

3 皮托管風(fēng)速變送器安裝調(diào)試

3.1 前提條件

（1）皮托管風(fēng)速變送器做校準(zhǔn)試驗，出具校準(zhǔn)證書。

（2）安裝前再次檢查風(fēng)速變送器零點是否合格。方法是：用塑料袋將風(fēng)速變送器探桿包嚴(yán)，以免環(huán)境微風(fēng)影響，然后通電測零點電流，4 mA±3%為合格。

3.2 安裝步驟

（1）停止反應(yīng)堆廠房所有風(fēng)機，相應(yīng)風(fēng)閥關(guān)閉。

（2）按照風(fēng)速變送器的安裝要求檢查反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)原風(fēng)速變送器安裝位置。較為理想安裝位置應(yīng)在距上游彎管段大于6倍或距下游彎管段大于3倍管徑處。風(fēng)速變送器不能安裝在彎管或變徑處。

（3）拆除原風(fēng)速變送器，安裝皮托管風(fēng)速變送器套管頭，用螺釘固定。

（4）將探桿插入套管頭，注意動壓測孔要保證垂直迎風(fēng)方向，固定探桿。

（5）接通電源線、電流信號輸出線，測皮托管變送器零點輸出電流，4 mA±3%為合格。

3.3 風(fēng)量實測

遵循的原則是：用風(fēng)速儀實測反應(yīng)堆廠房各通風(fēng)子系統(tǒng)中各個工藝間風(fēng)口風(fēng)量，再把各個工藝間風(fēng)口風(fēng)量累加得出此通風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)量或排風(fēng)量實際值；然后調(diào)整皮托管風(fēng)速變送器探桿進深，使其風(fēng)量輸出值大致等于實測值。

3.3.1 風(fēng)量實測方法

使用葉輪式風(fēng)速儀，根據(jù)CARR反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)中各工藝間送排風(fēng)口截面積大小不同，采用9點法或5點法測風(fēng)口風(fēng)速。

風(fēng)口平均速度： （1）

式中：為風(fēng)口平均風(fēng)速，單位：m/s；

為各測點風(fēng)速，單位：m/s；

n為測點數(shù)量。

風(fēng)口風(fēng)量按下式計算：

風(fēng)口風(fēng)量： （2）

式中：Q為風(fēng)口風(fēng)量，單位：m3/h 。

F為風(fēng)口通風(fēng)面積，單位：m2；為風(fēng)口平均風(fēng)速，單位：m/s。

風(fēng)量測量操作步驟如下：

（1）啟動CARR反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)所有送風(fēng)機、排風(fēng)機A，調(diào)整好各樓層工藝間壓差，關(guān)閉工藝間房門。

（2）記錄風(fēng)機電壓、電流，記錄送風(fēng)機初效過濾器壓差、中效過濾器壓差；記錄排風(fēng)機預(yù)過濾器壓差、高效過濾器壓差；記錄送風(fēng)溫度、濕度、風(fēng)壓，記錄排風(fēng)溫度、濕度、風(fēng)壓。

（3）用風(fēng)速儀測風(fēng)口平均風(fēng)速，計算各風(fēng)口風(fēng)量，將某通風(fēng)子系統(tǒng)送、排風(fēng)風(fēng)口風(fēng)量累加即得相應(yīng)通風(fēng)子系統(tǒng)的送、排風(fēng)實際量。

（4）根據(jù)實測風(fēng)量，計算調(diào)整新更換皮托管風(fēng)速變送器輸出電流。風(fēng)速變送器輸出電流推導(dǎo)如下：

風(fēng)速： （3）

式中：V為通風(fēng)管道中的風(fēng)速，單位：m/s；IO為皮托管風(fēng)速變送器輸出電流，單位：mA；L為皮托管風(fēng)速變送器量程，單位：m/s。

風(fēng)量：FV （4）

式中：Q為通風(fēng)子系統(tǒng)送、排風(fēng)量，單位：m3/h；F為總送、排風(fēng)管道截面積，單位：m2。

根據(jù)（3）式、（4）式得出：IO （5）

調(diào)節(jié)風(fēng)速變送器探桿的進深，現(xiàn)場實測輸出電流，使其等于計算的輸出電流IO，即使風(fēng)量大致等于實測風(fēng)量，并用紅色油漆標(biāo)示探桿進深位置，以備下次更換參照。

（5）修改主控室DCS通風(fēng)系統(tǒng)IFIX組態(tài)軟件中風(fēng)量計算公式，風(fēng)量按（4）式計算。

（6）停止送風(fēng)機、排風(fēng)機A。再啟動送風(fēng)機、排風(fēng)機B，調(diào)01子項各樓層工藝間壓差匹配，按（2）、（3）步驟實測反應(yīng)堆廠房各通風(fēng)子系統(tǒng)送排風(fēng)量，與主控室DCS通風(fēng)系統(tǒng)計算機顯示值對比，驗證新安裝的皮托管風(fēng)速變送器輸出的準(zhǔn)確性。

3.3.2 風(fēng)量實測實例

以物理實驗大廳排風(fēng)系統(tǒng)為例。01物理實驗大廳排風(fēng)系統(tǒng)有2臺排風(fēng)機，即A、B排風(fēng)機，對應(yīng)1臺高效過濾裝置。01物理實驗大廳有6個排風(fēng)口，A排風(fēng)機運行時，排風(fēng)量實測、計算見表2。

根據(jù)實測總排風(fēng)量計算風(fēng)速變送器輸出電流：

Io=﹝16×11679/（3600×0.7×0.45×15）﹢4﹞≈14.98mA

調(diào)整排風(fēng)總管道新更換皮托管風(fēng)速變送器探桿的進深，現(xiàn)場實測輸出電流，使輸出電流約為14.98 mA。更改主控室DCS通風(fēng)系統(tǒng)IFIX組態(tài)軟件中風(fēng)量計算公式，風(fēng)量按（4）式計算。

Q=（A×B）×C

式中：A為PLC接收模擬信號轉(zhuǎn)換的風(fēng)速值；B為風(fēng)管截面積，對于01物理實驗大廳排風(fēng)系統(tǒng)，管道截面積為0.3969m2。C為系數(shù)，等于3600。

修改后，檢查計算機顯示值與實測風(fēng)量值比較，偏差≤5%為合格。

4 運行評價

反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量測量技術(shù)改進工作從2015年4月開始一直持續(xù)到2015年12月，新更換了9只定制的皮托管式風(fēng)速變送器。

以表3是技術(shù)改進后，記錄的反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)計算機顯示值與實測值的對比表。（說明：實測風(fēng)量符合設(shè)計風(fēng)量）

（1）從表3可以看出，DCS系統(tǒng)計算機反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量顯示數(shù)據(jù)與實測值比較較為準(zhǔn)確，偏差小于5%，經(jīng)過數(shù)月的運行考驗，數(shù)據(jù)顯示基本穩(wěn)定，基本能夠如實反映通風(fēng)系統(tǒng)運行狀況，說明新安裝的皮托管風(fēng)速變送器是適用的。

（2）風(fēng)速變送器探桿安裝位置調(diào)試完成后用紅漆標(biāo)示，下次更換時依此確定新風(fēng)速變送器（需是按表1定制的）的位置，這樣省去了繁瑣的風(fēng)量實測工作。

（3）皮托管風(fēng)速變送器維護方便，測壓孔粘泥堵塞影響工作時，可以取下清洗測壓孔，檢測輸出電流信號合格后，即可繼續(xù)使用。

5 結(jié)語

中國先進研究堆通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是保證核反應(yīng)堆安全運行的重要系統(tǒng)，反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量測量問題的解決，有效保證了反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)正常運行，保障了反應(yīng)堆的安全運行。另外，這次技改積累的一些安裝調(diào)試的成功經(jīng)驗，對后續(xù)其它通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量測量改進，也具有益的借鑒意義。

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