湯建秋，歐衛(wèi)兵，趙 旸，潘偉華，曹 晶

（秦山核電有限公司，浙江 海鹽 314300）

1 核電站主泵3號密封泄漏流流量計概況

主泵是核電站的關(guān)鍵設(shè)備，監(jiān)測主泵軸封水的流量是監(jiān)視主泵運行的重要參數(shù)之一。主泵3號密封泄漏流的正常值應(yīng)在每小時數(shù)百毫升至數(shù)升之間，若流量值過大則說明密封已磨損或損壞；若流量值過小則可能是軸密封過緊，這樣會加快密封磨損。由于設(shè)備正常運行期間這一泄漏值很小，且介質(zhì)是帶有放射性易產(chǎn)生硼結(jié)晶的含硼除

2 流量測量系統(tǒng)的硬件組成

測量系統(tǒng)主要組成：測量小桶、磁致伸縮液位傳感器、PLC控制器、人機交互界面、電磁閥、顯示及報警單元。

2.1 測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

流量測量系統(tǒng)采用PLC作為控制器的核心，PLC采集測量小桶的液位數(shù)據(jù)，進(jìn)行電磁閥控制、瞬時流量計算、累積流量計算、報警輸出等；采用工控機作為控制系統(tǒng)的人機交互界面。測量系統(tǒng)總體框圖見圖1。

2.2 測量小桶

測量小桶是用來收集主泵3號密封泄漏流的。采用內(nèi)徑100 mm的不銹鋼圓桶，泄漏流通過引流管從桶底部進(jìn)入測量小桶內(nèi)，這樣能有效抑制泄漏流引起的桶內(nèi)液位波動。液位傳感器安裝于桶的頂部。桶的側(cè)面開設(shè)溢流孔，使得當(dāng)出口電磁閥故障或控制器失靈時，泄漏流能通過溢流孔排出。

2.3 液位傳感器

液位傳感器采用磁致伸縮液位計，該液位計是一種非常適合于高精度測量要求的智能型現(xiàn)場儀表，測量范圍可在探桿長度范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，采用二線制，輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號，其測量精度優(yōu)于±0.25 mm。該傳感器響應(yīng)速度塊、防爆、安裝簡單（螺紋連接或法蘭連接），運行可靠。

磁致伸縮液位計的主要測量原理：如圖2所示，在磁致桿內(nèi)部有一根緊繃的磁致伸縮線（1），電子模塊（2）向磁致伸縮線上發(fā)射脈沖信號并且通過磁致伸縮線傳送，在周圍產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場（3），磁致桿中或者附近的浮子內(nèi)有一塊永久磁鐵（4），當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場到達(dá)浮子時，與浮子的永久磁場相互作用。其結(jié)果導(dǎo)致磁致伸縮線將產(chǎn)生一個瞬時的扭力（5），同時產(chǎn)生返回脈沖，該脈沖沿磁致伸縮線向兩端傳送。脈沖傳播的速度為一個恒定值，因此通過計算起始脈沖與返回脈沖之間的時間差就可以精確地計算出被測液體的液位或界位。

2.4 電磁閥

電磁閥的選型參考了原用電磁閥和測量小桶排液實際要求，采用220 VAC型電磁閥，通徑為1英寸。電磁閥的要求如下：流體溫度為常溫；壓力為0～16 bar；閥體材質(zhì)為不銹鋼；內(nèi)件材質(zhì)為不銹鋼；電壓為220 VAC。

2.5 PLC控制器

流量測量系統(tǒng)采用研華PLC作為控制器的核心。主泵3號密封泄漏流的測量，根據(jù)輸入輸出信號的類型和數(shù)量以及備用的需求，采用了4個模塊，分別是模擬量輸入模塊、繼電器輸出模塊、通用數(shù)字量I/O模塊、高速模擬量輸入模塊。

2.6 工控機

工控機主要用來作人機交互界面的。通過工控機可方便地進(jìn)行系統(tǒng)的組態(tài)、調(diào)試、參數(shù)修改、故障診斷、系統(tǒng)維護(hù)或優(yōu)化等。運行期間，可作為3號密封泄漏流的監(jiān)視，并能記錄報警狀態(tài)，提供報警及流量的數(shù)據(jù)的歷史趨勢查詢。

3 系統(tǒng)的軟件

控制軟件采集測量小桶內(nèi)的液位信號，計算單位時間內(nèi)測量小桶液位的變化，即泄漏流量，以4～20 mA電流形式輸出到流量指示儀或記錄儀。當(dāng)泄漏流量高于設(shè)定值時，控制軟件輸出觸點信號驅(qū)動高流量報警動作。當(dāng)控制軟件檢測到測量小桶內(nèi)的液位高于高液位設(shè)定值時，輸出24 VDC電壓信號，控制繼電器動作打開電磁閥進(jìn)行排液；當(dāng)電磁閥打開7 s（可調(diào)整）后，如果檢測到測量小桶內(nèi)的液位仍未下降，則判斷為電磁閥故障，輸出報警；當(dāng)液位下降到低液位設(shè)定值時，控制電磁閥關(guān)閉，確保測量小桶內(nèi)的液位保持在傳感器的監(jiān)測范圍之內(nèi)，以便于流量的計算。

控制軟件增加了日累積流量計算功能，可將24 h內(nèi)累積流量以4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號送往指示或者記錄儀。控制軟件能夠每天定時自動清零日累積流量。

3.1 算法原理

對于雙向流動的罐體（見圖3）而言，其液位變化與流入流量及排除流量有關(guān)，其函數(shù)關(guān)系如下：

圖3 測量原理圖Fig.3 Measurement principle schematic

其中，A為液罐的截面積；

a（t）為電磁閥的有效通徑。

根據(jù)上式推導(dǎo)出：

由于電磁閥在開閉時有效通徑分別為a和0,因此實際流量公式為:

當(dāng)電磁閥關(guān)閉時:

當(dāng)電磁閥打開時:

3.2 軟件流程

控制軟件具備以下功能：（1）數(shù)字濾波功能；（2）判斷瞬時流量高低，自動轉(zhuǎn)換采樣周期；（3）根據(jù)測量小桶內(nèi)液位，開啟或關(guān)閉電磁閥；（4）流量高報警；（5）系統(tǒng)故障報警。軟件流程圖如4所示。

編程軟件采用Advantech Multiprog V3.34。編程軟件可以根據(jù)用戶自己的需要選擇其他軟件，只要能滿足工藝PC運算性能和PLC耐用性能的控制任務(wù)，按IEC61131-3的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，為用戶提供高效的圖形化編程環(huán)境，包含用戶需要的編輯器即可。

3.3 人機界面

利用工控機可進(jìn)行人機界面組態(tài)，本項目中設(shè)置了運行界面、報警列表、趨勢記錄、參數(shù)設(shè)定等畫面。其中，流量顯示包括瞬時流量、累積流量、測量容器液位、流量報警等實時數(shù)據(jù)顯示；參數(shù)設(shè)定畫面用于對程序計算中的參數(shù)進(jìn)行修改，便于流量測量裝置的調(diào)試；趨勢記錄可以根據(jù)選取的時間顯示趨勢曲線；報警列表可記錄系統(tǒng)觸發(fā)的報警，用于故障查詢。各組態(tài)畫面如圖5所示。

3.4 數(shù)值處理

因流量測量的量程范圍很寬（0～100 L/h），而其正常運行時流量小于5 L/h。在如此大量程范圍內(nèi)既要保證低流量時流量測量的穩(wěn)定性，又要保證大流量時的精度，因此對數(shù)據(jù)處理裝置有如下要求：（1）高采樣分辨率；數(shù)據(jù)處理裝置的采樣分辨率至少比液位計的分辨率高3到5倍，液位計的分辨率在0.1 mm，為量程的0.33%，則數(shù)據(jù)處理裝置的采樣分辨率至少在0.1%以上；（2）對采樣的液位信號做相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，在低流量時液位變化速率小于1 cm/min，變化非常緩慢，為除去液位測量的噪聲對流量計算的影響，必須對采樣信號進(jìn)行濾波處理；（3）為保證低流量測量時的穩(wěn)定性以及高流量測量的精度，計算流量時的采樣時間需根據(jù)液位變化速率的改變而隨之改變，在液位變化緩慢時，采樣時間應(yīng)較長，反之液位變化較快時，采樣時間應(yīng)較短。

因軟件函數(shù)庫內(nèi)只有簡單算術(shù)運算模塊，因此，需要對計算流程中的高級計算方式進(jìn)行簡化處理，主要涉及計算方式有：

（1）數(shù)值均值處理

液位測量信號是流量計算的信號來源，但由于實際測量中不可避免地引入噪聲干擾，造成流量計算值波動很大，且不能真實地反映流量趨勢，因此采樣的液位信號首先要進(jìn)行均值化處理，可以有效地濾除大部分噪聲干擾。

其中， 為n次采樣的平均值； 為單次采樣值； 為采樣次數(shù)。

（2）信號濾波處理

根據(jù)濾波效果和濾波的響應(yīng)時間，在調(diào)試中試用了不同的濾波方式，最終確定采用了以下兩種不同的濾波方式，即加權(quán)移位平均濾波和低通濾波。

轉(zhuǎn)換為算術(shù)運算為：

泄漏流瞬時流量的計算，根據(jù)流量大小，分別采用了兩種濾波方式：當(dāng)流量比較大時（比如大于5 L/h），采用加權(quán)移位平均濾波方式，選用合適的k值，能使瞬時流量的計算響應(yīng)快且波動??；當(dāng)流量比較小時（比如小于3 L/h），采用低通濾波方式，能比較有效地濾除干擾信號，使測量值穩(wěn)定，見圖6、圖7。

4 系統(tǒng)功能及測量精度驗證

為了驗證本裝置測量的精度，需要一個流量大小可調(diào)的、實際流量值可知的、具有較高精度的穩(wěn)定流量源，且其介質(zhì)為水（比如自來水）。能滿足這樣要求的穩(wěn)流源現(xiàn)成的裝置是比較難以找到的。如圖8所示，這是一個能夠產(chǎn)生穩(wěn)定流量且流量值能夠精確計算的簡易裝置。

產(chǎn)生穩(wěn)定流量的原理如下：利用兩級虹吸原理，可以產(chǎn)生一個持續(xù)穩(wěn)定的水壓頭（調(diào)節(jié)V1、V2閥門開度可使處于第二級虹吸的燒杯始終保持滿杯）以此作為流量的動力源，在穩(wěn)定壓頭作用下，在同一排放管路內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的流量。穩(wěn)定流量的具體流量值（平均值），則通過體積法計算出來。采用秒表計時，精密量杯測量單位時間內(nèi)流出體積。穩(wěn)定流量平均值計算如下： 初始時間：0 s，初始體積：0 mL；終止時間：t（s）；終止體積：Q（mL）；則流量計算為：F＝Q/t（mL/s）。

以F作為穩(wěn)定流量的標(biāo)準(zhǔn)值，本裝置測量的流量值f與F相比較，計算本裝置的測量誤差。由于f不可避免地有小幅度波動，所以，在選取f時，采用了在單位時間內(nèi)（2 min）讀取多個f值，然后計算平均值。經(jīng)多次測量計算：此系統(tǒng)在小流量測量時精度為：0.11%，大流量測量時精度為0.09%，完全滿足系統(tǒng)需求。

該系統(tǒng)的自動排液、高流量報警、系統(tǒng)故障報警、趨勢記錄、報警記錄等功能均正常。

5 結(jié)束語

目前測量儀器儀表市場上對流量測量比較成熟的方式主要有：差壓式流量測量方式、超聲波式流量測量方式、電磁式測量、量熱式測量等，但這些流量測量方式對測量范圍、前后差壓、流體流動系數(shù)、介質(zhì)等有一定的要求，尤其是無法做到微流量測量。本裝置通過容積式流量測量方法解決了上述問題：

（1）微流量測量；通過本裝置可以測量到1 L/h的流量，而對流動系數(shù)、介質(zhì)沒有特別的要求。

（2）寬量程流量測量；本裝置測量的量程范圍可達(dá)1 000倍以上，而且針對流量的大小改變計算周期，這樣既可保證微流量測量的穩(wěn)定性，也可以提高大流量測量的響應(yīng)時間。

容積式流量測量系統(tǒng)的組成簡單，安裝方便，測量小桶和磁致伸縮液位傳感器能夠適應(yīng)苛刻的環(huán)境，PLC控制器、人機交互界面、顯示及報警單元的實現(xiàn)簡單。而且該流量測量系統(tǒng)能夠監(jiān)測的范圍從0.1至數(shù)百升每小時，測量范圍寬，精度高。這些特點，使得該測量系統(tǒng)在非確定性或非連續(xù)性流量測量方面，具有很強的適用性。比如，只要稍作改動，即可用來監(jiān)測閥門的外漏情況；還可以用來監(jiān)測非連續(xù)性的流量，比如疏水器的疏水流量。