含氣量對孔板流量計測量流量的影響與研究
[摘 要] CPR1000 核電機組發電機定子冷卻水系統（GST）設計有兩臺冷卻水泵，正常一臺泵運行，另一臺備用。該系統冷卻水流量通過孔板流量計測量，流量低時系統發出備用泵聯啟信號，流量低低會觸發跳機信號。本文針對國內某核電機組定子冷卻水含氣量造成的流量波動問題進行了模擬計算分析，研究了冷卻水系統含氣量變化影響流量測量的機理，并提出具體的處理措施，解決了該系統啟動初期由于系統內部含氣量造成的流量波動問題。
0、前言：
發電機正常運行過程中需要保證其內部的冷卻， 對于定子水冷的發電機組，必須要保證定子冷卻水的流量滿足要求，但在系統運行過程中，由于種種原因流量可能產生大幅波動，影響系統的可靠運行。各行業關于流量波動問題目前有著很多研究，本文通過模擬分析含氣量對孔板流量計測量流量的影響，并針對定子冷卻水系統的特點深入分析氣體來源以及制定專門的處理方案，解決系統運行過程中的流量異常波動問題。
1、系統簡介：
發電機定子冷卻水系統（GST）是通過一個閉式的冷卻水循環回路對發電機定子繞組以及出線端進行冷卻。某 CPR1000 核電機組采用的是ALSTOM 公司生產的發電機組，該發電機組為水-氫-氫冷卻方式，每一根定子線棒由實心銅線和不銹鋼空心線組成，通過低電導率的冷卻水流過不銹鋼空心線帶走熱量，保證發電機正常運行[1]。系統的工藝流程見圖 1。
圖 1 發電機定子冷卻水系統工藝流程圖
定子冷卻水系統有兩臺冷卻水泵 GST101PO 及GST201PO，均為臥式軸端進水泵。泵設計流量為
發電機冷卻水系統設計有一高位水箱，為系統提供一個壓力參考點。系統的連續排氣口分別取自兩臺板式冷卻器及系統主過濾器上方，三路管道均有一定流量的水持續排至高位水箱內部，以排除系統內部殘留的氣體。
國內某核電 2 號機組調試啟動期間，GST 系統多次發生備用泵聯啟事件。如 2013 年 11 月 14 日08:50 啟動 GST 系統，從 12:26 開始發生多次聯啟。11 月 28 日也發生多次聯啟，由于流量低于 100m³/h時間短于 5s，沒有造成跳機后果。冷卻水流量波動曲線見圖 2。
圖 2 定子冷卻水流量波動曲線
從圖 2 曲線看，每次備用泵聯啟前 GST002MD監測的流量都存在一個明顯的波谷。經過進一步檢查排除流量計本身故障以及泵本身造成的流量波動。由于定子冷卻水流量的測量是通過流量孔板的前后壓差來實現的，當孔板前后壓差發生改變后，就會造成GST002MD 流 量 波 動[2]。 在 問 題 出 現 后 ， 對GST002MD 儀表管線進行排氣檢查，并在泵出口多次進行排氣，泵聯啟現象得到改善，但偶然還會發生流量大幅波動現象。其中每次排氣時取樣發現，排出的水呈乳白色，水中明顯含有大量細小的氣泡。
3、孔板流量計測量流量受水中含氣量影響的計算分析：
3.1、孔板流量計結構及原理:
標準孔板流量計有角接取壓、D 和 D/2 取壓和法蘭取壓等多種方式[4]，本文所研究的孔板流量計為角接取壓，其結構示意圖如圖 3 所示。對于不可壓縮流體的水平管流動，在忽略沿程摩擦阻力損失的情況下，根據流體流動的伯努利方程(能量守恒)和連續性原理，可以得出管道中流體理論體積流量VQ 的計算公式。 
圖 3 角接取壓標準孔板流量計的結構示意圖
實際上，對于不可壓縮流體，下游取壓口并非設置在面 s2處，而是在面 s3處。考慮到在面 s1、s3上測取的平均流體壓力差?p 一定大于'?p ，故定義流出系數 C 來修正上述公式，可得實際體積流量值的計算公式 
由以上公式可以看出，孔板測量流量與 ?P 呈正比關系，當壓差變化時，流量就會跟隨產生變化。
3.2、數值模型的建立：
由于孔板流量計結構具有對稱的特點，運用Gambit 直接建立標準孔板流量計角接取壓時的二維軸對稱回旋結構模型,縮短計算時間[6]。***終所得網格劃分模型如圖 4 所示。
圖 4 標準孔板流量計網格劃分計算模型
為了研究不同含氣量對標準孔板流量計測量的影響，在工況溫度為 288.16K，流量為 180m3/h 的情況下，對水中含氣量體積百分比從 0 到 5%的液態水，利用 Fluent 進行數值模擬計算和相關分析[7]。選擇mixture 混合模型，設置空氣為第二相，其中空氣的密度?=1.225kg/m3，粘度?=1.7894e-5kg/(m?s)。參考壓力設置在原點位置，大小為 101325Pa。計算結果如表 1 和圖 5 所示。
表 1 標準孔板流量計在不同含氣量下的流場計算結果
含氣量 n/% p1/kPa p3/kPa Dr/kPa C
| 0 | 8.0499614 | -11.500498 | 19.5504594 | 0.619246551 |
| 0.5 | 8.009751 | -11.443041 | 19.452792 | 0.620799142 |
| 1 | 7.9695488 | -11.385609 | 19.3551578 | 0.622362937 |
| 1.5 | 7.9293462 | -11.328163 | 19.2575092 | 0.623938842 |
| 2 | 7.8891401 | -11.270725 | 19.1598651 | 0.625526707 |
| 2.5 | 7.8489331 | -11.213275 | 19.0622081 | 0.627126968 |
| 3 | 7.8087324 | -11.155839 | 18.9645714 | 0.628739237 |
| 3.5 | 7.7685298 | -11.098396 | 18.8669258 | 0.630364155 |
| 4 | 7.7283237 | -11.040956 | 18.7692797 | 0.632001744 |
| 4.5 | 7.6881196 | -10.983513 | 18.6716326 | 0.63365218 |
| 5 | 7.6479194 | -10.926067 | 18.5739864 | 0.635315598 |
由表 1 可知，標準孔板流量計的平均壓力值 p1隨水中含氣量的增加而減小，而平均壓力值 p3則相反，因此平均流體壓力差?p 隨水中含氣量的增加而減小，從而造成孔板測量的流量隨著含氣量的增加而變小。由圖 5 可知，?p 與含氣量基本上呈線性遞減關系。 
圖 5 含氣量與孔板流量計平均壓差關系
圖 7 孔板附近壓力分布圖 
圖 8 孔板附近速度分布圖
計算結果表明，冷卻水系統在處于含氣量變化的工況下，孔板流量計測量的壓差會隨著混入氣體量的增加而變小，從而導致測試流量較實際流量小。
4 、對問題的解決方案研究 ：
以上分析，孔板流量計測量的流量與系統含氣量的變化有很大關系。在正常運行工況下，發電機定冷水系統含氣量很低，且含氣量不會有大的波動。因此，在工程實際應用上，可考慮減少含氣量的方法來減少系統的流量波動，避免跳機的不良后果產生[8]。
4.1、對含氣體的來源分析：
4.1.1、發電機氫氣漏入系統 ：
該發電機組調試期間，對定子線棒打壓試驗，以及對發電機系統進行氫氣泄漏率試驗，并通過監視高位水箱排氣流量計 GST002QD 中氣體情況，結果表明，氫氣泄漏進入定子冷水系統的可能性很小[9]。
發電機高位水箱正常液位為 40~80%，當水箱進水與排水造成的渦流時就可能會將水箱內部氣體卷入回水管道，從而引起流量測量的變化。使用多普勒流量計測量高位水箱入口流量為 4 m3/h 左右，入口水管為 DN50 的管道，計算入口管道的流速大概為： v=q/s=(4/3600)/(3.14*0.025*0.025)=0.566 m/s 其 雷 諾 數Re=ρvd/μ=1000*0.566*0.05/0.001003=28215>2500 ，從而判斷入口管道處的水流為湍流狀態[10]，該速度的水流進入高位水箱，可能形成漩渦造成氣體進入系統中。
4.1.3、 初期系統補水引入：
系統內部氣體的引入還有一個來源為系統內部殘存氣體的析出，系統初期充水為常溫的核島除鹽水，隨著系統運行，水溫逐漸升高,水的含氣量會隨著內部溶解氣體的析出逐漸增大[11]。
V=V0*（S1?S2）=0.825 m
表 2 壓力 6bar 時溶解度表
由此可見系統啟動初期，由于水溫上升會析出大量的氣體。
4.2、減少含氣量措施分析：
減少系統內部的含氣量可以減少孔板流量計所測流量的波動。以防城港核電項目為參考，由于其定子線棒是銅線棒，對水質的含氧量有嚴格要求[12]，
方案二：系統啟動初期充水排氣：
前期充水的過程中，要嚴格按照在線程序，通過啟動密封油系統真空泵排除系統內部的殘存氣體，盡量減少系統的初始含氣量，抽真空過程中，要調節真空油泵的入口壓力調節閥，保證高位水箱的真空度[13]。
如果補水溫度很低，水中會溶解大量氣體，在系統持續運行過程中隨著水溫升高氣體會逐漸析出，系統正常運行是通過熱交換器上部兩個排氣管及主過濾器的排氣管進行連續排氣，由于連續排氣管設計流量有限，難以短時間排出大量積存的氣體，就會造成系統內部氣體的聚集。所以系統在線完成后，應及時投運加熱器，提高水溫至系統額定溫度 44.5℃，然后持續通過泵出口及冷卻器的排氣閥手動排氣來達到減少系統含氣量的目的。
方案三：消氣過濾器：
通過在孔板流量計前加裝消氣過濾器，可以有效去除設備內部混入的氣體[14]，由于系統正常運行時水是閉式循環的，期間含氣量不會大幅波動和上漲，考慮消氣過濾器投運與電加熱器都是在系統投運初期階段使用，可以把消氣過濾器設置在電加熱器下游，如圖 9 所示。 
圖 9 消氣過濾器安裝示意圖
方案四：控制發電機高位水箱內部漩渦：
4.3、方案選擇與實施效果：
針對該核電 2 號機流量波動的現象，根據上述方案的實施難度，優先選擇方案二與方案四，共落實如下行動：
（1）系統補水時，利用發電機密封油系統的真空泵對系統抽真空補水，減少初期系統殘留的氣體；
（2）系統啟動前，適當提高高位水箱水位至65%左右，減少可能由于漩渦引入的氣體；
（3）運行初期，定期通過泵出口排氣閥檢查水中含氣量，并通過泵出口與冷卻器上的排氣閥手動排氣；
（4）降低發電機頂部高位水箱內部氣體的壓力，以利于冷卻器和主過濾器上連續排氣管道中的氣體排出。
5、 結語 ：
發電機定子冷卻水系統啟動初期，由于水溫上升水中溶解的氣體析出，以及補水過程排氣不充分，系統內部水中會混合大量氣體，氣體與水混合不均勻時，會加劇孔板流量計測量流量的波動，本文通過系統啟動初期的人為干預，在充水過程使用抽真空上水，適當提高高位水箱液位并減小水箱壓力，定期手動排氣的方式，減少系統內部的含氣量，使系統運行過程中的流量維持在一個穩定的工況。解決了機組調試期間出現的問題。