浅析超声波流量计在AP1000主给水测量中的应用.docx

吕永焕 （ 三门核电有限公司，浙江台州317112 ）[摘 要] 论文以时差法超声波流量计为例，对超声波流量计的工作原理进行研究，并结合超声波的特性，介绍超声波流量计的优缺点以及美 国 Cameron 公司 LEFM 技术产品在 AP1000 核电厂主给水流量测量中的应用 [关键词] 超声波流量计；时差法；AP1000；主给水流量测量主给水流量是 AP1000 核电厂的重要测量参数，不仅是核电厂“五大控制系统”中给水控制系统 （ 蒸发器液位控制 ） 输入的三冲量之一， 也是核电厂热平衡计算和热效益计算的关键参数AP1000 核电厂针对 主给水流量的测量采用了文丘里管加超声波流量计的方式 （ 见图1 ） 过一对超声波传感器 （ Trans duce r 既可发射超声波信号，亦可接收超声波信号 ） 在来回发射和接受超声波信号后，利用上游传播时间和下游 传播时间即可测出介质流速图1 AP1000 主给水测量仪表布置 在 AP1000 核电厂设计中，从 7# 高压给水加热器出来的主给水母 管分为两条支路，每条支路从上游到下游依次布置了超声波流量计、流 量调节孔板和文丘里管，之后通过主给水调节阀进入蒸发器 A 和 B。

由 于管道中的气泡和杂质会反射或者衰减超声波信号，给测量带来较大的 误差，而采用水平位置安装的方式，就可以使被测流体中的气泡聚集在 管道的上方，大的杂质沿着管道的底部流动，安装的部位保证一定的背 压，从而使管道内充满流体，没有气泡或者气泡较少这样，对超声波 在流体中传播的影响减少到最小程度，使测量准确度达到最大化因 此，图 1 中的这部分管道是水平布置的在测量上，超声波流量计要比文丘里管更精确，但是超声波流量 计的声波响应要比文丘里管的压力变化响应迟钝相比较而言，压力变化更加敏锐，而且主给水调节阀的控制响应时间为 0.25S （ 走完整个闭 环控制回路的时间 ） ，灵敏度要求较高，同时，文丘里管还布置了三个窄量程和三个宽量程差压变送器，也能够提供精确的测量，因此用超声 波流量计来校准文丘里管，而不是直接使用超声波流量计信号 1 超声波流量计测量原理和优缺点超声波流量计是基于超声波在流动的流体中传播时就载上流体流 速的信息，接收到的超声波后通过不同的测量手段就可以检测出流体的流速，从而换算成流量从测量原理上讲超声波流量计可以分为传播速 度差法 （ 时间差法，频率差法，相位差法 ） 、多普勒法、波束偏移法、 噪声法和相关法等类型。

1） 由于直接时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量 超声波脉冲顺流和逆流传报时速度之差来反映流体的流速的，故又统称 为传播速度差法其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来 的误差，准确度较高，所以被广泛采用2） 多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射 体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气 泡等流体流量测量3） 波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变 化而产生偏移来反映流体流速的，低流速时，灵敏度很低适用性不大4） 噪声法 （ 听音法 ） 是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体 的流速有关的原理，通过检测噪声表示流速或流量值其方法简单，设 备价格便宜，但准确度低 5） 相关法是近年来的一种新方法相关法是利用相关技术测量流 量，原理上，此法的测量准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度， 浓度等无关，故测量准确度高，适用范围广但价格贵，线路比较复杂AP1000 核电厂主给水测量用的超声波流量计使用的是时差法， 因此下面对时差法超声波流量计的工作原理和优缺点进行详细介绍 2 超声波流量计原理 （ 时差法 ） 超声波在流动的流体中传播时就会载上流体流速的信息，因此通图2 超声波流量计的测量示意图 LpLp在上图中，可知 Tup = C - V （1） Tdn = C + V （ 2 ）fpfp 这里Tdn = 向下游传播时间；Tup = 向上游传播时间Lp = 路径长度；Vp = 超声波路径方向的介质流速V= 管道轴线上的介质流速；Cf = 介质中超声波的传播速度即可得到介质的轴向流速Vp Tup - Tdn Lp （ 3 ）V==×Cos θT ×T2Cos θupdn 若管道截面积为 S，可得体积流量Tup - Tdn Lp ×S Q = V×S=×vθTup ×Tdn2Cos若介质密度为 ρ，可得质量流量Tup - TdnLp ×S×ρ（ 4 ）Qm=Qv×ρ=×Tup ×Tdn2Cosθ通过 （1） 和 （ 2 ） ，即可得到超声波在该种介质中的传播速度C = Tup + Tdn ×Lp（ 5 ）fTup ×Tdn23 超声波流量计 （ 时差法 ） 的优缺点得益于超声波流量计测量原理基于长度与时间两个基本物理量的 溯源方便性，相较于其他流量计，超声波流量计具有以下优点：1） 非接触式测量：水、气、油各种介质都可以测量，应用领域十 分广阔；2） 无流动阻挠测量，无额外压力损失；3） 超声波流量计的仪表系数可从实际测量管道及声道等几何尺寸 计算求得，采用干法标定即可，一般不需作实流校验；4） 超声波流量计适用于大型圆形管道和矩形管道，且原理上不受 管径限制，对于大型管道测量不仅带来方便，也是无法实现实流校验的 情况下优先考虑的选择方案；5） 超声波流量计的制造成本几乎和口径无关，在大口径流量计量 场合有着测量精确、价格合理、安装使用方便的综合竞争优势；6） 可测量非导电性液体，在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计 的一种补充；7） 因易于实行与其他测试方法 （ 如流速计的速度 - 面积法，示踪 法等 ） 相结合，可解决一些特殊测量问题，如速度分布严重畸变测量， 非圆截面管道测量等。

8） 由于超声波在不同介质中的传播速度不同，可以通过公式 （ 5 ） 测量超声波声速以判断所测液体类别 但同时，由于超声波自身特性限制，也存在以下缺点：9） 管道流体介质要均匀，流相稳定，需要确保超声波在介质中传 播速度的一致性；10） 超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂：超声波在液体介质中的传播速度是一般工业上液体流速的百倍左右，通过公式 （ 3 ） 所测得介质流速的精度决定于时间的测量，因此，超声波流量计的测量 线路比较复杂 4 AP1000 核电厂的超声波流量计 4.1 测量系统的组成AP1000 核电厂主给水测量采用的是美国 Cam e ron 公司制造的LEFM 技术系列产品，该系列产品能够持续精确地测量出核电厂主给水 管线的体积流量和质量流量，广泛应用于核电厂的主给水流量测量，甚 至于一回路的流量测量LEFM 技术系列产品具备精度高、可靠性强、故障率低等特点，在国外核电厂的应用中，甚至利用主给水流量测量的 高精度性对一回路控制裕量进行安全、可靠地适度降低，从而提高核电 厂的经济效益 AP1000 核电厂主给水超声波流量测量系统的组成见图 3，主要设 备有基座、超声波收发器以及处理机柜等，设计寿命为 60 年，无抗震 要求。

该套设备持续测量两条主给水管线的给水流量，对图 1 中下游的 文丘里管所测得的流量进行标定 （ 该功能在电厂控制系统中执行 ） 组成 8 个测量路径，每条路径与管道轴中心线呈 45 度角因此，每个 通道对应的公式 （3） 应为VpTup - Tdn姨2 LpV= =×θCosT ×T4updn处理机柜中的软件对 8 个测量通道的测量值进行高斯积分，从而得到整个管道流量的精确值此外，基座上留有压力变送器的仪表管线 以及热电阻热阱，用以测量给水管道中的压力和温度，为计算质量流量 提供相关参数 4.3 处理机柜 处理机柜采用的是西屋标准 Ovation 机柜，内置了 CPU、 Trans m itte r、网关、硬盘、防火墙、鼠标、键盘、触摸功能的显示器、 电源、输入输出卡件等，其中 CPU、硬盘、网关、电源均为冗余配置， 通过 Modbus 将测得的主给水流量信号传递给电厂控制系统 （PLS） 在上述设备部件中，Trans m itte r 主要用于控制超声波的发射和接受， 共计 4 个，每个基座上的 Plane A 和 B 各自对应一个，降低了单一故障 率，提高测量的可靠性。

Trans m itte r 实时对所测得的测量值进行状态 和数据的确认检查： 硬件自检： > 可执行的检查确认> 参数设置检查确认> 振荡器确认 （ 超声波收发器 ） 压力测量值模拟量输入量程为 0 到 20m A 热电阻 （RTD ） 模拟量输入量程为 0 到 5V超声波收发器阻抗确认：正端和负端对地电阻应大于 100KΩ 上下游接收到的声音信号应小于 75dB 声波信号质量必须满足信噪比大于 5 等 4.4 软件执行功能Cam e ron 公司开发了 LEFM√+ C 软件对主给水流量装置测得的 数据进行处理、显示、报警和记录，该软件基于 Window s 平台运行， 并且提供丰富的人机界面，方便工程师查看每条主给水管线、每个 Plane 甚至每条路径上的测量信息同时，该软件还提供报表、趋势 图、运行日志、诊断和调试等功能，与硬件一起组成了一个相对独立的 测量系统 5 结语超声波流量计以其测量精确度高、可靠性强、经济性好以及无压 损的特点在核电厂中越来越得到重视，但因其测量回路的响应时间相对 较长，在核电厂关键参数的测量应用较少随着电子技术的不断革新，测量线路响应时间的不断缩短，超声波流量计在 AP1000 核电厂的关 键参数测量中将得到广泛的应用。

作者简介：吕永焕，男，汉族图3 主给水超声波流量计测量系统的组成 4.2 基座及超声波收发器Cam e ron 公司提供了一个全尺寸的基座，重 1.7 吨，通过焊接与 上下游管道连接AP1000 核电厂中针对基座前后直管段长度的设计， 充分考虑了上游直管段 3 （L/D，长度 / 直径 ） 和下游直管段 4 （L/D，长度 / 直径 ） 的需求，能够有效确保给水管道中流场的稳定性，以实现 精确度最大化在基座四周对称布置了四列超声波收发器，共计 16 个，［参考文献］ [1] 顾军等.AP1000 核电厂系统与设备.原子能出版社,2010. [2] 李广峰,刘芳,高勇.时差法超声波流量计的研究.电测与仪表,2000. [3] 李梅英.浅谈超声波流量计.河北化工,2009.78 2013 年 5月（ 上 ）。