１背景磁性翻板液位計(jì)因其便于在線隔離，在線檢修，在線更換的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于火電、核電等能源領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)部分采用內(nèi)置水位計(jì)的核電廠也開(kāi)始逐步改造為磁性翻板液位計(jì)。國(guó)內(nèi)某核電廠汽水分離再熱器系統(tǒng)疏水箱改造后采用一個(gè)內(nèi)置水位計(jì)，兩個(gè)磁性翻板液位計(jì)，通過(guò)水位平均值參與自動(dòng)控制。該機(jī)組在５０％負(fù)荷前，３個(gè)水位計(jì)測(cè)量偏差較小，滿足使用要求。負(fù)荷大于５０％后，外置水位測(cè)量值逐漸偏大；１００％負(fù)荷時(shí)，內(nèi)置水位測(cè)量值與整定值接近，外置水位測(cè)量值接近滿量程（見(jiàn)圖１）。相對(duì)于平均值，３個(gè)測(cè)量值均偏差大，zui終導(dǎo)致水位測(cè)量失效。為解決上述問(wèn)題，本文基于簡(jiǎn)化模型，使用流體力學(xué)理論對(duì)造成偏差的各項(xiàng)因素進(jìn)行了分析、對(duì)比，提出了一般處理原則，并得到實(shí)際應(yīng)用。

２原因分析

２．１參考火電汽包水位偏差進(jìn)行分析

參考火電廠汽包水位分析模型（見(jiàn)圖２），該核電廠疏水箱運(yùn)行過(guò)程中，疏水箱內(nèi)的水和蒸汽近似為飽和狀態(tài)，因?yàn)樯?，水位?jì)中水的平均溫度必然低于疏水箱運(yùn)行壓力下的飽和溫度，其上部由于來(lái)自連通管的飽和蒸汽不斷凝結(jié)，水溫接近飽和溫度，水溫沿高度逐步降低，凝結(jié)水由水側(cè)連通管流入疏水箱［１，２］。

 

 

結(jié)論：磁性翻板液位計(jì)測(cè)量值應(yīng)低于疏水箱內(nèi)實(shí)際水位。此結(jié)論與實(shí)際現(xiàn)象恰恰相反。因此使用以上簡(jiǎn)化模型進(jìn)行分析不能確定偏差的原因。

 

２．２建立疏水箱水位分析簡(jiǎn)化模型

與實(shí)際工況對(duì)比，以上簡(jiǎn)化模型未將連通管內(nèi)流體的流動(dòng)損失納入計(jì)算，得到了與實(shí)際情況相反的結(jié)果，因此應(yīng)將連通管流動(dòng)損失納入實(shí)際簡(jiǎn)化模型（見(jiàn)圖３）。并做如下假設(shè)：

（１）取機(jī)組某一負(fù)荷穩(wěn)態(tài)工況，疏水箱內(nèi)水位保持恒定為Ｈ，測(cè)量筒內(nèi)水位保持恒定為ｈ。

（２）疏水箱內(nèi)水和蒸汽為飽和狀態(tài)，壓力為Ｐ１，測(cè)量筒內(nèi)水和蒸汽為飽和狀態(tài)，壓力為Ｐ３；Ｐ１＞Ｐ３。

（３）汽側(cè)連通管內(nèi)蒸汽流速為ｕＷ，兩端為截面Ａ和截面Ｃ，高度相等；水側(cè)連通管內(nèi)水流速度為ｕＷ兩端為截面Ｂ和截面Ｄ，高度相等。

（４）汽側(cè)與水側(cè)連通管長(zhǎng)度相等，為Ｌ＝１．５ｍ。根據(jù)實(shí)際情況，汽側(cè)與水側(cè)隔離閥均為截止閥，彎頭均為９０°標(biāo)準(zhǔn)彎頭；汽側(cè)與水側(cè)連通管是同種類型，汽側(cè)和水側(cè)連通管直徑均為ｄ＝２５ｍｍ，截面積為Ａ。

２．３測(cè)量筒水位ｈ與疏水箱水位Ｈ的關(guān)系

對(duì)于水在水側(cè)連通管內(nèi)的流動(dòng)，水只受到重力作用，所管內(nèi)水的流動(dòng)可視為定常運(yùn)動(dòng)。截面Ｂ和截面Ｄ截面積相等，水為粘性不可壓縮流體。根據(jù)實(shí)際流體的伯努利方程可得：

其中ｈｗ為水在水側(cè)連通管內(nèi)流動(dòng)的各項(xiàng)水頭損失之和［３］。

對(duì)于蒸汽在汽側(cè)連通管內(nèi)的流動(dòng)，由于管壁外側(cè)有保溫層，且管道長(zhǎng)度較短，近似視為絕熱流動(dòng)，截面Ａ與截面Ｃ水蒸氣的焓值不變。由于截面Ａ和截面Ｃ，截面積相等，水蒸氣的流動(dòng)可近似視為不可壓縮氣體的絕熱流動(dòng)，因此，實(shí)際流體的伯努利方程仍然成立，對(duì)于截面Ａ和截面Ｃ可得到：

由（４）式可以看出，造成連通管水位測(cè)量值偏高的因素為水側(cè)管道的流阻和汽側(cè)管道的流阻。

 

３測(cè)量偏差的主要因素

３．１將ｈＷ和ｈＳ展開(kāi)

對(duì)于水側(cè)管道內(nèi)流體的流動(dòng)損失，ｈｗ包含水在水側(cè)連通管流動(dòng)的管道沿程損失ｈＷ４、彎頭局部損失ｈＷ５、閥門局部損失ｈＷ６。根據(jù)達(dá)西公式有：

其中λＷ、ξＷ５、ξＷ６分別為水在管道內(nèi)流動(dòng)的沿程阻力系數(shù)、彎頭阻力系數(shù)、閥門阻力系數(shù)［４］。

對(duì)于汽側(cè)管道流動(dòng)損失，ｈＳ包含蒸汽在汽側(cè)連通管流動(dòng)的管道沿程損失ｈＳ１、彎頭局部損失ｈＳ２、閥門局部損失ｈＳ３。根據(jù)達(dá)西公式有：

其中λＳ、ξＳ２、ξＳ３、分別為蒸汽在管道內(nèi)流動(dòng)的沿程阻力系數(shù)、彎頭阻力系數(shù)、閥門阻力系數(shù)。

《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范》給出了前蘇聯(lián)、德國(guó)、美國(guó)三個(gè)國(guó)家對(duì)于管道元件能量損失計(jì)算的推薦標(biāo)準(zhǔn)，為了量化ｈｗ與ｈＳ的關(guān)系，在此選取美國(guó)推薦標(biāo)準(zhǔn)確定ξＷｉ與ξＳｉ的數(shù)值。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定各種管道附件的阻力系數(shù)采用ξ＝Ｌｄλ表示，Ｌｄ為管件的當(dāng)量長(zhǎng)度，λ是與管件連接管線的沿程摩擦阻力系數(shù)［５，６］）。

其中ＲｅＷ、ＲｅＳ分別為水側(cè)流體流動(dòng)的雷諾數(shù)和汽側(cè)流體流動(dòng)的雷諾數(shù)，νＷ、νＳ分別為水側(cè)流體的運(yùn)動(dòng)粘度和汽側(cè)流體的運(yùn)動(dòng)粘度。

由（７）～（１１）可得到：

其中νＳ、ν２分別為飽和蒸汽與飽和水的運(yùn)動(dòng)粘度。

由于該疏水箱運(yùn)行溫度不大于２８０℃，根據(jù)

１００℃～２８０℃飽和蒸汽與飽和水運(yùn)動(dòng)粘度的比值曲線（圖４）：

 

 

由以上假設(shè)可得到如下結(jié)論：當(dāng)連通管內(nèi)流體均處于層流區(qū)時(shí)，汽側(cè)的流動(dòng)損失小于水側(cè)流動(dòng)損失的２０．１％，即水側(cè)流動(dòng)損失是水位測(cè)量偏差的主要因素。

３．３假設(shè)水側(cè)和汽側(cè)均處在紊流光滑區(qū)

假設(shè)水側(cè)和汽側(cè)連通管內(nèi)的流動(dòng)都處于紊流

光滑區(qū)，根據(jù)布拉修斯經(jīng)驗(yàn)公式，有：

由以上假設(shè)可得到如下結(jié)論：當(dāng)連通管內(nèi)流體均處于紊流光滑區(qū)時(shí)，水側(cè)的流動(dòng)損失小于汽側(cè)流動(dòng)損失的１５．８％，即汽側(cè)流動(dòng)損失是水位測(cè)量偏差的主要因素。

３．４假設(shè)水側(cè)和汽側(cè)均處在紊流粗糙區(qū)

假設(shè)水側(cè)和汽側(cè)連通管內(nèi)的流動(dòng)都處于紊流粗糙區(qū)，根據(jù)希弗林松經(jīng)驗(yàn)公式，λ與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)，僅與管道的當(dāng)量粗糙度ｋｓ和直徑有關(guān)，

由以上假設(shè)可得到如下結(jié)論：當(dāng)連通管內(nèi)流體均處于紊流粗糙區(qū)時(shí)，汽側(cè)的流動(dòng)損失大于水側(cè)流動(dòng)損失的２２．６１倍，即汽側(cè)流動(dòng)損失占據(jù)主導(dǎo)地位，占比超過(guò)９５．８％。

３．５對(duì)各項(xiàng)損失系數(shù)進(jìn)行分析

將ｄ＝２５ｍｍ，Ｌ＝１．５ｍ帶入由（７）、（８），得到表１。

３．６對(duì)于影響測(cè)量偏差的因素

根據(jù)層流區(qū)，紊流光滑區(qū)，紊流粗糙區(qū)的對(duì)比，損失系數(shù)的對(duì)比以及流體力學(xué)一般原理，得到以下結(jié)論：

（１）連通管內(nèi)流體的流動(dòng)損失與流速的平方成正比。

（２）在層流區(qū)，水側(cè)管道內(nèi)的流動(dòng)損失是測(cè)量偏差的主要因素；

（３）隨著水側(cè)和汽側(cè)流速增加，汽側(cè)流動(dòng)損失所占比重逐漸增大，并zui終占據(jù)主導(dǎo)地位；

（４）不論在水側(cè)還是汽側(cè)，閥門損失均為流動(dòng)損失的主要因素。

４優(yōu)化措施與驗(yàn)證

４．１減小連通管內(nèi)流體的流速

由熱力學(xué)原理可知ｕＳ的大小取決于Ｐ１與Ｐ３的差值，而Ｐ１與Ｐ３產(chǎn)生差值的原因?yàn)檫B通管側(cè)的散熱。因此減小連通管內(nèi)流速的關(guān)鍵在于減小連通管及測(cè)量筒的散熱，應(yīng)適當(dāng)增加連通管和測(cè)量筒的保溫厚度，并將閥門、支架處進(jìn)行嚴(yán)密保溫。

４．２減小連通管內(nèi)流體的損失系數(shù)

在層流區(qū)，水側(cè)閥門為管路阻力的主要因素。因此在保溫良好的情況下，至少應(yīng)將水側(cè)截止閥更換為阻力系數(shù)更小的閥門，如球閥（３λ）、旋塞閥（１８λ）、閘閥（８λ）等。

如果具備條件，應(yīng)盡可能將汽側(cè)連通管閥門更換為阻力系數(shù)更小的閥門；

另外，減少連通管彎頭的使用量，或使用彎管代替彎頭也能減小連通管的損失系數(shù)。

４．３實(shí)踐驗(yàn)證

該機(jī)組在１００％負(fù)荷時(shí)，連通管水位計(jì)測(cè)量值已接近滿量程，偏差問(wèn)題十分嚴(yán)重。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，連通管和測(cè)量筒保溫較差，連通管存在Ｚ型布置，彎頭使用較多。因此為避免多次施工，采取了多種優(yōu)化措施。具體措施如下：

（１）增加保溫厚度至１００ｍｍ，閥門和支架處制作鋁制外殼，改進(jìn)保溫工藝，確保保溫良好；

（２）連通管水側(cè)和汽側(cè)截止閥均更換為球閥；

（３）連通管重新施工，去除彎頭，全部使用小于等于９０°彎管替代，并使連通管具備一定斜度。采取以上措施后，該機(jī)組從０到１００％負(fù)荷任一功率平臺(tái)，汽水分離再熱器疏水箱內(nèi)置水位計(jì)與外置水位計(jì)測(cè)量偏差均在１０％以內(nèi)，完全滿足機(jī)組運(yùn)行要求，在此基礎(chǔ)上順利完成了各項(xiàng)瞬態(tài)試驗(yàn)。

 

５結(jié)論與應(yīng)用

根據(jù)分析結(jié)果及實(shí)踐驗(yàn)證，針對(duì)核電廠磁性翻板液位計(jì)測(cè)量值偏大問(wèn)題，得到以下處理原則：

（１）首先，必須確保連通管及測(cè)量筒保溫良好；

（２）其次，必須盡可能減小水側(cè)連通管流體的流動(dòng)損失，例如使用球閥、閘閥作為隔離閥，使用彎管代替彎頭，盡可能減小管道長(zhǎng)度等；

（３）zui后，在條件允許情況下，可將汽側(cè)連通管的閥門和管道按照水側(cè)進(jìn)行優(yōu)化。

以上原則對(duì)于熱態(tài)工況下連通管式水位測(cè)量值偏大問(wèn)題具有普遍適用性。國(guó)內(nèi)某ＥＰＲ核電機(jī)組汽水分離再熱器系統(tǒng)磁性翻板液位計(jì)也曾出現(xiàn)測(cè)量值偏大的情況。根據(jù)以上原則，在確認(rèn)該水位計(jì)保溫良好，連通管安裝工藝良好的情況下，將水側(cè)截止閥改為閘閥后，測(cè)量值偏差大問(wèn)題得到解決。