Измерение расхода питательной воды

В последнее время все острее встает вопрос о повышении надежности работы атомных станций.

Европейский проект метрологических исследований (ЕПМИ) и совместный исследовательский проект (СИП) ENG06 «Метрология для повышения эффективности электростанции» фокусируются на метрологических исследованиях, направленных на снижение неопределенности измерения важных параметров управления электростанциями.

Преобладающим методом управления выходной электрической мощностью является изменение расхода питательной воды через активную зону реактора, контролируемого расходомером питательной воды. Следовательно, целью данной задачи является снижение неопределенности измерений расхода на электростанциях и распределительных сетях тепловой энергии с 2% до 0,5%.

Задача снижения неопределенности расчета мощности ядерного реактора АЭС является актуальной в связи с возможностью повышения мощности реактора на несколько процентов при сохранении вероятности безопасной работы. Поскольку расчет тепловой мощности ядерного реактора проводят по тепловому контуру, в котором вырабатывается водяной пар, проблема снижения неопределенности расчета мощности сводится к погрешности определения массового расхода питательной воды в контуре.

Штатными средствами измерения расхода питательной воды являются расходомеры, работающие на методе переменного перепада давления, на стандартных сужающих устройствах. В рабочих условиях измерения относительная погрешность определения массового расхода питательной воды может составлять 3% и более в достаточно узком динамическом диапазоне измерения. Поэтому обеспечение снижения указанной погрешности до уровня 0,5 % приводит к значимому экономическому эффекту.

Для достижения этой цели привлекаются новые разработки, в том числе контрольно-измерительные приборы последнего поколения. Один из таких приборов – ультразвуковой расходомер KROHNE Altosonic XI.

Расходомер

Altosonic XI - это новый ультразвуковой расходомер от KROHNE. Он имеет одиннадцать лучей измерения, что обеспечивает лучшую независимость от распределения скорости. Чувствительность многолучевых УЗР к возмущениям скорости уменьшается с увеличением количества используемых лучей измерения. Если много преобразователей установлено в линию, это влияет на распределение скорости в корпусе измерителя, что приводит к систематическим воздействиям. Рисунок 1 отображает внутреннюю геометрию измерительной секции. Внутренний диаметр трубы D = 102.2, мм, а карманы для датчиков имеют внутренний диаметр d = 14 мм.

Ультразвуковой раходомер KROHNE Altosonic XI. Расположение акустических каналов в параллельной плоскости позволяет компенсировать возмущения осевой скорости, а симметричное перекрестное расположение используется для уменьшения влияния компонентов завихрения

Измерительная система состоит из 4 основных компонентов:

  • Одного ультразвукового первичного преобразователя (UFS) + прямолинейный участок до и после;
  • Шести ультразвуковых вторичных преобразователей расхода (UFC);
  • Одного процессора ультразвукового расхода (UFP) (2 в редундантной версии);
  • Одного вычислителя расхода (FC) для расчета массового расхода, использующего данные датчиков температуры и давления

Первичный преобразователь состоит из 3 частей:

  • Ультразвуковой первичный преобразователь (UFS);
  • Входной прямой участок 10D (без выпрямителя потока)
  • Выходной участок 3D или 4D c 2-мя датчиками давления и 2-мя датчиками температуры

Отличительные особенности ультразвукового преобразователя расхода (UFS):

  • Толстостенная труба
  • Полнопроходной дизайн
  • Нержавеющая сталь (для предотвращения коррозии и изменения профиля потока из-за изменения шероховатости стенки трубы)
  • 11 измерительных каналов на 11 уровнях
  • 22 ультразвуковых сенсора
  • Конфигурация каналов крест-накрест

 

 

Ультразвуковой сенсор:

  • Цельнометаллическая конструкция
  • Без уплотнительного кольца
  • Возможна онлайн замена внутренней части преобразователя
  • Полностью сварные карманы, перекалибровка не требуется после замены
  • Высокотемпературное исполнение

Гарантированная точность:

  • Погрешность: +/-0,3% от измеренного расхода по массе
  • Многолучевая конфигурация обеспечивает точность независимо от конфигураций трубопроводов на восходящем потоке, которые могут обеспечить искаженный профиль потока
  • Более высокая точность позволяет осуществлять «восстановление неопределенности запаса» для увеличения показателей мощности
  • Доступен полный анализ неопределенности, поддерживаемый в практических тестах по каждому аспекту

Долговременная стабильность:

  • Отсутствие внутренних заступающих частей
  • Нет износа, нет разрыва
  • Состояние измерительного участка не меняется со временем
  • Длины лучей фиксированы
  • Стабильная геометрическая конструкция
  • Гладкая поверхность, без образования накипи
  • Отсутствие изменения погрешности со временем
  • Даже при изменении в свойствах продукта

Примеры применений

1. АЭС в Европе

В 2014 г. KROHNE поставили расходомеры Altosonic XI питательной воды.

Измерительная система состоит из двух 11-лучевых ультразвуковых расходомеров с высокой надежностью и минимальной погрешностью измерения. Оба счетчика были установлены летом 2014 года и с тех пор находятся в эксплуатации. Номинальная погрешность измерения составляет всего несколько сотых процента. Это подтверждается как при заводской калибровке, так и статистическими эксплуатационными данными. Проблемой при работе с такими небольшими ошибками является отсутствие оборудования для проверки, и в этом случае ряд различных методов был объединен со статистическим подходом.

Расход питательной воды в ядерный реактор является частью системы безопасности. Усовершенствовав систему измерения питательной воды, чтобы лучше контролировать поток, АЭС может повысить безопасность за счет внедрения избыточных и разнообразных измерительных схем. В то же время меньшая (лучшая) погрешность измерения может позволить увеличить мощность и увеличить производительность. Высокая точность ультразвуковых расходомеров может быть использована для настройки существующих расходомеров Вентури на «нулевую ошибку» с помощью специальной процедуры калибровки. После этого во время работы обе системы измерителя будут контролировать друг друга, а ультразвуковые измерители будут действовать как сторожевое устройство, способное обнаруживать рабочие проблемы, такие как засорение или любой другой дрейф.

Каждый расходомер использует 22 ультразвуковых датчика, расположенных вокруг трубы. Датчики работают парами и размещаются в точных положениях и под определенными углами, так что ультразвуковые импульсы, проходящие между парами вверх и вниз по потоку, будут определять репрезентативную часть общего потока в трубе. Это приводит к тому, что расходомер практически нечувствителен к монтажному положению, прямым участкам трубопровода и профилю потока.

Тип установленных расходомеров: KROHNE Altosonic XI

  • Диаметр: DN450
  • Рабочее давление: 7,5 МПа
  • Рабочая температура: 218°C
  • Номинальный расход: 1060 кг/с

Cистема включает в себя также два вычислителя расхода KROHNE Summit 8800 для расчета массы в соответствии с требованиями Международной ассоциации свойств воды и пара (IAPWS).

Пуско-наладочные работы и текущая эксплуатация идет по плану, и сейчас, за годы накопленного опыта, cтатистические данные, собранные с измерительных систем, показывают, что данные приборы обладают высокой надежностью. Возмущающие воздействия от трубопроводов, работающих на площадке, были в откалиброванных диапазонах, а суммарная погрешность достаточно низкой, что позволяет нам утверждать о предельных значениях производимой электроэнергии на энергоблоке данной АЭС.

2. АЭС в Европе


4 x ALTOSONIC V для измерения расхода питательной воды

Общая погрешность: <0.25% объемного расхода

JSPM (AREVA NP): Испытательный центр для насосных агрегатов теплоносителя реактора в реальных условиях эксплуатации при значениях полного расхода

Испытания ALTOSONIC V:

ALTOSONIC V (DN1000 /40”) с волноводами из фольги, используемыми в качестве эталона

Проверка гидравлических характеристик вкл. поток, общий напор и т. д.

  • Параметры испытаний: 176 бар, 296 °C
  • Объемный расход: 18 000 до 39 000 м3/ч

Результаты

Линейность и повторяемость - отлично в пределах заявленной спецификации. Погрешность расходомера смещается после переустановки сенсоров на уровне 0,01%