氟气流量测量装置的设计制造及应用①

2018-07-11，，,，

中国核电 2018年2期

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(中核四0四有限公司,甘肃　兰州　732850)

氟气流量是核燃料循环中相关产品生产的一个重要参数，在生产工艺流程中氟气流量的准确测量，不仅影响产品质量而且可避免氟气的浪费。本文根据实际生产需要自主设计了氟气流量测量装置，并委托美国TI公司生产样机,在技术性能指标满足要求后应用于实际生产。

1　流量测控装置的结构

氟气流量测控装置由氟气流量计、气动薄膜调节阀、氟气罐、电磁阀和DCS系统等组成；DCS系统硬件由ABB公司AC800F控制器[3]、现场I/O卡件、工程师站，软件由Control Build F软件和DigVis软件组成，装置结构如图1所示。

2　氟气流量测量装置核心部件的设计

该测量装置核心部件包括氟气流量计和气动薄膜调节阀。

图1　流量测量装置结构图Fig.1　The structure of the flow measurement device

2.1　氟气流量计

目前,广泛应用的流量计，大多数测量的是体积流量。由于温度、压力等环境条件都会在一定程度上影响流体的体积，当外在的温度、压力等环境条件改变时，需要对体积流量进行换算，但当温度、压力频繁变化时，进行及时换算很难实现。因此最佳选择质量流量计，本文利用质量流量计的原理自主研制氟气流量计。

2.1.1氟气流量计技术指标

根据工艺需求，制定技术指标，研制氟气流量计，技术指标如下：

1)质量流量的实时测量;

2)温度补偿功能，快速进行温度补偿;

3)数据的采集、处理、存储等功能;

4)该流量计采用量热式质量流量计工作原理，薄壁测量管采用蒙乃尔400合金或者哈氏合金，防止氟气将薄壁测量管腐蚀，造成氟气泄露，损坏传感器，影响测量精度;

5)该流量计测量范围[0,300]NL/h，精度1.0级，现场显示瞬时流量和累积流量，传输信号[4,20]mA,连接方式焊接;

6)该流量计采用氟气和氮气进行标定，提供氟气和氮气的标定数据曲线，并具有氟气和氮气流量测量的切换功能。主要目的，采用氟气标定后的流量计可以准确测量氟气流量的真实值，采用氮气标定，该流量计可以用于国内计量院校准，解决国内计量院没有氟气流量校准装置等问题;

7)将该流量计送至国内省级以上的检定部门进行校准，校准介质氮气，校准结果合格;

流量计研制：将以上技术要求提供给美国TI公司技术人员对参数进行确认，该公司承诺3个月以后样机可以生产完毕。

2.1.2氟气流量计测试

美国TI公司生产出样机型号 600/9-9500P氟气流量计，该流量计硬件电路采用单片机为核心，外部扩展存储模块，通信模块和I/O模块组成运算及控制电路，满足质量流量的实时测量以及实现数据的采集、处理、存储等功能；由技术手册[5]可知，该流量计传感器中薄壁测量管采用蒙乃尔400合金；测量范围[0,300]NL/h，精度1.0级，现场显示瞬时流量和累积流量值，传输信号[4,20]mA,连接方式焊接。

(1)用氟气和氮气进行标定及标定曲线

根据技术要求，分别采用氟气和氮气进行标定，并可以通过参数设定修改模式，此外提供标定曲线，标定曲线如图3。

图2　氟气标定曲线Fig.2　Calibration curve of fluorine gas

图3　氮气标定曲线Fig.3　Calibration curve of nitrogen

曲线分析：氟气比热容Cp=827.67 J/(kg·K),氮气比热容Cp=1038 J/(kg·K),根据流量计算公式[4]可知，相同流量下，比热容与平均温度成正比，比热容越大对应电压值就越大，由氟气和氮气标定曲线可知理论分析和厂家提供数据曲线吻合。

(2)热氟气流量计校准

根据技术要求，将型号 600/9-9500P氟气流量计送至省级以上计量院进行校准，量程[0,300]NL/h精度等级1.0级。校准结果如表1。

表1　校准结果记录表Table 1　Calibration results

根据型号600/9—9500P流量计合格证提供信息得知，该流量计的最大引用误差±1.0%，最大相对误差是±2.0%,由校准数据可知相对误差和引用误差都在要求范围之内，因此该流量计是合格的。

(3)温度补偿测试

在上章节中提到，新定制样机具有温度补偿功能。根据型号600/9-9500P说明书可知，该流量计采用的是数字化温度补偿法，该方法采用恒流法测量电路，将温度信号转换成电流信号，通过高精度的AD转换电路，将电流信号转换成数字信号送入单片机，通过补偿算法进行补偿。该方法通过算法进行温度补偿，避免了模拟电路的固有问题，提高了补偿精度。

将新定制的流量计安装在温度波动引起误差测试平台中，按照测试方法进行测试，取100 NL/h作为观测点，每个观测点进行6次重复性测量，不确定度评定符合A类评定[6]，结果如表2。

表2　重复性实验数据表Table 2　Repetitive experimental data

则温度波动引入标准不确定度U(Ts)= 0.41 NL/h，其自由度24。

当置信水平为95%时，自由度为23，查t分布表得包含因子k=1.714其扩展标准不确定U(T)=U(Ts)×k=0.7 NL/h。

2.2　气动薄膜调节阀

在生产线中，调节阀流量系数选择不合适，造成调节阀震荡大降低了控制精度，降低氟气的利用率。

(1)调节阀流量系数的定义及计算公式

我国当前的商务英语教学模式中的教学观念还没有彻底的改变，依然沿用着传统的教学观念。传统的教学观念下的主要授课形式为“老师讲、学生听和写”的授课模式，这样的授课形式虽然可以在较短的时间内传授更多的理论知识，对于学生通过考试有很大的帮助，但也造成了现在的学生中普遍存在的听不懂别人的口语、也说不出来的现象[2]。根据一些实际调查的结果，大多数的学生认为现在的商务英语教学还是传统的教学模式，虽然有的老师改变了原有的教学观念，实行“以学生为主“的教学观念，但是取得的效果并不理想。

调节阀的流量系数，是调节阀的重要参数，它反映调节阀通过流体的能力，也就是调节阀的容量[7]。流量系数分为，英制单位CV和国际单位KV，CV为英制单位的流量系数，其换算关系：CV≈1.16KV。

通过查阅资料[8]，气体(压力小于10MPa)流量系数的计算公式如下：

当P2>0.5P1时:

(1)

当P2≤0.5P1时:

(2)

式中：KV——流量系数;

P1——阀入口绝对压力kPa;

P2——阀出口绝对压力kPa;

Qg——气体最大流量Nm3/h;

G——气体比重(氟气=1.31);

t——气体温度℃。