內(nèi)置換料水箱液位變送器選型研究與優(yōu)化

內(nèi)置換料水箱（ＩＲＷＳＴ）液位儀表用于在正常運(yùn)行和事故工況下連續(xù)監(jiān)測(cè)，提供#高和#低水位報(bào)警和顯示，上海上自儀公司為操作員提供操作依據(jù)。文章通原理、性能、可維護(hù)性等方面進(jìn)行比較，提出了選型建議和改進(jìn)建議，為后續(xù)華龍一號(hào)工程內(nèi)置換料水箱（ＩＲＷＳＴ）液位儀表選型和改進(jìn)提供了借鑒

概述

華龍一號(hào)內(nèi)置換料水箱（ＩＲＷＳＴ）為混凝土結(jié)構(gòu)并覆有不銹鋼襯里，是安全殼結(jié)構(gòu)的一部分，ＩＲＷＳＴ里含硼水與安注箱內(nèi)的含硼水一樣的硼濃度ｍｇ／Ｌ且≤２５００ｍｇ／Ｌ），ＩＲＷＳＴ能提供足夠的含硼水，在異常運(yùn)行工況下，向化學(xué)和容積控制系統(tǒng)（ＲＣＶ）提供含硼水；在換料冷停堆期間，用于為反應(yīng)堆換料水池、堆內(nèi)構(gòu)件儲(chǔ)存池和燃料轉(zhuǎn)運(yùn)艙充水，以完成換料操?zèng)r下，ＩＲＷＳＴ作為安全級(jí)的設(shè)備，可為安注系統(tǒng)（ＲＳＩ）和安全殼噴淋系統(tǒng)（ＣＳＰ）提供安全水源。

ＩＲＷＳＴ配備兩個(gè)寬量程（０～３．８ｍ）和兩個(gè)窄量程（２．２～３ｍ）連續(xù)液位測(cè)量通道。寬量程ＲＳＩ００４ＭＮ和ＲＳＩ００５ＭＮ用于在正工況下連續(xù)監(jiān)測(cè)ＩＲＷＳＴ水位。窄量程ＲＳＩ００１ＭＮ和ＲＳＩ００２ＭＮ用于在正常運(yùn)行工況下監(jiān)視ＩＲＷＳＴ水位是否在運(yùn)行規(guī)范要求的范圍內(nèi)２．６３ｍ時(shí)，觸發(fā)低水位報(bào)警提示操作員ＩＲＷＳＴ需要補(bǔ)水；水位高于２．７３ｍ時(shí)，觸發(fā)高液位報(bào)警提示操作員注意可能有其他水源進(jìn)入。這些傳Ｓ系統(tǒng)向操作員提供高、低水位報(bào)警和模擬量液位顯示。２當(dāng)前工程現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

２．１現(xiàn)狀分析

華龍一號(hào)全球shou堆福清核電５號(hào)機(jī)組ＩＲＷＳＴ液位變送器選型：窄量程選用浮筒式液位變送器；寬量程選用Ｋ１級(jí)的正壓密封件，采用毛細(xì)管導(dǎo)壓的遠(yuǎn)傳法蘭差壓式變送器。

浮筒式液位變送器應(yīng)用的是阿基米德原理，即“浸入液體中的物體所承受的浮力等于它所排開的液體的重量”，公式為Ｆ＝ρ１ｇｈ－ρ２ｇ（Ｌ－ｈ）。

浮筒式液位變送器使用彈簧連接浮筒，則該浮力可看作掛在彈簧下面的浮筒元件重量的有效減輕量，即彈簧拉伸Ｆ。因此當(dāng)液位改變時(shí)，浸入液體中的浮筒體積變化，浮筒受到的浮力相應(yīng)改變，導(dǎo)致彈簧收縮或拉伸，從而帶動(dòng)壓力管內(nèi)的鐵芯做線性垂直運(yùn)動(dòng)當(dāng)可變差動(dòng)變壓器）中鐵芯的位置隨著液位變化而變化時(shí)，ＬＶＤＴ中兩個(gè)次級(jí)線圈的電壓差信號(hào)與鐵芯的位移成正比，電壓差信號(hào)反饋至微處理器控制的號(hào)經(jīng)過(guò)電路處理并轉(zhuǎn)換為ＤＣ４～２０ｍＡ的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。

遠(yuǎn)傳法蘭差壓變送器安裝情況如圖２所示。浮筒式液位變送器通過(guò)法蘭安裝方式安裝于ＩＲＷＳＴ上層環(huán)廊地面位置，在法蘭下方的ＩＲＷＳＴ內(nèi)部，安空心的不銹鋼管作為液位變送器保護(hù)罩，以減輕液面波動(dòng)對(duì)浮筒式液位變送器浮筒造成的影響。遠(yuǎn)傳法蘭差壓變送器配有５ｍ長(zhǎng)毛細(xì)管的遠(yuǎn)傳隔離膜片，沿不銹裝儀表管支架。變送器本體和低壓側(cè)隔離膜片安裝在ＩＲＷＳＴ上層環(huán)廊中，帶有５ｍ長(zhǎng)毛細(xì)管導(dǎo)壓的高壓側(cè)投入式隔離膜片安裝在焊接于ＩＲＷＳＴ底高壓側(cè)和低壓側(cè)分別測(cè)量ＩＲＷＳＴ內(nèi)液位的靜壓力和上層環(huán)廊空氣壓力（代替ＩＲＷＳＴ內(nèi)上部空間氣體壓力），通過(guò)高低壓側(cè)的壓力差值轉(zhuǎn)換計(jì)算Ｔ內(nèi)的液位高度。

２．２存在問(wèn)題

２．２．１浮筒式液位變送器

（１）誤差分析。

根據(jù)技術(shù)規(guī)格書的設(shè)計(jì)輸入，ＩＲＷＳＴ中的硼濃度≥２３００ｍｇ／Ｌ的含硼水設(shè)計(jì)壓力０．５２ＭＰａ（ａ），設(shè)計(jì)溫度１５６℃，設(shè)計(jì)參數(shù)為在事數(shù)，而正常工況工作壓力０．１ＭＰａ（ａ），工作溫度１５～５５℃。由上可知兩種不同工況ＩＲＷＳＴ中含硼水參數(shù)差別大，從而圖１中的ρ１和ρ下差距大，而且實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，參數(shù)是經(jīng)常改變的，所以ρ１、ρ２是隨工況變化而變化的，測(cè)量結(jié)果與浮力Ｆ＝ρ１ｇｈ－ρ２ｇ（Ｌ－ｈ）直接相關(guān)設(shè)計(jì)工況或者正常工況的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，只要實(shí)際參數(shù)與設(shè)置參數(shù)有偏差，就會(huì)產(chǎn)生誤差?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，按事故工況設(shè)置，則在正常工況下測(cè)量誤差６～０．１２２ｍ（現(xiàn)場(chǎng)介質(zhì)溫度不同時(shí)，導(dǎo)致的誤差不同）；反之，按照溫度５５℃，壓力０．１ＭＰａ（ａ）的工況設(shè)置，則在事故工況下誤差為０右。同理可知，在實(shí)際運(yùn)行工況中，偏差也是一直存在的，且偏差大小是隨工況的變化而變化的。

調(diào)試安裝時(shí)，從實(shí)驗(yàn)室將液位計(jì)搬運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)安裝后發(fā)現(xiàn)零點(diǎn)已發(fā)生偏移，經(jīng)分析，可能有兩方面原因：一是檢驗(yàn)后浮筒上仍有液體附著，導(dǎo)致浮筒重力加值顯示偏??；二是搬運(yùn)過(guò)程和安裝過(guò)程中的振動(dòng)導(dǎo)致浮筒液位變送器機(jī)械連接部件或彈簧發(fā)生變化，導(dǎo)致發(fā)生零點(diǎn)偏移。

在正常使用中，介質(zhì)附著于浮筒上、液面波動(dòng)導(dǎo)致浮筒振動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間使用導(dǎo)致彈簧發(fā)生細(xì)微形變等方面的原因也將在一定程度上導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生偏差。

（２）誤差影響。

根據(jù)安全注入系統(tǒng)報(bào)警手冊(cè)中的要求，窄量程水位測(cè)點(diǎn)００１ＭＮ／００２ＭＮ分別通過(guò)邏輯判斷形成ＩＲＷＳＴ水位高報(bào)警和ＩＲＷＳＴ水位低報(bào)警。報(bào)警，操作員需根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)和其他參數(shù)判斷反應(yīng)堆安全殼內(nèi)是否存在不明泄漏，如果有額外的水流入（例如：帶有放射性的廢水流入反應(yīng)堆廠房環(huán)路并通過(guò)安注或安噴系統(tǒng)泵吸入管道上的疏排管線進(jìn)行排水；觸發(fā)水位低報(bào)警時(shí)，如果無(wú)安注信號(hào)，并且不是在換料操作過(guò)程中，則可能是ＩＲＷＳＴ安注或安噴系統(tǒng)吸水管道或閥門泄漏導(dǎo)致的。操作員需通過(guò)ＲＢＭ系統(tǒng)為ＩＲＷＳＴ補(bǔ)水、檢查ＩＲＷＳＴ鋼覆面泄漏監(jiān)測(cè)地坑液位以驗(yàn)證是否為鋼覆面全廠房ＲＶＤ地坑液位以驗(yàn)證是否為安注或安噴系統(tǒng)管道或閥門泄漏，并根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果采取必要的隔離措施。

所以，當(dāng)存在測(cè)量誤差時(shí)，將大概率誤觸發(fā)水位高、低報(bào)警或者導(dǎo)致實(shí)際水位持續(xù)處于偏高或偏低狀態(tài)，影響操作員做出正常判斷和操作，從而影響機(jī)組行。

２．２．２遠(yuǎn)傳法蘭差壓變送器

遠(yuǎn)傳法蘭差壓變送器采用差壓原理進(jìn)行液位測(cè)量，通過(guò)測(cè)出的差壓值來(lái)計(jì)算液位高度，根據(jù)當(dāng)前設(shè)計(jì)，在計(jì)取事故工況下的密度，但實(shí)際運(yùn)行工況與事故工況相差大，且處于變化狀態(tài)，所以設(shè)計(jì)上存在計(jì)算偏差。

寬量程水位是事故后監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ＰＡＭＳ）的組成部分，根據(jù)機(jī)組運(yùn)行技術(shù)規(guī)格書和ＱＳＲ定期試驗(yàn)監(jiān)督大綱要求，操作員需８ｈ進(jìn)行一次液位一致性檢需每１個(gè)換料周期進(jìn)行一次零點(diǎn)檢查、每８?jìng)€(gè)換料周期進(jìn)行一次校驗(yàn)。遠(yuǎn)傳法蘭差壓變送器高壓側(cè)投入式隔離膜片安裝在焊接于ＩＲＷＳＴ底部的支架上零點(diǎn)檢查或校驗(yàn)儀表，則必須將ＩＲＷＳＴ排空，進(jìn)入ＩＲＷＳＴ進(jìn)行工作。ＩＲＷＳＴ總?cè)莘e約２４００ｍ３，正常容積為２２２５～２３１０ｍ３里面存儲(chǔ)的液體為硼濃度≥２３００ｍｇ／Ｌ的含硼除鹽除氧含碳水，當(dāng)前并無(wú)可以存放如此大容積放射性液體的容器；ＩＲＷＳＴ為安全設(shè)計(jì)，水箱排空存在安全隱患，對(duì)于核電廠的排放指標(biāo)也會(huì)有較大護(hù)人員進(jìn)入ＩＲＷＳＴ密閉空間進(jìn)行工作極為困難，且需要核清潔人員進(jìn)行去污，不利于核電廠職業(yè)照射劑量的控制，同時(shí)工作過(guò)程也存在較大的引入異期間排空水會(huì)帶來(lái)額外工期影響。

３后續(xù)工程改進(jìn)

通過(guò)上述的分析可知，窄量程選用浮筒式液位變送器將導(dǎo)致較大的測(cè)量偏差，而寬量程選用毛細(xì)管導(dǎo)壓的遠(yuǎn)傳法蘭差壓式變送器，存在計(jì)算偏差且后續(xù)執(zhí)校驗(yàn)存在較大困難。所以在漳州核電廠１、２號(hào)機(jī)組工程采購(gòu)中，通過(guò)提出華龍?jiān)O(shè)計(jì)優(yōu)化項(xiàng)，已將窄量程液位計(jì)選型改為導(dǎo)波雷達(dá)液位變送器，而寬量程研發(fā)安全級(jí)為１Ｅ，鑒定等級(jí)為Ｋ１且滿足抗震Ｉ類要求的導(dǎo)波雷達(dá)液位變送器進(jìn)行替換，安全級(jí)導(dǎo)波雷達(dá)液位變送器需采用分體安裝，且由于寬量程長(zhǎng)安裝空間受到限制，需要考慮導(dǎo)波桿的分段可折疊、分段安裝和分段拆卸或采用導(dǎo)波纜的形式。

導(dǎo)波雷達(dá)液位變送器是基于電磁波的時(shí)域反射原理為基礎(chǔ)的雷達(dá)液位計(jì)，液位變送器的電磁波發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)沿探桿向下傳播的電磁脈沖波，當(dāng)電磁脈沖傳導(dǎo)介質(zhì)（比如空氣）介電常數(shù)大的液面時(shí)，電磁脈沖波會(huì)被反射形成回波并沿相同路徑返回到脈沖發(fā)射裝置。發(fā)射裝置與被測(cè)介質(zhì)表面的距離同脈沖在間成正比，通過(guò)很高速計(jì)時(shí)電路計(jì)算脈沖從發(fā)射到反射的時(shí)間差，即可計(jì)算得出液位高度。

根據(jù)工作原理和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)波雷達(dá)變送器具有如下優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)波雷達(dá)液位變送器的測(cè)量不受介質(zhì)變化、溫度變化、惰性氣體及蒸汽、粉塵、泡沫等的度高，穩(wěn)定性強(qiáng)；可以使用螺紋和法蘭連接安裝，拆裝方便，有利于現(xiàn)場(chǎng)的安裝與檢修維護(hù)；儀表校驗(yàn)簡(jiǎn)單，在現(xiàn)場(chǎng)即可完成零點(diǎn)檢查和校驗(yàn)工作，同時(shí)便于操作；沒(méi)有會(huì)被磨損和破壞的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件；檢修維護(hù)量小，節(jié)約了生產(chǎn)成本和維護(hù)成本［１］。

在安裝方面，導(dǎo)波雷達(dá)液位變送器一般情況下可以用法蘭或螺紋連接安裝到容器頂部，探桿方向要與測(cè)量介質(zhì)液面垂直，與測(cè)量筒壁需要保持一定的距離條件與００１ＭＮ／００２ＭＮ原設(shè)計(jì)的基本一致，因此福清核電５／６號(hào)機(jī)組項(xiàng)目也可以考慮通過(guò)換型進(jìn)行優(yōu)化。而寬量程的遠(yuǎn)傳法蘭差壓變送器安裝同，換型后采用分體安裝設(shè)計(jì)，需考慮增加導(dǎo)波桿或?qū)Р娎|的安裝法蘭及保護(hù)罩等設(shè)計(jì)，貫穿件及一次元件到貫穿件電纜路徑等設(shè)計(jì)修改，根據(jù)需求對(duì)圖做出相應(yīng)的修訂。

４福清項(xiàng)目寬量程遠(yuǎn)傳法蘭差壓變送器改進(jìn)方案

　　福清項(xiàng)目寬量程遠(yuǎn)傳法蘭差壓變送器若通過(guò)換型改造，變更為導(dǎo)波雷達(dá)液位變送器存在以下問(wèn)題：改為分體式安裝的導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)，需要做增加貫件到貫穿件電纜路徑等設(shè)計(jì)改變；原用于穿法蘭和毛細(xì)管的孔洞無(wú)法滿足導(dǎo)波雷達(dá)液位變送器的需求，需重新安裝法蘭及保護(hù)罩等。

遠(yuǎn)傳法蘭差壓變送器主要問(wèn)題有：?jiǎn)栴}一，當(dāng)前設(shè)計(jì)，在計(jì)算過(guò)程中液體密度取事故工況下的密度，產(chǎn)生計(jì)算偏差；問(wèn)題二，高壓側(cè)投入式隔離膜片安裝ＷＳＴ底部的支架上，導(dǎo)致進(jìn)行零點(diǎn)檢查或校驗(yàn)時(shí)存在較大困難。根據(jù)介質(zhì)溫度壓力與密度的關(guān)系，在液位計(jì)算過(guò)程中采用隨工況變化而變化的真實(shí)密度題一；問(wèn)題二則可通過(guò)改變安裝方式，將原焊接在ＩＲＷＳＴ底部的支架改進(jìn)為可移動(dòng)的支架來(lái)解決。

在ＩＲＷＳＴ墻上固定好導(dǎo)軌，將高壓側(cè)投入式隔離膜片的安裝支架固定在滑塊上，在滑塊上設(shè)置有升降環(huán)，在安裝好高壓側(cè)投入后，在升降環(huán)上固定好足夠長(zhǎng)（＞４ｍ）的鏈條。通過(guò)鏈條將滑塊緩慢地沿著導(dǎo)軌下放，在每下放半米左右距離時(shí)，使用不銹鋼抱箍將毛細(xì)管固定在鏈條到ＩＲＷ－ＳＴ底部為止，將鏈條的另一端固定在上一層環(huán)廊導(dǎo)軌處，用于將位于隔離膜片的從ＩＲＷＳＴ底部提升到上一層環(huán)廊。通過(guò)這樣的安裝方式零點(diǎn)檢查或校驗(yàn)極其困難的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)在不排空ＩＲＷＳＴ的情況下完成零點(diǎn)檢查或校驗(yàn)工作，避免排空水箱帶來(lái)的安全隱患，減去人員由于進(jìn)入ＩＲＷ工作帶來(lái)的輻射劑量，同時(shí)也避免了ＩＲＷＳＴ引入異物的風(fēng)險(xiǎn)以及排空水帶來(lái)額外的制水成本和工期影響。通過(guò)改進(jìn)安裝方式，節(jié)約了運(yùn)維成本并大大性。

５結(jié)語(yǔ)

ＩＲＷＳＴ在不同工況下，介質(zhì)的溫度壓力變化較大，不適宜采用基于阿基米德原理的浮筒式液位變送器；導(dǎo)波雷達(dá)液位變送器在ＩＲＷＳＴ液位測(cè)量上變化影響、拆裝方便、易調(diào)試校驗(yàn)、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；遠(yuǎn)傳法蘭差壓變送器通過(guò)計(jì)算過(guò)程優(yōu)化和改進(jìn)安裝方式同樣可以滿足寬量程測(cè)量及維護(hù)需求。上海上自儀公司通過(guò)今后項(xiàng)目ＩＲＷＳＴ的液位儀表選型起到一定的指導(dǎo)意義。