核電特定場所中水位測量設備的選型分析與改進研究

張麗芹　邱建文　于宏偉

摘 要：在電力領域，水位測量和控制所采用的方式有：壓差式、電接點式、熱效應式、非接觸式等多種原理型式，通過對這四類水位計的測量原理、功能特性、誤差及缺陷等進行分析，并對核電廠中一些特定使用場所水位計的設備選型及適用改進措施提供一些建議，以保證核電運行的安全可靠性。

關鍵詞：水位測量 壓差式 電接點 電加熱式 核電廠

中圖分類號：TH816 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）005-037-02

1 引言

隨著測控技術的發(fā)展，在電力領域水位測量和控制所采用的方式有：壓差式、電接點式、熱效應式、非接觸式、吹氣式等多種原理型式，種類較多，往往令設備需求人員迷惑不解。由于缺乏對水位計原理特性的足夠了解，測量設備選用不當，在特殊情況下，還會引起嚴重事故，如水位計報出了“假水位”信號的美國三哩島核事故、某火力發(fā)電廠300MW機組發(fā)生“燒干鍋”事故等。

本文對行業(yè)領域常用水位計的測量原理、功能特性、誤差等進行深入分析，針對核電廠中一些特定使用場所，提出了水位計的設備選型及適用改進措施的一些建議，目前根據(jù)選型結果選擇改進的水位測量設備正在鑒定試驗中。

2 測量原理比較分析

2.1 壓差式液位計

2.2 電接點式

電接點式液位計利用水和氣導電性能的極大差異進行液位測量，測量的作用就是將水位變化經(jīng)電接點電阻的變化取得信號。在液態(tài)時由于介質電阻率小，當電接點間加上一電壓時，流過的電流大；反之，未浸入液面下的電接點流過電流小，將這兩種狀態(tài)下流過的不同電流作為一種信號饋送到二次儀表，經(jīng)放大后，顯示及控制輸出，從而實現(xiàn)了遠距離操控。由于結構原理簡單，其響應時間相對于其它類型的水位計，響應時間更快些，可在2ms內(nèi)輸出水位參數(shù)。

2.3 電加熱式

電加熱式液位測量傳感器主要由一個電加熱元件、一支熱電偶（阻）兩部分組合而成。運行時，給傳感器內(nèi)的加熱器元件通以直流恒流或恒壓電源加熱，待其穩(wěn)定后，測出其電勢值。由于發(fā)熱體在水中和蒸汽中的放熱系數(shù)差異顯著，使其在水中的溫度要遠低于在蒸汽中的溫度，此溫度的差異通過熱電偶（阻）轉換成電信號輸出。根據(jù)電信號的大小即可確定水位是在傳感器的下方或上方。液位上升時的響應時間約為4秒， 但液位下降時的響應時間較長，約為20s。由其測量原理可知，增加加熱功率有利于提高靈敏度。

2.4 非接觸式液位計

工業(yè)系統(tǒng)中常用的非接觸式液位計主要有超聲波及雷達液位計，他們的原理是通過檢測一束超聲聲能發(fā)射到液面并發(fā)射回來所需的時間來確定液體的液位。

3 特性比較分析

3.1 壓差式

3.1.1 功能特性

差壓式水位計準確測量水位的關鍵在于水位與差壓之間的準確轉換。差壓式水位計通過測量取樣管路形成有效差壓后，經(jīng)過計算得到水位值。

3.1.2 誤差

受工況壓力、溫度以及取樣管安裝方式的影響，差壓式水位計測量會存在一定的誤差， 如熱電鍋爐低負荷運行時， 汽包水位的準確性相對更差。由式1可以看出，差壓水位計測量誤差主要由不同溫度、濕度及壓力工況下被測液體的密度、環(huán)境壓力 pA兩者的變化引起，因此在環(huán)境出現(xiàn)溫濕度大幅變化情況下會產(chǎn)生較大的誤差。

（1）液體密度變化引起的誤差。

周圍環(huán)境升高，飽和蒸汽進入使用環(huán)境凝結成水。水溫從上到下逐漸降低，其值是一個隨環(huán)境壓力、導熱系數(shù)、放熱系數(shù)變化的變量，工程計算復雜、難度大，即很難確定容器或水池內(nèi)液體密度的具體數(shù)值，若仍然以常溫常壓下的液體密度 計算必然造成誤差大。

（2）飽和水、蒸汽密度引起的誤差。

不同溫度、濕度及壓力工況下環(huán)境內(nèi)飽和水的密度及飽和蒸汽的密度是變化的，因此會引起的壓力 pA的變化。

（3）測量裝置安裝取樣誤差。

測量裝置取樣及安裝不合理必然造成 pB偏離理論計算值而造成測量誤差。

基于此，差壓式液位計在失水、失壓等異常工況下測量誤差非常大，往往報出假水位信號；如核電站中蒸汽發(fā)生器水位測量，滿功率情況下，事件發(fā)生初期幾秒，水位稍有上升，即俗稱的“假水位”，給水減少越多，出現(xiàn)假水位時間越早。另外，由于壓差變送器需用外部電源，功耗較大，在全廠斷電等事故條件下，無法實施長時間遠程監(jiān)測。

3.2 電接點式

3.2.1 功能特性

（1）結構簡單、監(jiān)視方便。

電接點式水位計實質上是簡單的連通管式水位測量系統(tǒng)，原理簡單、測量轉換系統(tǒng)穩(wěn)定可靠是其最突出的特點。電接點水位計光柱顯示直觀醒目，運行中可采取以“瞄一眼”方式監(jiān)視。

（2）可準確推知水位。

在電極對應的光柱階躍變化時，可準確推知水位。例如：水位由0mm處電極升至+3mm處電極時，顯示由0變?yōu)?3瞬間，若電極頭半徑為1.5mm，可知取樣水位約為+1.5mm同理，若液位下降，電極下水滴連水斷開瞬間，顯示由0躍變?yōu)?3，可知水位約為-1.5mm。且可按推算值準確核對壓差水位計。

（3）具有自檢功能。

傳感器具有電極測試功能，通過改變電極的供電方式，可對每對電極單獨測試，以便及時判斷電極工作是否正常，可據(jù)此決定整套電極是否需要清洗或更換，

（4）容錯能力強。

有很強的容錯性，在個別電極工作異常的情況下，利用相鄰電極的顯示信息，仍能準確推知水位值。

（5）失電情況下可長期有效工作。

耗電量小，屬于無源器件。在喪失全部供電電源的特殊工況下，利用萬用表等有源儀表即可準確得知液位值。2011年日本福島核事故啟示我們，嚴重事故下可能會失去所有應急電源，電接點式液位計在測量原理上采用非能動的技術，不需要外接電源也能將所需要的參數(shù)傳出。

3.2.2 誤差

由于電極以一定間距安裝在測量筒上，由此決定其輸出信號是階梯式，誤差主要取決于安裝誤差及電極的大小，故僅存在固有誤差。

隨著系列化小型化電極技術的發(fā)展，采取常用監(jiān)視段電極密集設置辦法，電接點水位計的固有誤差可達到3mm內(nèi)，能滿足工業(yè)領域一般場所內(nèi)的監(jiān)視誤差要求。

3.3 電熱式

3.3.1 功能特性

由于電熱式傳感器也是電極間斷式布點測量，故其功能特性與電接點式相同，但是由于其工作原理是給傳感器內(nèi)的加熱器元件通以直流恒流或恒壓電源加熱，需消耗加熱功率，耗電量較大。在喪失全部外電源的情況下，需外接足夠容量的電池才能維持水位測量信號的正常輸出。

電熱式液位計隨著工作電流的減小，氣（汽）、液界面的差異會變得越來越??；隨著被測液體溫度的升高，傳感器溫度上升的過程變得越來越不明顯；隨著被測量介質工作壓力的提高，傳感器處于水汽空間中的輸出電壓的差值在逐漸減小，按照理論分析，當工作壓力達到臨界壓力時這種差值將減少到零，不容易判斷出氣（汽）、液界面。

3.3.2 誤差

由于同樣采用電極間斷式布點測量，誤差與電接點式測量設備的誤差產(chǎn)生方式一致，但由于電極直徑比電接點大，套管外徑約4mm，固有誤差比電接點式大。

3.4 非接觸式液位計

4 核電廠特定環(huán)境下的選型

在水位計選型中，首先要考慮工況，如介質的性質、工作溫度、工作壓力等的要求，并要考慮工藝的要求，如對精度和控制的要求，其次要考慮經(jīng)濟性。核電領域是一個高可靠性領域，測量及控制設備要求具有極高的可靠性。反應堆內(nèi)的水位是涉及到反應堆保護和事故后監(jiān)測的重要參數(shù)，對于反應堆的安全運行起著十分重要的作用；乏燃料水池只要儲存有乏燃料，它必須有足夠的水層，為操作人員提供良好的生物防護。因此對該兩類水池中水位必須進行實時監(jiān)測。

在美國三哩島核事故之前，壓水堆核電站中，根據(jù)差壓式水位計的指示值用穩(wěn)壓器中的水位來監(jiān)測壓水堆一回路冷卻劑的總量，核事故發(fā)生后證明，這是一種不可靠的方法。壓水堆一回路冷卻劑的總量的監(jiān)測，需要一種直接測量反應堆壓力殼內(nèi)水位的方法，而且要不同于、且獨立于穩(wěn)壓器內(nèi)水位測量的方法，電接點式或電熱式水位計是一種適用的監(jiān)測傳感器，另外在核電廠其他儲水容器（如封閉式水池、水箱、儲液罐等）中，作為液位調節(jié)控制使用時也簡潔方便。若設置數(shù)量相同的電極，由于電熱式水位計通過對鉑電阻或電偶進行加熱來獲取測量結果，不僅功耗比電接點式大且造價較高。

由于核電廠反應堆和乏燃料水池內(nèi)均具有較高的電離輻射水平，故需對液位傳感器的結構進行改進，比如將傳感器及連接附件置于一抗輻照的鎧裝套管內(nèi)，用MgO或Al2O3作填充材料，但相關研究及實踐表明，電極的鋁成份在硼酸環(huán)境中較容易發(fā)生腐蝕，在核電廠中，由于環(huán)境的特殊限制不能對不良的電極進行及時更換，為防止或減少腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，需對易腐蝕的電極采取相關措施，如對電極表面噴涂陶瓷或氧化鋯材料，或進行鍍鉻和鍍鋅處理，對電極采用交流供電，減小通過電極的電流等或者在避開產(chǎn)品材料中避開Al等活潑的元素，以延長電極壽命。

5 結論

盡管水位計的類型較多，如壓差式、電接點式、電加熱式、非接觸式，但通過比較其原理、特性及誤差等方面可得知，能適用于核電廠特殊使用場所的類型不多。根據(jù)國家核安全局出臺的《福島核事故后核電廠改進行動通用技術要求（試行）》（以下簡稱改進要求）文件，乏燃料水池監(jiān)測應考慮喪失全部電源（包括廠址附加柴油機）供電情況下對液位和溫度測量系統(tǒng)供電的要求，因此對應用于乏燃料池的水位監(jiān)測裝置，宜采用功耗小、非能動的測量設備。核電廠商針對改進要求，正在深入調研電接點及電加熱兩種類型水位測量裝置，考慮到喪失全部電源條件下的設備功耗及經(jīng)濟成本，電接點將是其首選。

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