福清核電廠液位儀表的應(yīng)用與探索

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

0 引言

在福清一期核電廠建設(shè)中，液位測(cè)量儀表的正確應(yīng)用與否影響著核電廠安裝工作能否順利進(jìn)行及調(diào)試工作能否順利開展。通過在福清一期核電現(xiàn)場(chǎng)6個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)工作實(shí)踐，整理歸納了液位儀表在核電廠的類型，并且通過具體問題的處理，闡述了液位儀表在應(yīng)用中應(yīng)該注意的問題。液位儀表在不斷的改進(jìn)和創(chuàng)新，在國家推進(jìn)第三代堆型的政策中，緊跟第三代核電技術(shù)中液位測(cè)量的新特點(diǎn)，探索將導(dǎo)播雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用在核電廠中，證明其優(yōu)越性,為核電廠建設(shè)過程中選擇可靠、準(zhǔn)確的液位測(cè)量儀表提供有力的參考。

1 液位儀表的原理、特點(diǎn)及用途

核電廠大多數(shù)液位儀表測(cè)量的基本原理是利用浮力定律，通過測(cè)量漂浮于被測(cè)液位上的浮球隨液位變化產(chǎn)生的位移,或利用沉浸在被測(cè)液體中的浮筒所受浮力與頁面位置的關(guān)系來檢測(cè)液位[1]。前者一般稱作恒浮力式檢測(cè)，其中包括浮標(biāo)式、浮球式和磁翻板式，后者一般稱作變浮力式。

核電廠中主要涉及的液位儀表包括：外浮筒液位開關(guān)、頂裝浮子液位開關(guān)、側(cè)裝浮球液位開關(guān)、磁翻板式液位計(jì)和沉筒式液位變送器。

1.1 頂裝浮子液位開關(guān)

頂裝浮子液位開關(guān)的工作原理基于浮力原理，即彈簧被重于液體的浮子加載，浮子浸沒在液體中時(shí)，浮力產(chǎn)生變化，致使彈簧向上移動(dòng)。彈簧僅在液位移動(dòng)到浮子上時(shí)移動(dòng)，因此彈簧移動(dòng)始終是浮子移動(dòng)的一小部分。彈簧上端連接有一個(gè)磁套管。該磁套管在非磁性的隔離管的范圍內(nèi)移動(dòng)。彈簧移動(dòng)導(dǎo)致磁套管吸引裝在軸上的磁鐵，使位于隔離管外的開關(guān)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

頂裝浮子液位開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單，安裝方式(為標(biāo)準(zhǔn)法蘭安裝)和維修方便，儀表纜繩長度可調(diào)，可滿足多種液位設(shè)定點(diǎn)的要求[2]。在福清核電廠中，此類儀表主要用來測(cè)量地坑或乏燃料水池的液位，尤其是在測(cè)量乏燃料水池液位時(shí)，其纜繩長度大于12 m，滿足了設(shè)定點(diǎn)的要求，同時(shí)又可使儀表表頭安裝在7層平臺(tái)上，便于維修。

1.2 側(cè)裝浮球液位開關(guān)

液位開關(guān)通過附著在浮球組件上的磁鐵及其與簧片開關(guān)的磁力互相作用，實(shí)現(xiàn)開關(guān)動(dòng)作并發(fā)出開關(guān)量信號(hào)。隨著液位發(fā)生變化，浮球發(fā)生位移，導(dǎo)致浮球磁鐵移動(dòng)。浮球磁鐵靠近簧片開關(guān)，使開關(guān)改變狀態(tài)，接通或斷開電流。

這種液位開關(guān)安裝空間小，檢修維護(hù)方便，在核電廠主要用于控制儲(chǔ)罐的液位，如RRA系統(tǒng)儲(chǔ)罐液位。

1.3 磁翻板液位計(jì)

磁翻板液位計(jì)是根據(jù)磁極耦合原理、浮力定律、連通器原理，巧妙地結(jié)合機(jī)械傳動(dòng)的特性而開發(fā)的液位測(cè)量儀表[3]。磁翻板液位計(jì)通過法蘭或承插焊方式與液位儲(chǔ)罐連接，儲(chǔ)罐內(nèi)液位的高低變化將帶動(dòng)含有永久磁鐵的浮子上下移動(dòng)。在液位計(jì)測(cè)量管的外表面安裝有磁翻板。磁翻板的兩面分別是不同的顏色。隨著浮子的上下移動(dòng)，介質(zhì)中浮子內(nèi)的永磁鐵的磁場(chǎng)將會(huì)導(dǎo)致磁翻板翻轉(zhuǎn)，改變磁翻板的顯示顏色，從而體現(xiàn)儲(chǔ)罐內(nèi)液位。

磁翻板液位計(jì)讀數(shù)清晰直觀，指示部分與測(cè)量部分完全隔離，易于維修，測(cè)量范圍廣。在核電廠中磁翻板液位計(jì)用于測(cè)量大型儲(chǔ)罐的液位，如DX廠房的柴油機(jī)主儲(chǔ)油罐的測(cè)量范圍長達(dá)5 m的儲(chǔ)油罐液位。磁翻板液位計(jì)也可配置液位變送裝置，輸出4～20 mA信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)液位的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。

1.4 沉筒式液位變送器

沉筒式液位變送器的測(cè)量元件是圓柱型沉筒，沉筒懸掛在杠桿上，杠桿另一端架在一個(gè)支點(diǎn)上，并與扭力管連接。當(dāng)掛沉筒一端的杠桿上下移動(dòng)時(shí)，架在支點(diǎn)上面一端的杠桿繞支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)扭力管旋轉(zhuǎn)，扭力管輸出一個(gè)轉(zhuǎn)角α給表頭。這個(gè)轉(zhuǎn)角帶動(dòng)表頭中的霍爾磁鋼感應(yīng)器的磁鋼運(yùn)動(dòng)，根據(jù)霍爾效應(yīng)電壓作出相應(yīng)變化，輸出電壓通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變?yōu)?～20 mA的電流信號(hào)[4]。

沉筒液位變送器測(cè)量精度高，兼具有現(xiàn)場(chǎng)指示和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的功能，用于RPE008MN、RPE015MN和RPE003BA罐的測(cè)量。

2 核電現(xiàn)場(chǎng)液位儀表的安裝

核電廠液位測(cè)量儀表主要有測(cè)量連續(xù)量的液位變送器和液位開關(guān)兩種。

2.1 沉筒式液位變送器的安裝

福清核電廠沉筒式液位變送器的安裝方式為頂裝，與所測(cè)設(shè)備之間用法蘭連接。在安裝中主要考慮的是儀表法蘭的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，包括法蘭尺寸、承壓等級(jí)、材質(zhì)等。儀表及儀表架的安裝高度根據(jù)測(cè)量的液位的標(biāo)高要求確定，沉筒的長度根據(jù)液位的測(cè)量范圍要求確定。

2.2 液位開關(guān)的安裝

液位開關(guān)的作用是當(dāng)液位上升或下降到液位設(shè)定點(diǎn)時(shí)，液位開關(guān)發(fā)出開關(guān)量信號(hào)產(chǎn)生控制或報(bào)警命令。因此液位開關(guān)的安裝位置與液位設(shè)定值緊密相關(guān)。核電廠中液位開關(guān)頂裝和側(cè)裝方式占有很大比例。頂裝式液位開關(guān)主要測(cè)量電廠內(nèi)地坑的液位，一般為法蘭安裝在儀表架上，安裝時(shí)需要考慮儀表的法蘭面距離設(shè)定值的長度。側(cè)裝浮球液位開關(guān)在現(xiàn)場(chǎng)用于儲(chǔ)罐液位的控制，為法蘭安裝在儲(chǔ)罐側(cè)面，其安裝高度取決于液位設(shè)定值。同時(shí)浮球頂部到法蘭面的連桿長度要小于儲(chǔ)罐的直徑，且在罐內(nèi)要滿足發(fā)出信號(hào)所需的連桿的活動(dòng)角度，避免與儲(chǔ)罐發(fā)生碰撞。

以上兩種方式的液位開關(guān)在安裝時(shí)，除了滿足工藝設(shè)定點(diǎn)的要求外，還要注意過程接口的選擇。法蘭安裝的儀表需要注意儀表法蘭的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，包括法蘭尺寸、承壓等級(jí)、材質(zhì)等；承插焊安裝的儀表要注意材質(zhì)與被測(cè)設(shè)備相配。

3 現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的安裝問題與對(duì)策

3.1 頂裝液位開關(guān)

液位開關(guān)的安裝與工藝設(shè)定值緊密相關(guān)。在1RX廠房R147房間有核島排氣和疏水系統(tǒng)(RPE)的儀表RPE006SN、RPE007SN，儀表設(shè)計(jì)安裝標(biāo)高(elevation level,EL)為-3 210 mm，儀表RPE006SN、RPE007SN的儀表架編號(hào)分別為RPE204CQ和RPE205CQ，儀表的支架支撐為1S018，地面標(biāo)高為-3 500 mm，1S018的高度為610 mm。因?yàn)閮x表支架高度為610 mm，導(dǎo)致儀表的安裝標(biāo)高超出了-3 210 mm的安裝標(biāo)高要求。具體儀表管道布置圖中的儀表安裝標(biāo)高如圖1所示。

這個(gè)問題主要是選用的儀表在儀表架上安裝的高度過高引起的。解決方式為修改儀表架，降低儀表的安裝高度?，F(xiàn)場(chǎng)考察發(fā)現(xiàn)，只能適當(dāng)降低安裝板在儀表架上的位置，而如果過度降低，將出現(xiàn)安裝板下邊緣超出儀表架框架或者出現(xiàn)螺栓孔開在焊縫上的情況。對(duì)此，查看儀表資料，可以通過延長纜繩長度的方法來降低儀表架。

3.2 側(cè)裝液位開關(guān)

側(cè)裝液位開關(guān)主要是測(cè)量儲(chǔ)罐液位。液位開關(guān)的浮球與連桿長度應(yīng)該小于所測(cè)儲(chǔ)罐的內(nèi)徑長度，如果出現(xiàn)大于的情況，則浮球?qū)?huì)碰到儲(chǔ)罐而無法工作。在嶺澳二期現(xiàn)場(chǎng)曾發(fā)現(xiàn)RRA033SN等儀表出現(xiàn)類似問題，連桿與浮球長度之和為275 mm，但是所測(cè)量的儲(chǔ)罐內(nèi)徑為255 mm，發(fā)生了儀表浮球與儲(chǔ)罐碰撞的情況，無法實(shí)現(xiàn)測(cè)量。因此，在進(jìn)行液位開關(guān)選型安裝時(shí)，要注意浮球與連桿的長度?，F(xiàn)場(chǎng)如果發(fā)現(xiàn)選型出現(xiàn)問題，需將連桿割掉一節(jié)，然后再用氬弧焊焊接。

4 液位測(cè)量方式的新探索

在消化吸收第三代核電技術(shù)AP1000時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著安全要求的提高、測(cè)量技術(shù)的更新，需要在核電廠液位測(cè)量中應(yīng)用工作更加穩(wěn)定、測(cè)量精度更高的儀表。AP1000堆型中液位測(cè)量儀表絕大部分采用了既可進(jìn)行連續(xù)測(cè)量也可進(jìn)行閾值比較輸出開關(guān)量的液位變送器，如雷達(dá)液位計(jì)。在此次福清一期核電廠液位儀表選型過程中，我們也大膽探索，將此類新型測(cè)量方式儀表使用在目前的二代加堆型上。

4.1 方案的選擇

在福清一期項(xiàng)目非核級(jí)液位變送器選型過程中，9ASG003MN和9ASG006MN原準(zhǔn)備選用沉筒液位計(jì)。但是同類型已運(yùn)行核電廠反饋情況和廠家澄清情況表明，沉筒液位變送器測(cè)量效果并不能很好地滿足測(cè)量要求，參考電站反映儀表體積較大，不便于安裝、校驗(yàn)，承壓部件易疲勞和產(chǎn)生故障。因此，有必要選用其他產(chǎn)品進(jìn)行替代。根據(jù)兩塊儀表所在工況，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)可以更加可靠、穩(wěn)定地滿足測(cè)量要求。

福清一期核電廠項(xiàng)目9ASG003MN和9ASG006MN選型方案最終采用導(dǎo)波雷達(dá)液位變送器。對(duì)選擇此方案的分析如下。

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的工作原理是基于電磁波的時(shí)域反射原理，電磁波發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)沿探測(cè)桿向下傳送的電磁脈沖波。當(dāng)電磁脈沖遇到比先前傳導(dǎo)介質(zhì)(比如空氣)介電常數(shù)大的液體表面時(shí)，脈沖波會(huì)被反射。通過超高速計(jì)時(shí)電路計(jì)算脈沖從發(fā)射到反射的時(shí)間差，從而計(jì)算出液位。

通過調(diào)研總結(jié)可知，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn)：①成本相對(duì)于采用扭力管技術(shù)的沉筒液位變送器低[5]；②發(fā)射的電磁波是恒定的，不需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)，也不需要通過遷移來改變儀表量程，可以在沒有液位的情況下在幾分鐘內(nèi)完成組態(tài)；③安裝方式多樣，可以使用螺紋和法蘭連接，安裝部位可以選擇頂裝或者側(cè)裝，這些都有利于現(xiàn)場(chǎng)的安裝與檢修維護(hù)[6]；④沒有會(huì)被磨損和破壞的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件。

儀表的各項(xiàng)參數(shù)是儀表測(cè)量優(yōu)劣、適用工況的決定條件。參考電站的選型方案與現(xiàn)在的選型方案比較如表1所示。由表1可以看出，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量精度高，儀表工作電壓范圍為當(dāng)今主流范圍，工作電壓范圍寬，儀表最高可承受的工作溫度滿足福清一期項(xiàng)目ASG006MN設(shè)計(jì)溫度的要求。結(jié)合前述導(dǎo)波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)，證明選用導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量方案符合設(shè)計(jì)要求，優(yōu)于沉筒液位變送器的測(cè)量方案。

表1 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)與沉筒式液位變送器的方案比較

4.2 儀表的安裝

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的安裝方式大致分為頂裝和側(cè)裝兩種[7]。側(cè)裝式需要外置測(cè)量筒，導(dǎo)波桿頂裝在測(cè)量筒的上端，測(cè)量筒再與容器連接。一般測(cè)量筒的上下接液口的距離就是設(shè)計(jì)要求的測(cè)量范圍。液位變送器能否準(zhǔn)確測(cè)量依賴于反射波的信號(hào)。因此，安裝時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①探頭天線的軸線應(yīng)與液位的反射表

面垂直；②對(duì)液位波動(dòng)較大的容器的液位測(cè)量，需采用附帶測(cè)量筒來進(jìn)行測(cè)量，以減少液位波動(dòng)的影響；③導(dǎo)波管內(nèi)壁一定要光滑，清潔度好；④不可裝在圓型或橢圓型的容器頂?shù)闹行奶?，否則雷達(dá)波在容器壁多重反射后，匯集于容器頂?shù)闹行奶?，形成很?qiáng)的干擾波，會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。

根據(jù)上述安裝注意問題，同時(shí)根據(jù)福清一期項(xiàng)目中設(shè)備接液口為側(cè)開口，安裝方式選擇為側(cè)裝，測(cè)量筒通過法蘭與被測(cè)設(shè)備9ASG002BA相連，法蘭遵照ANSI標(biāo)準(zhǔn)選擇，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)通過螺紋連接到測(cè)量筒。安裝后滿足設(shè)計(jì)及測(cè)量要求。

5 結(jié)束語

綜上所述，液位儀表在核電廠中應(yīng)用廣泛。通過福清核電廠液位測(cè)量儀表的原理、用途、安裝及現(xiàn)場(chǎng)問題分析，說明了核電廠液位測(cè)量的現(xiàn)狀，證明了選擇科學(xué)合理的儀表不僅可以節(jié)約成本，而且有利于現(xiàn)場(chǎng)的安裝、調(diào)試和控制。

同時(shí)，通過探索將新的測(cè)量方式應(yīng)用到福清項(xiàng)目，證明了導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)具有安裝方便、易調(diào)教、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)今后項(xiàng)目的液位儀表選型、更新起到一定的指導(dǎo)意義。

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