導(dǎo)波雷達(dá)液位計在福清核電的應(yīng)用及改進(jìn)

張 磊，李德銀

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

0 引言

導(dǎo)波雷達(dá)液位計作為一種新興的液位測量儀表，克服了傳統(tǒng)儀表的不足，在核電廠的應(yīng)用逐漸增多。但導(dǎo)波雷達(dá)液位計在高溫高壓蒸汽系統(tǒng)使用時，還存在一些不足，導(dǎo)致系統(tǒng)液位測量失真[1]。

汽水分離再熱系統(tǒng)是核電廠汽輪機(jī)的重要輔助系統(tǒng)，主要應(yīng)用于汽輪機(jī)運(yùn)行期間，通過控制進(jìn)入二級再熱管束的蒸汽量，對高壓缸排氣進(jìn)行除濕和再熱，使進(jìn)入低壓缸的蒸汽有一定的過熱度。其應(yīng)用改善了汽輪機(jī)低壓缸的工作條件，提高了汽輪機(jī)的相對內(nèi)效率，減少了濕蒸汽對汽輪機(jī)零部件的刷蝕。在福清1～4號機(jī)組調(diào)試及運(yùn)行期間，汽水分離再熱系統(tǒng)二級疏水箱液位計多次出現(xiàn)故障，如液位計探桿泄漏、測量失效等。針對二級疏水箱液位計問題，采用新型測量方案，對汽水分析再熱系統(tǒng)二級疏水液位測量作優(yōu)化改進(jìn)。

1 導(dǎo)波雷達(dá)液位計測量原理及特點

(1)導(dǎo)波雷達(dá)液位計的工作原理。

導(dǎo)波雷達(dá)液位計基于電磁波時域反射原理[2]，由電磁波發(fā)生器發(fā)射一個電磁脈沖信號發(fā)射到導(dǎo)波體上，以導(dǎo)波體作為信號的傳輸載體。當(dāng)遇到被測介質(zhì)表面時，部分信號被反射形成回波并沿相同路徑返回脈沖發(fā)射裝置。發(fā)射裝置與被測介質(zhì)表面的距離同脈沖在其間的傳播時間成正比，測量發(fā)射與反射脈沖[3]。導(dǎo)波雷達(dá)液位計測量原理如圖1所示。

圖1 導(dǎo)波雷達(dá)液位計測量原理圖

(2)導(dǎo)波雷達(dá)液位計的測量特點。

①電磁波信號沿導(dǎo)波桿傳輸可消除假回波信號，減少信號丟失。

②整個測量裝置無活動部件，無機(jī)械磨損。

③安裝調(diào)試方便。

④不受介質(zhì)密度變化的影響(但是需要單一介質(zhì))。

⑤使用與高溫、高壓的物位測量。

2 現(xiàn)有設(shè)計缺陷導(dǎo)致測量不穩(wěn)定的原因分析

核電廠二回路液位控制是核電廠重要的控制系統(tǒng)之一，其測量環(huán)境需考慮真空、高溫、泡沫等多方面因素。傳統(tǒng)液位儀表因其固有原理，無法通過自身技術(shù)的改進(jìn)來消除誤差。故本文采用了導(dǎo)波雷達(dá)液位計[4]。

但在機(jī)組運(yùn)行過程中，汽水分離再熱系統(tǒng)原有導(dǎo)波雷達(dá)液位計導(dǎo)波桿的支撐件會破碎，支撐件碎片會進(jìn)入到二回路系統(tǒng)中，形成異物，危及機(jī)組安全[5]。同時，導(dǎo)波桿內(nèi)支撐件破碎后，因振動、沖擊等因素會導(dǎo)致導(dǎo)波桿觸碰到水位測量筒，使液位測量產(chǎn)生跳變，存在汽水分離再熱系統(tǒng)二級隔離風(fēng)險。

受制于現(xiàn)場使用條件，汽水分離再熱器二級疏水箱內(nèi)充滿飽和蒸汽。蒸汽是極性氣體，即蒸汽的介電常數(shù)會根據(jù)環(huán)境的壓力、溫度而改變。介電常數(shù)的變化會影響電磁波的傳播速度。波速度公式為[6]：

(1)

式中：C為光在真空中的傳播速度(3.0×108m/s)；εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù);μr為相對磁導(dǎo)率。

由式(1)可見，當(dāng)介質(zhì)的介電常數(shù)變化，則波速度會隨之變化。由于電磁波在不同介質(zhì)中的傳輸速度不同，比如在空氣中的傳輸速度比在蒸汽中傳輸速度大，因此汽水分離再熱系統(tǒng)(gas-liquid seperate system,GSS)二級疏水箱液位計選用的都是蒸汽型導(dǎo)波雷達(dá)液位計[7]。

經(jīng)統(tǒng)計，在功率運(yùn)行期間，汽水分離再熱系統(tǒng)二級液位計共計出現(xiàn)缺陷91項。其中，導(dǎo)波雷達(dá)液位計漏汽缺陷共計38項，二級疏水箱液位計偏差大共計46項，因儀表故障導(dǎo)致通道測量不可用共計7項。

根據(jù)現(xiàn)場液位計缺陷情況來看，目前汽水分離再熱系統(tǒng)二級液位計主要存在以下故障。

①液位計探桿支撐桿破碎。經(jīng)分析，原汽水分離再熱系統(tǒng)二級液位計所用的高溫型導(dǎo)波雷達(dá)液位計，其探桿支撐件采用聚醚醚酮(PEEK)[8]高分子合成材料。在運(yùn)行過程中，該支撐件會逐漸脆化，在系統(tǒng)沖擊工況下破裂。處理方式：在測量系統(tǒng)改進(jìn)前，機(jī)組只能通過每次大修期間，對探桿進(jìn)行定期更換。

②液位計探桿密封失效。液位計探桿內(nèi)部密封件采用PEEK材料進(jìn)行隔熱，靠近連接部位采用2個O型圈進(jìn)行密封。O型圈耐溫范圍為150 ℃。因汽水分離再熱系統(tǒng)二級疏水箱內(nèi)部溫度達(dá)280 ℃，探桿隔熱材料失效，進(jìn)而使O型圈失效，探桿密封泄漏，測量閃發(fā)質(zhì)量位。處理方式：目前出現(xiàn)探桿密封失效后，無法進(jìn)行更換。

③液位計冷熱態(tài)工況，液位測量出現(xiàn)偏差。液位計大修冷態(tài)調(diào)試時，3支液位計偏差小于20 mm。但汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)后，因系統(tǒng)溫度上升，3支液位計偏差會達(dá)到100 mm。在機(jī)組運(yùn)行時間長后，液位計偏差也會逐漸增加，導(dǎo)致偏差超過100 mm。處理方式：目前只能在熱態(tài)后，對偏差大液位計進(jìn)行修正。機(jī)組功率運(yùn)行后，每周定期巡檢方式，檢查液位計偏差，并及時進(jìn)行修正。

3 改進(jìn)方案

3.1 導(dǎo)波雷達(dá)液位計支撐件改進(jìn)

原汽水分離再熱系統(tǒng)二級導(dǎo)波雷達(dá)液位計采用PEEK支撐件，同時也作為探桿隔熱材料。PEEK是芳香族結(jié)晶型熱塑性高分子材料。PEEK玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為143 ℃，其熔點為334 ℃。這種材料耐抗有機(jī)和水環(huán)境，具有優(yōu)良的化學(xué)性、熱穩(wěn)定性和抗氧化性。目前，應(yīng)用汽水分離再熱系統(tǒng)二級疏水箱實際運(yùn)行溫度為280 ℃，儀表的設(shè)計溫度為350 ℃，而PEEK物理特性耐溫只有250 ℃，因此運(yùn)行時間過長會產(chǎn)生變形或碎裂。

為應(yīng)對導(dǎo)波雷達(dá)液位計支撐件破碎及密封失效情況，此次支撐件設(shè)計采用99.7%純度的Al2O3陶瓷材料[8]。該材料具有硬度大、耐磨性能極好、質(zhì)量輕等特點。其熔點在2 000 ℃以上，具有良好的導(dǎo)熱性、絕緣性以及透光性，介電常數(shù)為9.0左右，適用于高溫蒸汽型導(dǎo)波雷達(dá)液位計測量原理。Al2O3陶瓷的物理和力學(xué)特性如表1所示。

表1 Al2O3陶瓷的物理和力學(xué)特性

改進(jìn)后探桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)精密。防止蒸汽部分主元件采用氧化鋁陶瓷，不會因為溫度增高而變形、滲漏。密封元件采用耐高溫的石墨密封Graphite，是目前儀表產(chǎn)品在防止高溫蒸汽方面的理想材料。其物理性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于以前使用的PF128、PEEK、鋁礬土等材質(zhì)，十分穩(wěn)定可靠。該結(jié)構(gòu)整體密封結(jié)合緊密，可杜絕蒸汽進(jìn)入。

3.2 導(dǎo)波雷達(dá)液位計高溫補(bǔ)償改進(jìn)

原汽水分離再熱系統(tǒng)二級導(dǎo)波雷達(dá)液位計采用點補(bǔ)償方式，補(bǔ)償點到電磁波發(fā)射口距離為125 mm。如果測量點以上或者測量點位置有凝露或者誤差，會放大傳導(dǎo)到下方實際液位測量。為了更好地說明上述結(jié)論，定義系數(shù)K。

式中：K越大，說明儀表抗蒸汽目標(biāo)干擾的性能越差;K越小，水位高過蒸汽目標(biāo)后，將無蒸汽補(bǔ)償功能，使液位計精度受到影響。

改進(jìn)前后液位計性能如表2所示。

表2 改進(jìn)前后液位計性能

改進(jìn)后液位計采用參考段式補(bǔ)償方式，蒸汽目標(biāo)距離變長，整個測量段的補(bǔ)償數(shù)據(jù)更加精確有效，不會因為某個點位的凝結(jié)等傳導(dǎo)誤差。改進(jìn)后導(dǎo)波雷達(dá)液位計探桿密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后液位計探桿密封結(jié)構(gòu)圖

改進(jìn)后液位計探桿蒸汽補(bǔ)償測量原理圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后液位計測量原理圖

3.3 福清核電導(dǎo)波雷達(dá)液位計整體改造技術(shù)方案

原二級疏水箱采用直插式安裝。此次技術(shù)改造方案，不僅對原導(dǎo)波雷達(dá)液位計進(jìn)行換型技術(shù)改進(jìn)，還需對導(dǎo)波雷達(dá)液位計進(jìn)行外移變更[9]。在汽水分離再熱系統(tǒng)二級疏水箱外部靠近水側(cè)取壓口處，安裝3個測量筒，用于導(dǎo)波雷達(dá)液位計的安裝以及液位測量。每個測量筒的汽側(cè)取壓口仍選用原導(dǎo)波雷達(dá)液位計接口，而水側(cè)取壓口引用原水汽取樣口、磁翻板液位計取壓口。汽水分離再熱系統(tǒng)二級疏水液位計改造整體方案如圖4所示。

圖4 液位計改造整體方案

(1)外移管道布置要求。由于疏水箱熱膨脹會產(chǎn)生熱位移及熱應(yīng)力，施工單位布置管道時需考慮熱補(bǔ)償。同時，應(yīng)保證導(dǎo)波雷達(dá)液位計上方留有2.5 m的空間，以便設(shè)備的維護(hù)和檢修。上部汽側(cè)連接管要注意設(shè)置一定坡度，使冷凝水回流至疏水罐內(nèi)。

(2)焊機(jī)技術(shù)要求。浮筒組件、閥門、DN25管道連接采用承插焊形式。焊件組對前，應(yīng)將坡口表面及附近母材(內(nèi)、外壁)的油、漆、垢、銹等清理干凈，直至發(fā)出金屬光澤。焊接過程中，應(yīng)進(jìn)行逐層檢查，經(jīng)自檢合格后方可焊接次層焊縫。完成焊接后，按DL/T1118-2009核電廠常規(guī)島焊接技術(shù)規(guī)程進(jìn)行相應(yīng)無損檢測。

(3)管道保溫要求。上下部均需要進(jìn)行保溫，浮筒組件需保溫至法蘭接口處。保溫安裝要求：材料選用硅酸鋁纖維繩，厚度70 mm；保護(hù)層材料選用鋁皮，厚度0.5 mm。

(4)隔離閥選型要求。為保證上下流通管線具備足夠的流通能力，考慮到二級疏水箱擴(kuò)孔現(xiàn)場不具備實施條件，在此基礎(chǔ)上隔離閥需選用DN25全通徑閥門。

(5)敷設(shè)電纜要求。為減少敷設(shè)電纜的工作量，此次技術(shù)改造不再重新敷設(shè)到DCS的電纜。因原DCS電纜長度不夠，此次技術(shù)改造增加BC轉(zhuǎn)接箱。轉(zhuǎn)接箱位置布置在便于檢修位置。

3.4 改造后效果

福清核電相關(guān)導(dǎo)波雷達(dá)液位計改造后，汽水分離再熱系統(tǒng)二級疏水箱液位計測量穩(wěn)定性大大提高。改造后，在機(jī)組啟動升功率階段(原液位計頻繁閃發(fā)質(zhì)量為及液位計漂移缺陷)，液位測量穩(wěn)定，偏差在30 mm以內(nèi)，未出現(xiàn)漂移情況。改進(jìn)前后機(jī)組功率升至相同平臺液位計測量趨勢如圖5所示。

圖5 改進(jìn)前后液位計測量趨勢

4 結(jié)束語

通過對福清核電汽水分離再熱系統(tǒng)導(dǎo)波雷達(dá)水液位測量設(shè)計優(yōu)化與改進(jìn)，解決了原系統(tǒng)液位測量頻發(fā)泄漏、失效，使液位測量可靠性得到大幅提升。該方案能解決核電廠高溫型液位測量問題，對于新型測量方式推進(jìn)有著重要意義。