海水泵房液位控制器在重水核電廠的改進與應(yīng)用

俞嘉成，諸海川，呂曉棟，常滿意

（中核核電運行管理有限公司 技術(shù)三處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

某重水核電廠海水泵房的主要功能是在任何潮位下，向凝汽器循環(huán)水泵和原水服務(wù)水泵提供足量的過濾海水，防止垃圾、碎石和海洋生物等進入水泵內(nèi)堵塞管道或者打壞設(shè)備。海水經(jīng)過4 條地下取水方涵進入泵房前池，然后進入12 條尺寸、形狀均一致的取水通道，每臺機組6 條。前池海水先后通過攔污格柵、前池閘門、胸墻、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)等設(shè)施后進入相應(yīng)水泵取水池，為海水系統(tǒng)提供足量的過濾海水。

海水泵房前池共有12 臺旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)，每臺旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)有前后2 個液位探頭，分別提供旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前后液位及液位差數(shù)據(jù)，且實時監(jiān)測海水潮位信號、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前后液位差高等報警信號，當液位控制器出現(xiàn)故障或受干擾時，主控室將失去信號監(jiān)測，若誤觸發(fā)旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)液位差高、前池液位低等報警信號，將影響重要海水冷卻水系統(tǒng)、凝汽器循環(huán)冷卻水系統(tǒng)等正常運行。

1 運行液位控制要求

根據(jù)電廠運行手冊要求，每個機組的2 號旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前液位探頭提供液位指示，對應(yīng)AI-0246 指示。當前池內(nèi)水位下降到標高84.5m 的時候，會出現(xiàn)AI-0246 報警（泵房前池水位低報警）；當前池內(nèi)水位下降到標高83.5m 的時候，會出現(xiàn)CI-1874 報警（重要海水冷卻水泵取水前池水位極低報警）、CI-1036/1035 報警（凝汽器循環(huán)冷卻水泵取水口低潮位報警），同時閉鎖水泵啟動邏輯。

旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)的前后液位差報警值為30cm，高于該值后主控室產(chǎn)生CI-1873 報警（旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前后水位差高-高報警），旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)的前后液位差小于15cm 后報警消除，但需對濾網(wǎng)控制盤（67110-PL-4043/4044）手動復(fù)位報警指示燈，液位差高報警不影響旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)的正常運行。

液位控制器分別使用過兩種類型控制器，以下對兩種控制器的使用情況和優(yōu)化策略進行詳述。

2 超聲波液位控制器

2.1 控制原理

海水泵房初期使用的是超聲波液位控制器和探頭，工作原理[1]為：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射脈沖信號，在發(fā)射的同時開始計時，超聲波通過介質(zhì)傳播到達液面，經(jīng)反射后再通過介質(zhì)返回到超聲波接收器，接收器收到回波就立即停止計時。由此可計算出海水泵房液面高度H 為：H=H0-H1=H0-ct/2。（H0：探頭到底部的高度；H1：探頭到液位的高度；c：超聲波在介質(zhì)中傳播速度；t：超聲波發(fā)射和接收的時間間隔）。

2.2 缺陷統(tǒng)計和分析

海水泵房兩臺機組旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前后超聲波液位探頭從2014 年3 月至2016 年3 月出現(xiàn)的缺陷總共為30 起，其中超聲波液位探頭表面因凝結(jié)水干擾19 起、自身故障10 起、接線氧化1 起，探頭受表面凝結(jié)水干擾導(dǎo)致的缺陷占總數(shù)的63.3%。

現(xiàn)場超聲波液位計長期處于霧氣當中，當環(huán)境溫度驟然變化時，超聲波傳感器發(fā)射面就會出現(xiàn)水霧。由于探頭表面平整，水霧附著后容易聚集產(chǎn)生凝結(jié)水，超聲波傳感器發(fā)射的超聲波經(jīng)過發(fā)射面會出現(xiàn)折射，經(jīng)液位反射的回波丟失，最后出現(xiàn)報警。

2.3 優(yōu)化策略

優(yōu)化方式1：對管道和壓蓋進行開孔，以排出水蒸氣。

初步分析時，懷疑旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)高液位差是因為天氣過熱，水蒸氣充滿探頭的下方區(qū)域卻無法排出，造成變送器無法真實反映液面高度，產(chǎn)生誤報警。后通過在變送器壓蓋上方打孔，以便蒸汽能順利排出，但此優(yōu)化策略效果甚微。

優(yōu)化方式2：將液位控制器變更為雷達液位控制器。

海水泵房環(huán)境較潮濕，特別是天文大潮時段，潮氣較重。雖然超聲波技術(shù)具有成本低、安全性高、非接觸、安裝使用方便、結(jié)果讀取直觀等優(yōu)點，但是也存在測量的局限性。由于聲速與熱容比、密度、油氣組分、溫度等因素的變化有關(guān)，因而在液位測量中，聲速會因溫度變化、液體揮發(fā)等原因而變化，造成超聲波測距不準確，產(chǎn)生誤差[2]。

基于超聲波液位探頭自身對于抗水汽干擾能力較弱，容易受到干擾的特性，后續(xù)通過設(shè)備變更將液位控制器替換為雷達液位控制器。

3 雷達液位控制器

3.1 控制原理

雷達液位控制器通過從垂直安裝在頂部的天線發(fā)射出26 GHz 的K 波段短雷達脈沖信號，當遇到被測介質(zhì)表面時，由于介電常數(shù)突變，能量反射成回波并被雷達接收，發(fā)射脈沖和反射脈沖之間的時間差與被測介質(zhì)的距離成正比，經(jīng)計算得出液位高度。

3.2 缺陷統(tǒng)計和分析

變更后，缺陷并未因此得到根本解決。統(tǒng)計從2016 年3 月至2020 年7 月出現(xiàn)的缺陷總共記73 起，其中雷達液位探頭因表面凝結(jié)水干擾53 起、自身故障20 起，由表面凝結(jié)水干擾導(dǎo)致的缺陷占總數(shù)的72.6%。

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)液位探頭的雷達外殼（鋁殼+涂層）長時間暴露在堿性潮濕空氣中易發(fā)生凝露腐蝕，進而導(dǎo)致內(nèi)部電路板腐蝕失效，同時雷達的喇叭口內(nèi)壁經(jīng)常存在大量水珠（旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前后水面開闊，水汽蒸騰較多，空氣濕度大，導(dǎo)致上部冷凝水較多），尤其是在環(huán)境溫度和天氣變化時，通過擦干凝結(jié)水，對探頭表面進行清潔后報警消失。

目前的雷達為K 波段26GHZ 喇叭型雷達，測量范圍10m，發(fā)射角為9°。當喇叭口上掛水珠時，其發(fā)射角過大導(dǎo)致電磁波散射到水珠和孔洞壁上后回波丟失，不適用于現(xiàn)場濕度高，水面上下溫差大的測量環(huán)境。

3.3 優(yōu)化策略

雷達液位探頭微波的聚焦和靈敏度都是由天線的外形決定的，液位探頭可適應(yīng)的溫度和壓力的范圍也與天線的材料和密封結(jié)構(gòu)有關(guān)，使用喇叭口天線，聚焦特性強，可在高溫高壓條件下工作，適用于絕大多數(shù)場合，但不適合腐蝕介質(zhì)的測量。此類型天線的發(fā)射角與喇叭口直徑及頻率有關(guān)，在相同頻率下喇叭口直徑越大，波束角越小。高頻雷達能量高，波束角小，抗干擾能力強[3]。

由于該雷達探測器喇叭口存在冷凝水會產(chǎn)生測量干擾的固有缺陷，且與之配套的控制器工作不穩(wěn)定，已多次出現(xiàn)死機或不能正常工作的情況，因而考慮采用其它先進的抗冷凝水的雷達液位測量設(shè)備和配套控制器進行替代，徹底解決該問題。

4 升級后的雷達液位控制器

升級后的液位控制器，探頭部分使用316L 不銹鋼外殼，采用基于調(diào)頻連續(xù)波原理（FMCW）工作的“俯視式”微型測量系統(tǒng)，天線向介質(zhì)方向發(fā)射頻率最大可達80GHz的W 波段的連續(xù)變化的電磁波信號，電磁波到達被測介質(zhì)表面后發(fā)生反射，反射回波再次被天線接收。

通過調(diào)制電磁波的頻率，在f1 和f2 兩個頻率之間形成鋸齒波信號。因此，任意時間點上發(fā)送信號和接受信號間都存在頻率差：Δf=kΔt，其中Δt 是電磁波的運行時間，k 是調(diào)頻的斜率。Δt 與距離D（測量參考點R 至介質(zhì)表面的距離）相關(guān)：D=(cΔt)/2。其中，c 為電磁波的傳播速度。因此，D 可以基于測量到的頻率差值Δf 計算得到，基于D確定物位高低。

變更升級后的液位控制器采用全PTFE 填充的齊平安裝的天線，適用于腐蝕性液體測量，抗冷凝水效果明顯，從變更完成后穩(wěn)定至今，期間未有因為凝結(jié)水導(dǎo)致的誤報警和設(shè)備缺陷。

5 結(jié)束語

液位控制器的變更選型，不僅需要考慮儀表本身精度以及功能，還需要考慮使用工況，判斷是否滿足現(xiàn)場的工作環(huán)境要求。本文通過對海水泵房液位控制器的變更過程進行介紹，希望能給同類型電廠的設(shè)備選型提供參考經(jīng)驗。