核電廠通風(fēng)儀表選型研究

王 朋，張 婧，何 靜

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

通風(fēng)系統(tǒng)是核電站重要的輔助系統(tǒng)，肩負(fù)著電站安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重大責(zé)任，為設(shè)備運(yùn)行和人員作業(yè)提供適宜的工作條件，并對氣態(tài)污染物進(jìn)行控制和凈化。通風(fēng)儀表是通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行的先決條件，選擇、使用良好的儀表對核島通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。以往項目中，參與控制的儀表多數(shù)選用開關(guān)量類型儀表，這類儀表數(shù)量較多，同時也暴露出較多問題。相較于開關(guān)量儀表，模擬量信號具有控制更精準(zhǔn)，對設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控更全面、故障率更低的優(yōu)點。因此，亟需對現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)儀表重新開展選型與優(yōu)化工作，以期能夠改善現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)開關(guān)量儀表的各類缺陷，提高通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測的總體性能。本文對通風(fēng)系統(tǒng)中常用的溫度、壓力兩種儀表類型，從通風(fēng)儀表的分類、原理、結(jié)構(gòu)、選型、應(yīng)用及其參與控制的實現(xiàn)等方面進(jìn)行分析、探討和研究，并最終總結(jié)出各類通風(fēng)儀表在選型過程中需要注意的關(guān)鍵問題，以期為后續(xù)項目中通風(fēng)系統(tǒng)儀表選型提供借鑒和指導(dǎo)。

圖1 鉑熱電阻結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of platinum thermistor

1 溫度儀表

1.1 原理及結(jié)構(gòu)[1,2]

1）溫度開關(guān)

溫度開關(guān)通過給溫包充惰性氣體，氣體壓力隨溫度變化而變化，觸發(fā)微動開關(guān)動作。以往核電項目使用數(shù)量很多。

2）熱電阻

熱電阻主要分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻。

金屬熱電阻是利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨著溫度變化而發(fā)生改變這一特性來測量溫度的。金屬鉑是熱電阻儀表較常采用的一種測溫元件，電廠使用多是鎧裝鉑熱電阻。鎧裝鉑熱電阻是將感溫元件封焊在由金屬套管、絕緣材料和金屬導(dǎo)線三者組合加工而成的鎧裝電纜內(nèi)。

NTC 熱敏電阻是半導(dǎo)體熱敏電阻的一類，NTC 熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，以錳、銅等金屬氧化物為材料，電阻值隨溫度增大而減小。這類儀表最主要的特點是：非線性關(guān)系、穩(wěn)定性較差、測量范圍窄、靈敏度高。

1.2 儀表特點對比分析

目前，溫度開關(guān)儀表、NTC 熱敏電阻、PT100 鉑熱電阻在核電廠中應(yīng)用均很廣泛，本節(jié)對3 種儀表的原理、特性、安裝及運(yùn)行維護(hù)要求等不同方面展開對比，總結(jié)出3種儀表各自的優(yōu)勢和缺點，為溫度儀表選型提供建議。

從儀表的原理角度考慮：溫度開關(guān)是通過壓力測溫度，由機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，強(qiáng)度大；NTC 熱敏電阻通過半導(dǎo)體電阻值測溫度，由金屬氧化物構(gòu)成感溫元件，精確度高，但易被氧化；Pt100 鉑熱電阻通過金屬電阻測溫度，由鉑構(gòu)成感溫元件，精確度高，性質(zhì)穩(wěn)定[3]。

圖2 鉑電阻和熱敏電阻線性對比Fig.2 Linear comparison of platinum resistance and thermistor

從儀表的特性方面考慮：溫度開關(guān)遠(yuǎn)距離傳輸需要配置毛細(xì)管，但毛細(xì)管不宜過長，讀數(shù)容易滯后，對毛細(xì)管需要采取保護(hù)措施，防止損壞；NTC 熱敏電阻的阻值和溫度成反比關(guān)系，僅在25℃和50℃電阻具有最佳線性，超出這個范圍應(yīng)由供貨商提供溫度/阻值表來查詢。但每個供貨商提供的NTC 溫度/阻值不盡相同，應(yīng)用中會帶來更多的復(fù)雜性；Pt100 鉑熱電阻，測量范圍廣，若選用三線制測溫可消除電阻產(chǎn)生的誤差，精度高，響應(yīng)速度快，不需要冷端補(bǔ)償 。

從儀表的安裝角度考慮：由于溫包內(nèi)充惰性氣體，溫度開關(guān)不可以側(cè)裝，側(cè)裝會影響溫包的形變，影響儀表本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致測量不精確，甚至?xí)蹚?、氣體泄漏。NTC 熱敏電阻和Pt100 鉑熱電阻垂直安裝和側(cè)裝兩種方式都可以測量。

從儀表的運(yùn)行及維護(hù)角度考慮：溫度開關(guān)都是國外進(jìn)口產(chǎn)品，價格昂貴，后期產(chǎn)品的維護(hù)、更換周期長，售后服務(wù)不便。熱敏電阻和鉑熱電阻都可以采用國內(nèi)成熟產(chǎn)品，價格相對低，后期維護(hù)、更換及時、便捷。

從工藝要求溫度范圍考慮：通風(fēng)系統(tǒng)極限溫度要求，低溫-15℃，高溫100℃。溫度開關(guān)不同量程儀表分別可以滿足低溫和高溫要求。NTC 熱敏電阻僅在25℃～50℃精度準(zhǔn)確，Pt100 鉑熱電阻可以滿足全量程要求，精度高。

鉑熱電阻的電阻信號直接被采集進(jìn)DCS 機(jī)柜或者就地箱調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)變?yōu)?mA ～20mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行輸出。信號可以根據(jù)工藝需求在不同地點進(jìn)行控制、報警、顯示。

國內(nèi)廠家也具備良好的技術(shù)和工藝生產(chǎn)鉑熱電阻，部分廠家的常用型號通過了抗震及耐輻照鑒定。

圖3 電容式壓力變送器原理圖Fig.3 Schematic diagram of capacitive pressure transmitter

2 壓力儀表

2.1 原理及結(jié)構(gòu)[1,2]

1）微差壓開關(guān)

微差壓開關(guān)的工作原理是開關(guān)中的膜片響應(yīng)壓力的變化而移動，驅(qū)動觸點致使開關(guān)在兩個預(yù)設(shè)點動作。預(yù)設(shè)點的斷開、閉合驅(qū)動設(shè)備達(dá)到控制目的，以往核電項目使用數(shù)量較多。

2）模擬量壓力變送器

壓力變送器主要有電容式和擴(kuò)散硅式壓力變送器。

電容式微差壓變送器是根據(jù)變電容原理工作的，它的傳感器是電容，利用彈性元件受壓變形來改變可變電容器的電容量，從而實現(xiàn)壓力-電容的轉(zhuǎn)換。

用數(shù)學(xué)公式更簡潔地說明工作原理：

當(dāng)P1=P2 時，C1=C2=K2/d0，K2=εS/4π。

其中，ε 為絕對介電常數(shù)；S 為兩極板正對面積；4π為計算常數(shù)。

當(dāng)P1 ＞P2 時，Ci1=εA/d1。

測量膜片新移動距離：d1=Δd+d0，Δd=K1ΔP。其中，K1 是彈力系數(shù)；ε 是電極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；A 為板面積；P2 為大氣壓。

3）擴(kuò)散硅式壓力變送器

擴(kuò)散硅式壓力變送器工作原理：介質(zhì)壓力作用于波紋膜片上，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，從而使傳感器膜片表面的硅壓敏電阻的電阻值發(fā)生變化。擴(kuò)散硅式壓力變送器的傳感元件是擴(kuò)散硅壓阻芯片，同樣可以將電阻信號轉(zhuǎn)變?yōu)?mA ～20mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行輸出。

擴(kuò)散硅式壓力變送器利用半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)實現(xiàn)阻值變化，特點是敏感度高，產(chǎn)品一致性差。

2.2 儀表特點對比分析

微差壓開關(guān)儀表在核電廠通風(fēng)系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛，但其問題也比較明顯：回差較大，導(dǎo)致報警無法正常消報，甚至無法滿足設(shè)備運(yùn)行和控制聯(lián)鎖要求，需要人員手動去現(xiàn)場消報；回差過小，又會導(dǎo)致信號抖動，頻繁報警，或頻繁啟停設(shè)備。由于這類情況屢次發(fā)生，考慮用其他微差壓變送器替代差壓開關(guān)。

目前，電容式微差壓變送器、擴(kuò)散硅式壓力變送器在核電廠其他系統(tǒng)有著普遍的應(yīng)用，本節(jié)對微差壓開關(guān)和這兩種變送器的原理、特性、安裝及運(yùn)行維護(hù)要求等不同方面展開對比，總結(jié)出3 種儀表各自的優(yōu)勢和缺點，為微差壓儀表選型提供建議。

從儀表的原理角度考慮：微差壓開關(guān)是通過位移來測量壓力的，觸點的通斷由驅(qū)動開關(guān)控制，由機(jī)械部件組成；擴(kuò)散硅式壓力變送器是通過電阻值的改變來測量壓力的，由硅及膜片構(gòu)成測量元件，靈敏度高、但膜片易受損；電容式差壓變送器是通過電容的改變來測量壓力的，由中心膜片構(gòu)成測量元件，測量精度高，性能穩(wěn)定[4]。

從儀表的特性方面考慮：微差壓開關(guān)儀表微差壓值可以做到2.5Pa。擴(kuò)散硅式壓力變送器差壓值不能承受動態(tài)過載壓力，低于0℃，溫度穩(wěn)定性大幅降低，一般不用于測量差壓。電容式差壓變送器含有δ 室，處于密閉結(jié)構(gòu)，耐腐蝕，抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，中心膜片為不銹鋼金屬材質(zhì)，承壓好、不變形。

從儀表的安裝角度考慮：開關(guān)量儀表中心膜片要求絕對豎直，現(xiàn)場是垂直安裝，避免因為重力影響測量精度。變送器可以側(cè)裝，膜片受重力影響，可以通過在線遷移調(diào)整“0”位。

從工藝要求范圍考慮：通風(fēng)系統(tǒng)一般測量的是電加熱器或風(fēng)機(jī)前后進(jìn)出口的壓力差，監(jiān)測的差值較小，有的甚至只有10Pa。如某些通風(fēng)系統(tǒng)的部分微差壓檢測儀表，差壓值僅10Pa。部分通風(fēng)系統(tǒng)處于放射性環(huán)境中，要保證接觸元件性質(zhì)穩(wěn)定。微差壓開關(guān)可以滿足上述工藝，擴(kuò)散硅式壓力變送器針對微差壓值較低的量程供貨商難以滿足，電容式差壓變送器微差壓量程范圍可達(dá)到0Pa ～160Pa，精度保證全量程的0.5%。當(dāng)測點低至10Pa 時，精度達(dá)到10%。

電容式差壓變送器分為檢測環(huán)節(jié)和變送環(huán)節(jié)，檢測環(huán)節(jié)由被測壓力的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化；變送環(huán)節(jié)則將電容變化量轉(zhuǎn)換成4mA ～20mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行輸出。信號可以直接被采集進(jìn)DCS 機(jī)柜或者就地箱調(diào)節(jié)器，根據(jù)工藝需求在不同地點進(jìn)行控制、報警、顯示。差壓變送器信號框圖如圖4 所示。

圖4 差壓變送器框圖Fig.4 Block diagram of differential pressure transmitter

國內(nèi)供貨商的電容式微差壓變送器具備良好的設(shè)計和工藝技術(shù)，部分廠家的常用型號通過了抗震及耐輻照鑒定。

3 結(jié)論

基于以上分析結(jié)果，Pt100 鉑熱電阻具有精度高、測量范圍廣、穩(wěn)定性高，且阻值和溫度具有良好的線性關(guān)系，安裝方式?jīng)]有限制等優(yōu)點，能夠滿足核電廠通風(fēng)系統(tǒng)溫度采集的特點；電容式微差壓變送器具有低測量值、穩(wěn)定性高、承壓范圍廣等優(yōu)點，能夠滿足核電廠通風(fēng)系統(tǒng)微差壓采集的多數(shù)需求，但是在差壓值非常低的情況下，電容式微差壓變送器精度降低，不具備明顯優(yōu)勢。因此，在核電廠通風(fēng)系統(tǒng)儀表優(yōu)化設(shè)計方案中，統(tǒng)一考慮采用Pt100 鉑熱電阻進(jìn)行溫度測量，考慮差壓值極低時仍使用微差壓開關(guān)或者采集風(fēng)機(jī)狀態(tài)聯(lián)鎖控制差壓表所監(jiān)測設(shè)備，普通的微差壓值測點可以采用電容式微差壓變送器進(jìn)行差壓測量。