自然循環(huán)廢液蒸發(fā)器液位測量分析及仿真

高永新，付 豪

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

0 引言

在核電廠廢液處理系統(tǒng)中，廢液蒸發(fā)器是重要的工藝設(shè)備。核電廠廢液蒸發(fā)器采用自然循環(huán)外加熱式蒸發(fā)器。蒸發(fā)器液位通過連鎖進(jìn)料閥進(jìn)行自動調(diào)節(jié)控制，使蒸發(fā)器液位保持在目標(biāo)液位。蒸發(fā)器液位的平穩(wěn)控制在廢液蒸發(fā)處理時起關(guān)鍵作用。液位過高時，會因蒸汽帶液影響汽水分離；液位過低時，會影響蒸汽和廢液的自然循環(huán)，對系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行造成影響[1]。因此，保證蒸發(fā)器液位測量的準(zhǔn)確、可靠非常重要。

1 廢液蒸發(fā)器簡介

廢液蒸發(fā)器為外加熱自然循環(huán)式，由加熱器和蒸發(fā)器組成。加熱器分為管程和殼程。加熱器管程內(nèi)，廢液通過蒸汽加熱至沸騰汽化，使汽液混合的廢液密度顯著降低，在加熱器和蒸發(fā)器之間形成不平衡靜壓差，從而獲得向上的推動力，再由加熱器上出口流入蒸發(fā)器。廢液在重度差的作用下循環(huán)蒸發(fā)。蒸汽流量越大，獲得的推動力越強(qiáng)，循環(huán)速度越快[2]。由蒸發(fā)器頂部管道排出廢液蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽，由蒸發(fā)器底部管道補(bǔ)充廢液，使液位達(dá)到動態(tài)平衡。正常運(yùn)行時，蒸發(fā)量約為3.85 t/h。待廢液中不可蒸發(fā)物濃度達(dá)到一定指標(biāo)，再將廢液全部排空。廢液具有溫度高、放射性高、化學(xué)物質(zhì)多等特點(diǎn)。廢液蒸發(fā)器如圖1所示。

圖1 廢液蒸發(fā)器示意圖

2 蒸發(fā)器液位測量

根據(jù)廢液介質(zhì)特性及測量條件，廢液蒸發(fā)器液位測量選用差壓式液位計(jì)。依據(jù)液體壓強(qiáng)公式，通過測量蒸發(fā)器內(nèi)液體側(cè)與氣體側(cè)的壓強(qiáng)差，計(jì)算得出蒸發(fā)器液位。廢液中含有較多的化學(xué)物質(zhì)。隨著水分的蒸發(fā)，廢液密度不斷上升。如果僅用一個固定值來代表廢液密度，液位計(jì)算值會有較大偏差。因此，需要連續(xù)監(jiān)測廢液密度，以提高液位測量精度，并減小密度變化帶來的液位計(jì)算值偏差。另外，廢液密度測量也用于輔助判斷廢液濃縮程度。

2.1 廢液密度測量

廢液密度一般為1.0～1.4 g/cm3。廢液密度的測量同樣采用差壓法。依據(jù)液體壓強(qiáng)公式，通過測量蒸發(fā)器內(nèi)液體側(cè)不同高度的兩點(diǎn)壓強(qiáng)差，計(jì)算得出蒸發(fā)器廢液密度。

2.2 安裝和計(jì)算方法

差壓變送器的測量原理是：將來自引壓管中的壓力作用于傳感器測量元件上；測量元件將測得的壓差值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電信號(4～20 mA信號)輸出[3]。差壓變送器安裝示意圖如圖2所示。

圖2 差壓變送器安裝示意圖

蒸發(fā)器液位保持在取壓口B與取壓口C之間。取壓口A、取壓口B處為液相。取壓口C處為氣相。取壓口A處為液位零點(diǎn)。依據(jù)液體壓強(qiáng)公式：由差壓變送器1測量值計(jì)算介質(zhì)密度ρ；由差壓變送器2測量值計(jì)算液位L2；由差壓變送器3測量值計(jì)算液位L1。在取壓口C設(shè)置充除鹽水的冷凝罐，用于隔離高溫蒸汽。差壓變送器表頭布置在低放射性區(qū)域。根據(jù)液體壓強(qiáng)公式，可計(jì)算得出廢液密度和液位[4]。

依據(jù)差壓變送器1的測量值，廢液密度ρ的計(jì)算公式為：

(1)

式中：ρ為蒸發(fā)器介質(zhì)密度；ΔP1為差壓變送器1測量值；H1為差壓變送器1正負(fù)壓側(cè)法蘭垂直間距；g為重力加速度；ρ1為毛細(xì)管硅油密度。

依據(jù)差壓變送器3的測量值，L1的計(jì)算公式為：

(2)

式中：L1為蒸發(fā)器液位；ΔP3為差壓變送器3的測量值；H2為差壓變送器1負(fù)壓側(cè)法蘭與差壓變送器2正壓側(cè)法蘭垂直間距；H3為差壓變送器2正負(fù)壓側(cè)法蘭垂直間距；H4為差壓變送器3負(fù)壓側(cè)法蘭至冷凝罐垂直間距；ρ2為儀表管除鹽水密度。

依據(jù)差壓變送器2的測量值，L2的計(jì)算公式為：

(3)

式中：L2為蒸發(fā)器液位；ΔP2為差壓變送器2測量值。

2.3 調(diào)試運(yùn)行測量值

在系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行時，以除鹽水代替廢液。在常壓下，20 ℃除鹽水密度為0.998 g/cm3，100 ℃除鹽水密度為0.958 g/cm3。溫度越高，除鹽水密度越低[5]。在常溫下，除鹽水密度值顯示為1.0 g/cm3。隨著加熱器蒸汽流量逐漸增加，蒸發(fā)器內(nèi)除鹽水溫度上升，除鹽水密度計(jì)算值下降。在除鹽水溫度達(dá)到100 ℃時，繼續(xù)增大蒸汽流量，溫度不變后密度計(jì)算值持續(xù)下降。當(dāng)蒸汽流量達(dá)到設(shè)計(jì)值后保持不變，待系統(tǒng)建立穩(wěn)定自然循環(huán)，達(dá)到正常運(yùn)行工況，介質(zhì)溫度100 ℃，介質(zhì)密度值顯示為0.82 g/cm3左右，小于理論值0.958 g/cm3。由于蒸發(fā)器液位是通過密度值計(jì)算得出的，密度計(jì)算值的偏差導(dǎo)致了液位計(jì)算值的偏差。

2.4 測量誤差原因分析

經(jīng)過現(xiàn)場勘查和工藝條件分析，本文得出可能的影響因素，即安裝布置和介質(zhì)流動。

2.4.1 安裝布置引起的溫度差

取壓口B自蒸發(fā)器引出后，向下與差壓變送器1負(fù)壓側(cè)毛細(xì)管連接，見圖2中H2段。在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)蒸發(fā)器內(nèi)介質(zhì)溫度為100 ℃時，H2段引壓管底部為28 ℃，頂部則為100 ℃左右，上下溫度偏差大，導(dǎo)致有較大的密度差。而在密度計(jì)算公式中，認(rèn)為H2段引壓管內(nèi)介質(zhì)密度與蒸發(fā)器內(nèi)相同，必然引起測量誤差[6]?，F(xiàn)場實(shí)測標(biāo)高，H1為0.591 m、H2為0.759 m、硅油密度ρ1為0.98 g/cm3。根據(jù)密度計(jì)算公式，假設(shè)H2段引壓管內(nèi)介質(zhì)溫度分別為100 ℃和28 ℃時，H2段引壓管溫度差引起的密度差值可達(dá)0.049 g/cm3。H2段引壓管內(nèi)介質(zhì)平均溫度越低，密度計(jì)算值越小。

2.4.2 介質(zhì)流動引起的壓強(qiáng)差

蒸發(fā)器在取壓口A與取壓口B處截面直徑不同，存在變徑。由于廢液蒸發(fā)器在蒸發(fā)處理時介質(zhì)循環(huán)流動，且蒸發(fā)器存在變徑，流束在變徑處收縮集中，使流速增加，即取壓口A處介質(zhì)流速大于取壓口B處介質(zhì)流速。根據(jù)伯努利方程，有：

(4)

式中：P1為取壓口A處壓強(qiáng)；P2為取壓口B處壓強(qiáng)；V1為取壓口A截面平均流速；V2為取壓口B截面平均流速。

從而得到：

(5)

由于V1>V2，P1-P2<ρg(H1+H2)。流速越大，P1-P2越小，則計(jì)算得到的密度值越小。在密度及液位計(jì)算方法中，液體壓強(qiáng)的大小只取決于液體的密度和深度，忽略了介質(zhì)流速變化產(chǎn)生的壓強(qiáng)變化，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與理論值存在偏差。在實(shí)際運(yùn)行中，V1、V2無法準(zhǔn)確獲得。此外，式(4)適用于理想不可壓縮流體，在實(shí)際應(yīng)用中還受摩擦阻力等因素的影響[7]，無法準(zhǔn)確獲得流速變化引起的壓強(qiáng)偏差。

2.5 引壓管布置問題驗(yàn)證和優(yōu)化

H2段引壓管內(nèi)介質(zhì)溫度差造成的密度誤差可以通過排放介質(zhì)進(jìn)行驗(yàn)證。在差壓變送器1負(fù)壓側(cè)法蘭連接處排水，用蒸發(fā)器內(nèi)高溫介質(zhì)替換掉H2段引壓管內(nèi)低溫介質(zhì)，使其等溫。

記錄結(jié)果如下：在停蒸汽狀態(tài)下，蒸發(fā)器內(nèi)介質(zhì)溫度100 ℃，排水前密度值顯示為0.93 g/cm3；排水后H2段引壓管內(nèi)介質(zhì)溫度與蒸發(fā)器內(nèi)相同，密度值顯示為0.96 g/cm3。排水前后密度測量值相差0.03 g/cm3。經(jīng)多次驗(yàn)證，H2段引壓管溫度差對密度測量確有影響。

為消除H2段引壓管溫度差帶來的密度測量影響，可將此段管道去除，使差壓變送器法蘭與蒸發(fā)器取壓口水平相接，并對引壓管作保溫處理。優(yōu)化引壓管后差壓變送器安裝示意圖如圖3所示。

圖3 優(yōu)化引壓管后差壓變送器安裝示意圖

去除掉H2后再次用除鹽水模擬運(yùn)行，對比上次運(yùn)行過程，測量密度值變化趨勢相同，最小值相比增大。隨著蒸汽流量增加，除鹽水密度由1.0 g/cm3逐漸降低，在蒸汽流量達(dá)到設(shè)計(jì)值后保持不變。系統(tǒng)建立穩(wěn)定自然循環(huán)后，達(dá)到正常運(yùn)行工況，介質(zhì)溫度為100 ℃，介質(zhì)密度值顯示為0.86 g/cm3左右。

優(yōu)化引壓管后，蒸發(fā)運(yùn)行時的密度測量值較理論值0.958 g/cm3仍有偏差，且蒸汽流量越大，密度測量值越小。而蒸汽流量與自然循環(huán)速度成正相關(guān)，故判斷密度測量受自然循環(huán)的速度影響。為了更好地理解自然循環(huán)速度對密度測量及液位測量的影響，以下通過模擬軟件對蒸發(fā)器流場進(jìn)行模擬仿真。

3 模擬流場

蒸發(fā)器二維模型如圖4所示。

圖4 蒸發(fā)器二維模型

為直觀了解廢液蒸發(fā)器運(yùn)行過程對密度和液位測量的影響，本文使用FLUENT軟件進(jìn)行建模計(jì)算。為簡化模型，假設(shè)蒸發(fā)器液位始終保持在循環(huán)入口中心位置，即1.8 m液位處，流入與流出保持穩(wěn)定平衡，省略加熱器及蒸發(fā)器內(nèi)氣體部分。按實(shí)際尺寸建立蒸發(fā)器的二維幾何模型，蒸發(fā)器直徑為1.6 m，下出口管道直徑為0.345 m。網(wǎng)格劃分采用Quad/Tri，網(wǎng)格尺寸為0.01 m，共68 428個網(wǎng)格。

3.1 參數(shù)設(shè)定

本次模擬只針對蒸發(fā)器部分。圖4中，入口1為進(jìn)料口，入口2為循環(huán)入口，出口為循環(huán)出口，液位保持不變。設(shè)定邊界條件，入口1為速度入口，入口2為速度入口，出口為自由出口，其他邊界為墻。設(shè)置FLUENT求解器為壓力基，瞬態(tài)，重力加速度為9.8 m/s2，計(jì)算模型為Realizable k-ε，介質(zhì)為水，密度0.96 g/cm3，初始化速度、壓力為零。本次仿真主要分析變徑對流動介質(zhì)靜壓的影響。為方便觀察，設(shè)置操作密度為0.96 g/cm3，即靜止?fàn)顟B(tài)下介質(zhì)內(nèi)部各點(diǎn)壓強(qiáng)顯示為0，忽略液體自重產(chǎn)生的靜壓力，計(jì)算時需加上液體靜壓強(qiáng)。

3.2 仿真計(jì)算結(jié)果

根據(jù)工藝設(shè)計(jì)參數(shù)：入口1在充液時最大可達(dá)流速約為2.3 m/s，正常蒸發(fā)運(yùn)行時最大流速約為1.8 m/s；入口2最大流速約為2.7 m/s。設(shè)置求解器入口1為2 m/s，在入口2分別為0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s、2 m/s、2.5 m/s時，通過模擬計(jì)算得到取壓口A和取壓口B處壓強(qiáng)。不同流速下取壓口A、取壓口B處壓強(qiáng)變化趨勢如圖5所示。

圖5 不同流速下取壓口A、取壓口B壓強(qiáng)變化趨勢

P1與P2壓強(qiáng)差如圖6所示。

圖6 P1與P2壓強(qiáng)差

分別用P1減去P2，計(jì)算P1與P2的壓差。

由圖5和圖6可知， 在循環(huán)流速不變的情況下，仿真計(jì)算在40 s后，壓強(qiáng)能保持相對穩(wěn)定，因此可取40 s后壓強(qiáng)的平均值作為密度及液位計(jì)算數(shù)值。在不同流速下，隨著介質(zhì)循環(huán)流速增加，B處壓強(qiáng)變化較小，A處壓強(qiáng)則大幅降低。模擬仿真中，不涉及差壓變送器正負(fù)壓側(cè)的毛細(xì)管硅油及冷凝罐除鹽水。將硅油密度及除鹽水密度設(shè)為0。計(jì)算時，將仿真得到的各點(diǎn)壓強(qiáng)加上液體靜壓強(qiáng)。根據(jù)式(1)～式(3)，各循環(huán)流速的仿真結(jié)果如表1所示。

表1 各循環(huán)流速的仿真結(jié)果

3.3 模擬仿真結(jié)論

各流速下流場穩(wěn)定后，蒸發(fā)器側(cè)壁處的壓強(qiáng)偏差分布如圖7所示。

圖7 蒸發(fā)器側(cè)壁壓強(qiáng)偏差分布

根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果可知，隨著循環(huán)流速的增大，計(jì)算得出的介質(zhì)密度逐漸變小，而液位則逐漸變大，且L1與L2計(jì)算得出的液位相同。經(jīng)與實(shí)際運(yùn)行測量結(jié)果相比較，仿真得到的介質(zhì)密度與調(diào)試運(yùn)行結(jié)果趨勢相符。以1 800 mm作為液位目標(biāo)值時，液位高、低報(bào)警閾值分別為1 900 mm和1 600 mm。當(dāng)入口2流速大于2 m/s后，液位偏差已在100 mm以上，在蒸發(fā)運(yùn)行中可能存在實(shí)際液位超出高、低閾值的情況。這使得系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行存在較大風(fēng)險(xiǎn)。

在圖7中，蒸發(fā)器側(cè)壁壓強(qiáng)在下出口最窄處(液位0.7 m)壓強(qiáng)最小，循環(huán)流速越大，壓強(qiáng)偏差越大。測量密度的上、下取壓口都必須充滿液體。根據(jù)壓強(qiáng)變化趨勢，在模型液位0.7 m上方壓強(qiáng)變化最小。由于最低液位原因，取壓口可選范圍較小，僅有不到0.4 m高度，不滿足差壓變送器安裝條件。如在液位0.7 m下方管道處測量密度，可分別選取液位-1.4 m和-0.5 m處為密度測量差壓變送器取壓口，壓強(qiáng)值分別為P3和P4，據(jù)此計(jì)算密度值。此段壓強(qiáng)變化較為平滑。差壓變速器2和差壓變送器3的取壓口不變，壓強(qiáng)值見表1中P1和P2，據(jù)此計(jì)算液位值。優(yōu)化取壓口位置后，密度與液位計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化取壓口位置后密度與液位計(jì)算結(jié)果

取壓口位置優(yōu)化后密度偏差變小，L2偏差變小，但L1偏差變大。L2的偏差范圍很小，可以滿足系統(tǒng)運(yùn)行需求;但L1偏差范圍過大，無法滿足系統(tǒng)運(yùn)行需求。液位偏差是由廢液蒸發(fā)器的工藝條件和差壓法測量原理決定的，可以減小但難以避免。由于優(yōu)化取壓口位置后L1偏差過大，故考慮在此處取消差壓變送器，使用其他原理的液位計(jì)代替。

4 其他液位測量方法

除差壓式液位計(jì)外，核電廠中常用的液位計(jì)還有浮球液位計(jì)、靜壓式液位計(jì)、電容式液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、磁翻板液位計(jì)和浮筒液位計(jì)等[8]。廢液蒸發(fā)器可考慮選用其他測量原理的液位計(jì)。蒸發(fā)器內(nèi)二次蒸汽設(shè)計(jì)溫度160 ℃，設(shè)計(jì)壓力0.5 MPa。蒸發(fā)器頂部距底最大距離為4 m。廢液具有高放射性，其中的化學(xué)物質(zhì)包括各種鹽類及懸浮固體。根據(jù)廢液蒸發(fā)器介質(zhì)特性與安裝條件，可選用分體式導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行液位測量。

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)基于時域反射原理，高頻率的微波脈沖沿導(dǎo)波桿傳播。當(dāng)遇到被測介質(zhì)表面時，由于介電常數(shù)發(fā)生突變，微波脈沖被反射形成回波并沿相同路徑返回，儀表電子部件通過分析微波脈沖運(yùn)行時間算得出液位高度。高頻率的導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)對蒸汽不敏感，不受被測介質(zhì)的密度、介電常數(shù)、溫度、壓強(qiáng)等工藝條件變化影響，在導(dǎo)波桿上粘附介質(zhì)也不會影響測量結(jié)果，安裝維護(hù)簡單，測量精度高[9-11]。分體式導(dǎo)波雷達(dá)可將儀表電子部件安裝在遠(yuǎn)離高放射性區(qū)域，以提高儀表使用壽命。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)安裝示意圖如圖8所示。

圖8 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)安裝示意圖

分體式導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)安裝在廢液蒸發(fā)器頂部。由于其測量原理不同于差壓變送器，避免了介質(zhì)溫度差異和流速變化導(dǎo)致的測量誤差。如同時采用導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)和差壓式液位計(jì)，可以避免液位計(jì)共因失效的發(fā)生，增強(qiáng)液位測量的可靠性。

5 結(jié)論

自然循環(huán)廢液蒸發(fā)器由于介質(zhì)流動及上、下取壓口存在變徑的影響，差壓變送器會產(chǎn)生測量偏差，流速越大，偏差越大。對密度及液位計(jì)的安裝及選型可采用以下優(yōu)化措施。

①重新選擇取壓口位置，測量密度的差壓變送器上、下取壓口優(yōu)先布置于同管徑位置，以及液位差壓變送器下取壓口優(yōu)先布置于管徑較大位置，從而減少由伯努利效應(yīng)產(chǎn)生的壓強(qiáng)偏差所帶來的影響。

②增加其他液位測量方式。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)不受介質(zhì)壓強(qiáng)等工藝條件變化的影響，應(yīng)用2種測量原理的液位計(jì)可以增加液位測量值可靠性，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

在工程實(shí)踐中，某些測點(diǎn)存在的缺陷和不足很難被發(fā)現(xiàn)和解決。對此，只有不斷地吸取經(jīng)驗(yàn)反饋，應(yīng)用更先進(jìn)、成熟的測量技術(shù)，持續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)，才能提升核電廠安全性和自動化水平。