內(nèi)置換料水箱液位變送器選型研究與優(yōu)化

內(nèi)置換料水箱（ＩＲＷＳＴ）液位儀表用于在正常運行和事故工況下連續(xù)監(jiān)測，提供#高和#低水位報警和顯示，上海上自儀公司為操作員提供操作依據(jù)。文章通原理、性能、可維護性等方面進行比較，提出了選型建議和改進建議，為后續(xù)華龍一號工程內(nèi)置換料水箱（ＩＲＷＳＴ）液位儀表選型和改進提供了借鑒

概述

華龍一號內(nèi)置換料水箱（ＩＲＷＳＴ）為混凝土結(jié)構(gòu)并覆有不銹鋼襯里，是安全殼結(jié)構(gòu)的一部分，ＩＲＷＳＴ里含硼水與安注箱內(nèi)的含硼水一樣的硼濃度ｍｇ／Ｌ且≤２５００ｍｇ／Ｌ），ＩＲＷＳＴ能提供足夠的含硼水，在異常運行工況下，向化學和容積控制系統(tǒng)（ＲＣＶ）提供含硼水；在換料冷停堆期間，用于為反應堆換料水池、堆內(nèi)構(gòu)件儲存池和燃料轉(zhuǎn)運艙充水，以完成換料操況下，ＩＲＷＳＴ作為安全級的設備，可為安注系統(tǒng)（ＲＳＩ）和安全殼噴淋系統(tǒng)（ＣＳＰ）提供安全水源。

ＩＲＷＳＴ配備兩個寬量程（０～３．８ｍ）和兩個窄量程（２．２～３ｍ）連續(xù)液位測量通道。寬量程ＲＳＩ００４ＭＮ和ＲＳＩ００５ＭＮ用于在正工況下連續(xù)監(jiān)測ＩＲＷＳＴ水位。窄量程ＲＳＩ００１ＭＮ和ＲＳＩ００２ＭＮ用于在正常運行工況下監(jiān)視ＩＲＷＳＴ水位是否在運行規(guī)范要求的范圍內(nèi)２．６３ｍ時，觸發(fā)低水位報警提示操作員ＩＲＷＳＴ需要補水；水位高于２．７３ｍ時，觸發(fā)高液位報警提示操作員注意可能有其他水源進入。這些傳Ｓ系統(tǒng)向操作員提供高、低水位報警和模擬量液位顯示。２當前工程現(xiàn)狀及存在問題

２．１現(xiàn)狀分析

華龍一號全球shou堆福清核電５號機組ＩＲＷＳＴ液位變送器選型：窄量程選用浮筒式液位變送器；寬量程選用Ｋ１級的正壓密封件，采用毛細管導壓的遠傳法蘭差壓式變送器。

浮筒式液位變送器應用的是阿基米德原理，即“浸入液體中的物體所承受的浮力等于它所排開的液體的重量”，公式為Ｆ＝ρ１ｇｈ－ρ２ｇ（Ｌ－ｈ）。

浮筒式液位變送器使用彈簧連接浮筒，則該浮力可看作掛在彈簧下面的浮筒元件重量的有效減輕量，即彈簧拉伸Ｆ。因此當液位改變時，浸入液體中的浮筒體積變化，浮筒受到的浮力相應改變，導致彈簧收縮或拉伸，從而帶動壓力管內(nèi)的鐵芯做線性垂直運動當可變差動變壓器）中鐵芯的位置隨著液位變化而變化時，ＬＶＤＴ中兩個次級線圈的電壓差信號與鐵芯的位移成正比，電壓差信號反饋至微處理器控制的號經(jīng)過電路處理并轉(zhuǎn)換為ＤＣ４～２０ｍＡ的標準電流信號輸出。

遠傳法蘭差壓變送器安裝情況如圖２所示。浮筒式液位變送器通過法蘭安裝方式安裝于ＩＲＷＳＴ上層環(huán)廊地面位置，在法蘭下方的ＩＲＷＳＴ內(nèi)部，安空心的不銹鋼管作為液位變送器保護罩，以減輕液面波動對浮筒式液位變送器浮筒造成的影響。遠傳法蘭差壓變送器配有５ｍ長毛細管的遠傳隔離膜片，沿不銹裝儀表管支架。變送器本體和低壓側(cè)隔離膜片安裝在ＩＲＷＳＴ上層環(huán)廊中，帶有５ｍ長毛細管導壓的高壓側(cè)投入式隔離膜片安裝在焊接于ＩＲＷＳＴ底高壓側(cè)和低壓側(cè)分別測量ＩＲＷＳＴ內(nèi)液位的靜壓力和上層環(huán)廊空氣壓力（代替ＩＲＷＳＴ內(nèi)上部空間氣體壓力），通過高低壓側(cè)的壓力差值轉(zhuǎn)換計算Ｔ內(nèi)的液位高度。

２．２存在問題

２．２．１浮筒式液位變送器

（１）誤差分析。

根據(jù)技術規(guī)格書的設計輸入，ＩＲＷＳＴ中的硼濃度≥２３００ｍｇ／Ｌ的含硼水設計壓力０．５２ＭＰａ（ａ），設計溫度１５６℃，設計參數(shù)為在事數(shù)，而正常工況工作壓力０．１ＭＰａ（ａ），工作溫度１５～５５℃。由上可知兩種不同工況ＩＲＷＳＴ中含硼水參數(shù)差別大，從而圖１中的ρ１和ρ下差距大，而且實際運行過程中，參數(shù)是經(jīng)常改變的，所以ρ１、ρ２是隨工況變化而變化的，測量結(jié)果與浮力Ｆ＝ρ１ｇｈ－ρ２ｇ（Ｌ－ｈ）直接相關設計工況或者正常工況的參數(shù)進行設置，只要實際參數(shù)與設置參數(shù)有偏差，就會產(chǎn)生誤差。現(xiàn)場調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，按事故工況設置，則在正常工況下測量誤差６～０．１２２ｍ（現(xiàn)場介質(zhì)溫度不同時，導致的誤差不同）；反之，按照溫度５５℃，壓力０．１ＭＰａ（ａ）的工況設置，則在事故工況下誤差為０右。同理可知，在實際運行工況中，偏差也是一直存在的，且偏差大小是隨工況的變化而變化的。

調(diào)試安裝時，從實驗室將液位計搬運至現(xiàn)場安裝后發(fā)現(xiàn)零點已發(fā)生偏移，經(jīng)分析，可能有兩方面原因：一是檢驗后浮筒上仍有液體附著，導致浮筒重力加值顯示偏??；二是搬運過程和安裝過程中的振動導致浮筒液位變送器機械連接部件或彈簧發(fā)生變化，導致發(fā)生零點偏移。

在正常使用中，介質(zhì)附著于浮筒上、液面波動導致浮筒振動、長時間使用導致彈簧發(fā)生細微形變等方面的原因也將在一定程度上導致測量結(jié)果產(chǎn)生偏差。

（２）誤差影響。

根據(jù)安全注入系統(tǒng)報警手冊中的要求，窄量程水位測點００１ＭＮ／００２ＭＮ分別通過邏輯判斷形成ＩＲＷＳＴ水位高報警和ＩＲＷＳＴ水位低報警。報警，操作員需根據(jù)系統(tǒng)設備狀態(tài)和其他參數(shù)判斷反應堆安全殼內(nèi)是否存在不明泄漏，如果有額外的水流入（例如：帶有放射性的廢水流入反應堆廠房環(huán)路并通過安注或安噴系統(tǒng)泵吸入管道上的疏排管線進行排水；觸發(fā)水位低報警時，如果無安注信號，并且不是在換料操作過程中，則可能是ＩＲＷＳＴ安注或安噴系統(tǒng)吸水管道或閥門泄漏導致的。操作員需通過ＲＢＭ系統(tǒng)為ＩＲＷＳＴ補水、檢查ＩＲＷＳＴ鋼覆面泄漏監(jiān)測地坑液位以驗證是否為鋼覆面全廠房ＲＶＤ地坑液位以驗證是否為安注或安噴系統(tǒng)管道或閥門泄漏，并根據(jù)驗證結(jié)果采取必要的隔離措施。

所以，當存在測量誤差時，將大概率誤觸發(fā)水位高、低報警或者導致實際水位持續(xù)處于偏高或偏低狀態(tài)，影響操作員做出正常判斷和操作，從而影響機組行。

２．２．２遠傳法蘭差壓變送器

遠傳法蘭差壓變送器采用差壓原理進行液位測量，通過測出的差壓值來計算液位高度，根據(jù)當前設計，在計取事故工況下的密度，但實際運行工況與事故工況相差大，且處于變化狀態(tài)，所以設計上存在計算偏差。

寬量程水位是事故后監(jiān)測系統(tǒng)（ＰＡＭＳ）的組成部分，根據(jù)機組運行技術規(guī)格書和ＱＳＲ定期試驗監(jiān)督大綱要求，操作員需８ｈ進行一次液位一致性檢需每１個換料周期進行一次零點檢查、每８個換料周期進行一次校驗。遠傳法蘭差壓變送器高壓側(cè)投入式隔離膜片安裝在焊接于ＩＲＷＳＴ底部的支架上零點檢查或校驗儀表，則必須將ＩＲＷＳＴ排空，進入ＩＲＷＳＴ進行工作。ＩＲＷＳＴ總?cè)莘e約２４００ｍ３，正常容積為２２２５～２３１０ｍ３里面存儲的液體為硼濃度≥２３００ｍｇ／Ｌ的含硼除鹽除氧含碳水，當前并無可以存放如此大容積放射性液體的容器；ＩＲＷＳＴ為安全設計，水箱排空存在安全隱患，對于核電廠的排放指標也會有較大護人員進入ＩＲＷＳＴ密閉空間進行工作極為困難，且需要核清潔人員進行去污，不利于核電廠職業(yè)照射劑量的控制，同時工作過程也存在較大的引入異期間排空水會帶來額外工期影響。

３后續(xù)工程改進

通過上述的分析可知，窄量程選用浮筒式液位變送器將導致較大的測量偏差，而寬量程選用毛細管導壓的遠傳法蘭差壓式變送器，存在計算偏差且后續(xù)執(zhí)校驗存在較大困難。所以在漳州核電廠１、２號機組工程采購中，通過提出華龍設計優(yōu)化項，已將窄量程液位計選型改為導波雷達液位變送器，而寬量程研發(fā)安全級為１Ｅ，鑒定等級為Ｋ１且滿足抗震Ｉ類要求的導波雷達液位變送器進行替換，安全級導波雷達液位變送器需采用分體安裝，且由于寬量程長安裝空間受到限制，需要考慮導波桿的分段可折疊、分段安裝和分段拆卸或采用導波纜的形式。

導波雷達液位變送器是基于電磁波的時域反射原理為基礎的雷達液位計，液位變送器的電磁波發(fā)生器產(chǎn)生一個沿探桿向下傳播的電磁脈沖波，當電磁脈沖傳導介質(zhì)（比如空氣）介電常數(shù)大的液面時，電磁脈沖波會被反射形成回波并沿相同路徑返回到脈沖發(fā)射裝置。發(fā)射裝置與被測介質(zhì)表面的距離同脈沖在間成正比，通過很高速計時電路計算脈沖從發(fā)射到反射的時間差，即可計算得出液位高度。

根據(jù)工作原理和現(xiàn)場應用經(jīng)驗，導波雷達變送器具有如下優(yōu)點：導波雷達液位變送器的測量不受介質(zhì)變化、溫度變化、惰性氣體及蒸汽、粉塵、泡沫等的度高，穩(wěn)定性強；可以使用螺紋和法蘭連接安裝，拆裝方便，有利于現(xiàn)場的安裝與檢修維護；儀表校驗簡單，在現(xiàn)場即可完成零點檢查和校驗工作，同時便于操作；沒有會被磨損和破壞的機械運動部件；檢修維護量小，節(jié)約了生產(chǎn)成本和維護成本［１］。

在安裝方面，導波雷達液位變送器一般情況下可以用法蘭或螺紋連接安裝到容器頂部，探桿方向要與測量介質(zhì)液面垂直，與測量筒壁需要保持一定的距離條件與００１ＭＮ／００２ＭＮ原設計的基本一致，因此福清核電５／６號機組項目也可以考慮通過換型進行優(yōu)化。而寬量程的遠傳法蘭差壓變送器安裝同，換型后采用分體安裝設計，需考慮增加導波桿或?qū)Р娎|的安裝法蘭及保護罩等設計，貫穿件及一次元件到貫穿件電纜路徑等設計修改，根據(jù)需求對圖做出相應的修訂。

４福清項目寬量程遠傳法蘭差壓變送器改進方案

　　福清項目寬量程遠傳法蘭差壓變送器若通過換型改造，變更為導波雷達液位變送器存在以下問題：改為分體式安裝的導波雷達液位計，需要做增加貫件到貫穿件電纜路徑等設計改變；原用于穿法蘭和毛細管的孔洞無法滿足導波雷達液位變送器的需求，需重新安裝法蘭及保護罩等。

遠傳法蘭差壓變送器主要問題有：問題一，當前設計，在計算過程中液體密度取事故工況下的密度，產(chǎn)生計算偏差；問題二，高壓側(cè)投入式隔離膜片安裝ＷＳＴ底部的支架上，導致進行零點檢查或校驗時存在較大困難。根據(jù)介質(zhì)溫度壓力與密度的關系，在液位計算過程中采用隨工況變化而變化的真實密度題一；問題二則可通過改變安裝方式，將原焊接在ＩＲＷＳＴ底部的支架改進為可移動的支架來解決。

在ＩＲＷＳＴ墻上固定好導軌，將高壓側(cè)投入式隔離膜片的安裝支架固定在滑塊上，在滑塊上設置有升降環(huán)，在安裝好高壓側(cè)投入后，在升降環(huán)上固定好足夠長（＞４ｍ）的鏈條。通過鏈條將滑塊緩慢地沿著導軌下放，在每下放半米左右距離時，使用不銹鋼抱箍將毛細管固定在鏈條到ＩＲＷ－ＳＴ底部為止，將鏈條的另一端固定在上一層環(huán)廊導軌處，用于將位于隔離膜片的從ＩＲＷＳＴ底部提升到上一層環(huán)廊。通過這樣的安裝方式零點檢查或校驗極其困難的問題，實現(xiàn)在不排空ＩＲＷＳＴ的情況下完成零點檢查或校驗工作，避免排空水箱帶來的安全隱患，減去人員由于進入ＩＲＷ工作帶來的輻射劑量，同時也避免了ＩＲＷＳＴ引入異物的風險以及排空水帶來額外的制水成本和工期影響。通過改進安裝方式，節(jié)約了運維成本并大大性。

５結(jié)語

ＩＲＷＳＴ在不同工況下，介質(zhì)的溫度壓力變化較大，不適宜采用基于阿基米德原理的浮筒式液位變送器；導波雷達液位變送器在ＩＲＷＳＴ液位測量上變化影響、拆裝方便、易調(diào)試校驗、維護簡單等優(yōu)點；遠傳法蘭差壓變送器通過計算過程優(yōu)化和改進安裝方式同樣可以滿足寬量程測量及維護需求。上海上自儀公司通過今后項目ＩＲＷＳＴ的液位儀表選型起到一定的指導意義。