摘 要:根據(jù)循環(huán)水過濾系統(tǒng)的功能要求和現(xiàn)場條件,簡要說明了液位計(jì)的選型方法。介紹了循環(huán)水過濾系統(tǒng)選用的幾種液位計(jì)的測量原理、安裝要求及優(yōu)缺點(diǎn),包括投入式液位計(jì)、超聲波液位計(jì)和雷達(dá)液位計(jì)。通過分析液位計(jì)在應(yīng)用中遇到的問題,變更了液位計(jì)的選型,由雷達(dá)液位計(jì)代替超聲波液位計(jì)。
循環(huán)水過濾系統(tǒng)中各種液位計(jì)選型分析
循環(huán)水過濾系統(tǒng)是核電站重要的輔助系統(tǒng),功能是對(duì)核電站使用的海水進(jìn)行過濾預(yù)處理。過濾后的海水提供給重要廠用水系統(tǒng)和循環(huán)水系統(tǒng),對(duì)核電站的安全運(yùn)行具有重要的意義。循環(huán)水過濾系統(tǒng)主要由閘門、細(xì)格柵、格柵除污機(jī)、鼓形濾網(wǎng)、濾網(wǎng)沖洗裝置等設(shè)備組成。每個(gè)格柵除污機(jī)和鼓形濾網(wǎng)都設(shè)有液位差計(jì),用于格柵除污機(jī)和鼓形濾網(wǎng)電機(jī)的自動(dòng)啟?刂坪鸵何粓(bào)警。
1 系統(tǒng)功能要求
液位差計(jì)由設(shè)備前后液位計(jì)和數(shù)顯儀組成,格柵除污機(jī)和鼓形濾網(wǎng)前后的液位計(jì)在數(shù)顯儀內(nèi)做差值后送控制系統(tǒng)(格柵除污機(jī)液位差計(jì)送PLC,鼓形濾網(wǎng)液位差計(jì)送DCS)。格柵除污機(jī)和鼓形濾網(wǎng)在自動(dòng)控制模式下,聯(lián)鎖液位差信號(hào)自動(dòng)啟停。以華龍一號(hào)核電機(jī)組為例: (1)格柵除污機(jī)控制要求:當(dāng)液位差值≥0.12m時(shí),格柵除污機(jī)執(zhí)行自動(dòng)運(yùn)行程序;當(dāng)液位差值≥0.25m水柱時(shí),發(fā)送報(bào)警信號(hào)至主控室; (2)鼓形濾網(wǎng)控制要求:當(dāng)液位差值≥0.1m水柱時(shí),自動(dòng)切換到中速電機(jī)運(yùn)行;當(dāng)液位差值≥0.2m水柱時(shí),自動(dòng)切換到高速電機(jī)運(yùn)行;當(dāng)液位差值≥0.3m水柱時(shí),發(fā)送報(bào)警信號(hào)至主控室;當(dāng)液位差計(jì)信號(hào)≥0.8m水柱時(shí),發(fā)送第二次報(bào)警信號(hào)至主控室,循環(huán)水泵自動(dòng)脫扣。
循環(huán)水過濾系統(tǒng)是核安全相關(guān)系統(tǒng),為增加系統(tǒng)的可靠性,液位差計(jì)采用冗余設(shè)置。
2 儀表安裝環(huán)境
格柵除污機(jī)位于進(jìn)水渠道的細(xì)格柵和格柵除污機(jī)間,用于去除細(xì)格柵攔截到的雜物,液位測點(diǎn)位于細(xì)格柵的兩側(cè);布置剖面圖,如圖1所示。
鼓形濾網(wǎng)位于鼓網(wǎng)腔室,用于過濾海水中直徑3mm以上的雜物,鼓形濾網(wǎng)為雙側(cè)布置,網(wǎng)內(nèi)進(jìn)水,液位測點(diǎn)位于鼓形濾網(wǎng)的側(cè)面和濾網(wǎng)外側(cè);布置剖面圖,如圖2所示。
細(xì)格柵和格柵除污機(jī)間和鼓網(wǎng)腔室頂板位于0m層,頂板厚度1.2m以上,房間深20m左右,介質(zhì)為海水,常溫常壓。由圖2可以看出,液位測量范圍較大,空間內(nèi)有格柵除污機(jī)和鼓形濾網(wǎng)這些動(dòng)設(shè)備,安裝空間相對(duì)有限,在選型時(shí)需考慮液位計(jì)的安裝方式。
3 儀表選型
遠(yuǎn)傳式液位計(jì)類型有差壓式液位計(jì)、投入式液位計(jì)、浮子式液位計(jì)、浮筒式液位計(jì)、電容式液位計(jì)、差壓式液位計(jì)、磁致伸縮式液位計(jì)、超聲波液位計(jì)和雷達(dá)液位計(jì)等。儀表選型原則是儀表測量范圍、測量精度和安裝技術(shù)是否符合測量要求,其測量原理能否適應(yīng)使用環(huán)境。
在循環(huán)水過濾系統(tǒng)中,液位測量范圍大,液位差報(bào)警設(shè)定值間只差10cm,故量程為25m的液位計(jì)誤差不能>0.2%FS,#好≤0.1% FS。液位測點(diǎn)位于0m以下,水平空間結(jié)構(gòu)只有2.5m左右,數(shù)顯儀和儀表變送器部分只能位于頂板上,安裝維護(hù)空間有限。測量介質(zhì)為海水,有強(qiáng)腐蝕性,不銹鋼等金屬材料容易被腐蝕,對(duì)接液材料的選擇和處理有較高要求。
3.1 投入式液位計(jì)
在秦山和方家山核電站項(xiàng)目中,格柵除污機(jī)和鼓形濾網(wǎng)前后液位計(jì)均為投入式液位計(jì),但采用不同型號(hào)和不同廠家,分別為博德LMK系列和E+HFMX系列,傳感器為陶瓷電容式。投入式液位計(jì)是基于所測液體靜壓與該液體高度成正比的原理,通過壓力測量元件將靜壓轉(zhuǎn)換成電信號(hào),再換算為液位高度,一般采用擴(kuò)散硅或陶瓷電容等壓力傳感器作為壓力測量元件。投入式液位計(jì)廣泛應(yīng)用于各種原型水位的測量。
投入式液位計(jì)由內(nèi)置毛細(xì)軟管的特殊導(dǎo)氣提攜電纜、壓力傳感器和轉(zhuǎn)換電路組成。液位測量實(shí)際上就是在測探頭上的液體靜壓與大氣壓之差,然后再由壓力測量元件和電子元件將該壓差轉(zhuǎn)換成4~20mA輸出信號(hào)。投入式液位計(jì)的提攜電纜應(yīng)安裝在一個(gè)安靜的區(qū)域或一個(gè)合適的護(hù)管內(nèi),以避免探頭的側(cè)面運(yùn)動(dòng)以及虛假測量值。投入式液位計(jì)總體結(jié)構(gòu),如圖3所示。
投入式液位計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)不受被測介質(zhì)起泡、沉積、電氣特性的影響;
(2)固態(tài)結(jié)構(gòu),無可動(dòng)部件,其機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)過載及腐蝕性介質(zhì)具有高抵抗性;
(3)結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護(hù)方便,探頭部分可直接投入到液體中。
投入式液位計(jì)具有以下缺點(diǎn):
(1)不適用壓力容器和高溫介質(zhì)的液位測量,測量介質(zhì)密度須均勻一致;
(2)介質(zhì)中雜質(zhì)過多時(shí)易堵塞測量孔。
循環(huán)水過濾系統(tǒng)中投入式液位計(jì)安裝于0m層頂板,在房間側(cè)壁預(yù)埋φ200mm玻璃鋼管,玻璃鋼管底部與房間相通,形成連通器,探頭直接投入玻璃鋼管中,避免了由于介質(zhì)波動(dòng)對(duì)測量的影響。靜壓式液位差計(jì)測量值是由兩個(gè)投入式液位計(jì)做差值而來,所以兩個(gè)投入式液位計(jì)探頭需等高安裝。由于探頭接觸海水,探頭涂裝防腐涂層抵抗海水腐蝕。其精度和測量范圍可滿足功能要求。投入式液位計(jì)安裝示意圖,如圖4所示。
雖然使用不同型號(hào)和廠家的液位計(jì)在一定程度上增加了測量的可靠性,但由于其安裝方式和測量原理相同,有較大概率發(fā)生共模故障。海水中可能存在泥沙和海生物,投入式液位計(jì)的探頭測量孔有被堵塞的風(fēng)險(xiǎn),影響測量值得可靠性和穩(wěn)定性。
3.2 超聲波液位計(jì)
在海南、福清和田灣核電站項(xiàng)目中,考慮到可能的共模故障,對(duì)循環(huán)水過濾系統(tǒng)液位計(jì)選型明確提出了冗余液位計(jì)需使用不同測量原理的要求。超聲波液位計(jì)技術(shù)是比較成熟和實(shí)用的測量方式之一,其非接觸式測量原理也是未來測量技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。故在之后的核電項(xiàng)目中每系列的格柵除污機(jī)配置一套超聲波液位差計(jì)和1套靜壓式液位差計(jì),鼓形濾網(wǎng)配置1套超聲波液位差計(jì)和兩套靜壓式液位差計(jì)。
超聲波液位是基于時(shí)域反射原理,由傳感器向液位表面發(fā)射超聲波脈沖信號(hào),脈沖信號(hào)在介質(zhì)表面發(fā)生反射,反射信號(hào)被傳感器接收,變送器測量發(fā)射與接收脈沖信號(hào)的時(shí)間差T。聲波的傳播時(shí)間與聲波的發(fā)出到介質(zhì)表面的距離成正比,傳感器至介質(zhì)表面距離S與聲速C和聲傳輸時(shí)間T的關(guān)系可用公式表示:S=C×T/2。再由空罐高度E減去S,即為介質(zhì)物位L。如圖5所示。
超聲波液位計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)非接觸式測量原理,可適用于有毒、腐蝕性、高粘度和低溫介質(zhì)的物位和界面測量;
(2)超聲波為機(jī)械波,不受介質(zhì)的介電常數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等特性的影響;
(3)無機(jī)械可動(dòng)部件,傳感器的壓電晶片雖振動(dòng),但振幅很小,結(jié)構(gòu)簡單,壽命長;
(4)可測范圍廣,液體、粉末、固體顆粒的物位都可測量。
超聲波液位計(jì)具有以下缺點(diǎn):
(1)超聲波液位計(jì)測量有盲區(qū),量程越大,盲區(qū)越大,選型時(shí)需注意測量范圍;
(2)超聲波的傳播速度受傳播介質(zhì)溫度、密 度、壓力等因素影響影響,不適用壓力容器和易揮發(fā)性介質(zhì)液位測量;
(3)超聲波的傳播介質(zhì)中若存在某些介質(zhì)對(duì)超聲波有強(qiáng)烈吸收作用,會(huì)使超聲波衰減明顯,降低回波質(zhì)量,影響測量效果。
循環(huán)水過濾系統(tǒng)中超聲波液位計(jì)安裝于0m層頂板,位于安裝空間中間位置,使超聲波發(fā)射角內(nèi)無過多障礙物,在頂板預(yù)留φ400mm孔洞。由于超聲波為非接觸式測量,可很好地避免海水的腐蝕。且與靜壓式完全不同的測量原理和安裝方式,也避免了共模故障的發(fā)生,其精度與測量范圍可滿足功能要求。超聲波液位計(jì)安裝示意圖,如圖6所示。
根據(jù)福清、海南核電項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)反饋以及田灣業(yè)主提供的嶺澳一二期、陽江、寧德等多基地的反饋數(shù)據(jù),循環(huán)水過濾系統(tǒng)的超聲波液位計(jì)經(jīng)常有測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定,液位波動(dòng)和死機(jī)等現(xiàn)象,造成液位信號(hào)誤報(bào),即液位差計(jì)發(fā)出液位差高信號(hào),而現(xiàn)場實(shí)際液位差在正常范圍內(nèi)。
超聲波液位計(jì)液位差高信號(hào)誤報(bào)的產(chǎn)生原因分析如下:
(1)所測海水表面存在泡沫和漂浮物,會(huì)吸收和擴(kuò)散超聲波,導(dǎo)致回波減弱且不穩(wěn)定,而且儀表安裝環(huán)境水蒸氣含量高,超聲波探頭凝露,會(huì)產(chǎn)生虛假回波或者回波消失,造成測量值跳變或死機(jī);
(2)超聲波液位計(jì)探頭安裝位置水泥預(yù)制板非常厚,安裝留洞約深1.2m,探頭與留洞上表面齊平,由于機(jī)械波具有可壓縮性,過長的留洞會(huì)增加回波噪聲,超聲波的發(fā)射和接收受到很大阻礙,會(huì)造成超聲波液位計(jì)原始噪音線過高,而液位越高,有效回波與回波噪聲越強(qiáng),有效回波越容易丟失。 圖7為超聲波液位計(jì)實(shí)際回波曲線。
如果循環(huán)水過濾系統(tǒng)的超聲波液位計(jì)誤報(bào)將會(huì)造成:
(1)鼓形濾網(wǎng)會(huì)誤切至中速運(yùn)行并在中速電機(jī)及低速電機(jī)之間頻繁切換,格柵除污機(jī)頻繁啟動(dòng),增加設(shè)備磨損、縮短設(shè)備壽命;
(2)頻繁觸發(fā)報(bào)警信號(hào)至主控室,須有工作人員到現(xiàn)場檢查確認(rèn),增加人力成本;
(3)在“超聲波液位計(jì)測得的鼓網(wǎng)前后液位差≥0.8m”誤報(bào)期間,只要有一套投入式液位計(jì)測得的鼓網(wǎng)前后水位差信號(hào)≥0.8m水柱,將會(huì)直接觸發(fā)循環(huán)水泵脫扣,循環(huán)水量減少,機(jī)組需降功率運(yùn)行甚至停堆。
由于上述原因,需要將超聲波液位計(jì)更換為適應(yīng)此測量環(huán)境的其他類型液位計(jì)。為了防止共模故障,仍然需要配置兩種不同測量原理的液位計(jì),不能將超聲波液位計(jì)簡單更換為投入式液位計(jì)。而雷達(dá)式液位計(jì)精度高,功率較大,對(duì)于水汽凝露有更好的測量效果且能應(yīng)用于上述測量環(huán)境,能夠滿足循環(huán)水過濾系統(tǒng)液位測量要求。
3.3 雷達(dá)液位計(jì)
雷達(dá)液位計(jì)原理與超聲波液位計(jì)類似,都是基于時(shí)域反射原理,區(qū)別是超聲波液位計(jì)發(fā)射的是超聲波,雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射的是電磁波。雷達(dá)液位計(jì)的天線發(fā)射的電磁波以光速傳播,當(dāng)遇到被測介質(zhì)表面時(shí),電磁波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)表面的距離同電磁波在其間的傳播時(shí)間成正比,經(jīng)計(jì)算得出液位高度。
雷達(dá)液位計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)電磁波可在真空中傳播,電磁波隨距離衰減小,穿透力強(qiáng),不受大氣、蒸汽、介質(zhì)揮發(fā)的影響;
(2)非接觸式測量,可適用于有毒、腐蝕性、高粘度和低溫介質(zhì)的液位測量;
(3)無可動(dòng)部件,可靠性高,安裝維護(hù)方便,使用壽命長;
(4)測量范圍大,精度高,量程#大可達(dá)70m,精度可達(dá)±2mm。
雷達(dá)液位計(jì)具有以下缺點(diǎn):
(1)當(dāng)空氣中存在高介電性的粉塵粉末(石 墨,鐵合金等)時(shí),對(duì)電磁波有衰減作用,測量距離和效果受影響;
(2)被測介質(zhì)介電常數(shù)不能太小,<1.5時(shí)不能測量。
循環(huán)水過濾系統(tǒng)中采用80GHz高頻雷達(dá)液位計(jì),可穿透泡沫、凝露,測量無盲區(qū),兩線制儀表,方便安裝,wuxu現(xiàn)場維護(hù)。高聚焦的雷達(dá)波束不受安裝高度限制,發(fā)射角#小可達(dá)3°,能適應(yīng)1.2m深 φ100mm孔洞,wuxu下沉安裝。但泡沫過多時(shí)依然會(huì)影響測量精度,需要定期清理泡沫,改善測量環(huán)境。 圖8為雷達(dá)液位計(jì)實(shí)際回波曲線。雷達(dá)液位計(jì)的回波曲線平滑、穩(wěn)定,能夠很好地適應(yīng)安裝環(huán)境。
4 結(jié)束語
液位計(jì)是循環(huán)水過濾系統(tǒng)正常運(yùn)行不可或缺的一部分,測量的穩(wěn)定性關(guān)乎核電站的平穩(wěn)運(yùn)行。在儀表設(shè)計(jì)選型中需充分考慮儀表的測量原理和測量特性,避免環(huán)境因素帶來的測量誤差和故障。由于雷達(dá)式液位計(jì)和超聲波液位計(jì)的測量原理的不同,對(duì)于測量環(huán)境也有不同的要求,在儀表選型中要考慮各種可能的影響因素,并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的各種問題更換儀表選型。液位計(jì)種類繁多,唯有與測量環(huán)境相匹配的才是#好的液位計(jì)。