内置换料水箱液位变送器选型研究与优化

　　摘要：内置换料水箱（ＩＲＷＳＴ）液位仪表用于在正常运行和事故工况下连续监测，提供非常高和非常低水位报警和显示，为操作员提供操作依据。文章通过对仪表测量原理、性能、可维护性等方面进行比较，提出了选型建议和改进建议，为后续华龙一号工程内置换料水箱（ＩＲＷＳＴ）液位仪表选型和改进提供了借鉴和参考。5E7压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

　　概述

　　华龙一号内置换料水箱（ＩＲＷＳＴ）为混凝土结构并覆有不锈钢衬里，是安全壳结构的一部分，ＩＲＷＳＴ里含硼水与安注箱内的含硼水一样的硼浓度（≥２３００ｍｇ／Ｌ且≤２５００ｍｇ／Ｌ），ＩＲＷＳＴ能提供足够的含硼水，在异常运行

　　工况下，向化学和容积控制系统（ＲＣＶ）提供含硼水；在换料冷停堆期间，用于为反应堆换料水池、堆内构件储存池和燃料转运舱充水，以完成换料操作；在事故工况下，ＩＲＷＳＴ作为安全级的设备，可为安注系统（ＲＳＩ）和安全壳喷淋系统（ＣＳＰ）提供安全水源。

　　ＩＲＷＳＴ配备两个宽量程（０～３．８ｍ）和两个窄量程（２．２～３ｍ）连续液位测量通道。宽量程ＲＳＩ００４ＭＮ和ＲＳＩ００５ＭＮ用于在正常运行和事故工况下连续监测ＩＲＷＳＴ水位。窄量程ＲＳＩ００１ＭＮ和ＲＳＩ００２ＭＮ用于在正常运行工况下监视ＩＲＷＳＴ水位是否在运行规范要求的范围内。水位低于２．６３ｍ时，触发低水位报警提示操作员ＩＲＷＳＴ需要补水；水位高于２．７３ｍ时，触发高液位报警提示操作员注意可能有其他水源进入。这些传感器通过ＤＣＳ系统向操作员提供高、低水位报警和模拟量液位显示。２当前工程现状及存在问题

　　２．１现状分析

　　华龙一号全球首堆福清核电５号机组ＩＲＷＳＴ液位变送器选型：窄量程选用浮筒式液位变送器；宽量程选用Ｋ１级的正压腔带一个隔离密封件，采用毛细管导压的远传法兰差压式变送器。

　　浮筒式液位变送器应用的是阿基米德原理，即浸入液体中的物体所承受的浮力等于它所排开的液体的重量，

　　公式为Ｆ＝１ｇｈ－２ｇ（Ｌ－ｈ）。

　　浮筒式液位变送器测量原理如图１所示。浮筒式液位变送器使用弹簧连接浮筒，则该浮力可看作挂在弹簧下面的浮筒元件重量的有效减轻量，即弹簧拉伸力ＦＳ＝Ｗ－Ｆ。因此当液位改变时，浸入液体中的浮筒体积变化，浮筒受到的浮力相应改变，导致弹簧收缩或拉伸，从而带动压力管内的铁芯做线性垂直运动。当ＬＶＤＴ（线性可变差动变压器）中铁芯的位置随着液位变化而变化时，ＬＶＤＴ中两个次级线圈的电压差信号与铁芯的位移成正比，电压差信号反馈至微处理器控制的电子元件，信号经过电路处理并转换为ＤＣ４～２０ｍＡ的标准电流信号输出。

　　远传法兰差压变送器安装情况如图２所示。浮筒式液位变送器通过法兰安装方式安装于ＩＲＷＳＴ上层环廊地面位置，在法兰下方的ＩＲＷＳＴ内部，安装有１００空心的

　　不锈钢管作为液位变送器保护罩，以减轻液面波动对浮筒式液位变送器浮筒造成的影响。远传法兰差压变送器配有５ｍ长毛细管的远传隔离膜片，沿不锈钢水池内壁安装仪表管支架。变送器本体和低压侧隔离膜片安装在ＩＲＷＳＴ上层环廊中，带有５ｍ长毛细管导压的高压侧投入式隔离膜片安装在焊接于ＩＲＷＳＴ底部的支架上。高压侧和低压侧分别测量ＩＲＷＳＴ内液位的静压力和上层环廊空气压力（代替ＩＲＷＳＴ内上部空间气体压力），通过高低压侧的压力差值转换计算，得到ＩＲＷＳＴ内的液位高度。

　　２．２存在问题

　　２．２．１浮筒式液位变送器

　　（１）误差分析。

　　根据技术规格书的设计输入，ＩＲＷＳＴ中的硼浓度≥２３００ｍｇ／Ｌ的含硼水设计压力０．５２ＭＰａ（ａ），设计温度１５６℃，设计参数为在事故工况下的参数，而正常工况工作压力０．１ＭＰａ（ａ），工作温度１５～５５℃。由上可知两种不同工况ＩＲＷＳＴ中含硼水参数差别大，从而图１中的１和２在两种工况下差距大，而且实际运行过程中，参数是经常改变的，所以１、２是随工况变化而变化的，测量结果与浮力Ｆ＝１ｇｈ－２ｇ（Ｌ－ｈ）直接相关，因此无论以设计工况或者正常工况的参数进行设置，只要实际参数与设置参数有偏差，就会产生误差。现场调试时发现，按事故工况设置，则在正常工况下测量误差介于０．０８６～０．１２２ｍ（现场介质温度不同时，导致的误差不同）；反之，按照温度５５℃，压力０．１ＭＰａ（ａ）的工况设置，则在事故工况下误差为０．０８ｍ左右。同理可知，在实际运行工况中，偏差也是一直存在的，且偏差大小是随工况的变化而变化的。

　　调试安装时，从实验室将液位计搬运至现场安装后发现零点已发生偏移，经分析，可能有两方面原因：一是检验后浮筒上仍有液体附着，导致浮筒重力加大，使得测量值显示偏小；二是搬运过程和安装过程中的振动导致浮筒液位变送器机械连接部件或弹簧发生变化，导致发生零点偏移。

　　在正常使用中，介质附着于浮筒上、液面波动导致浮筒振动、长时间使用导致弹簧发生细微形变等方面的原因也将在一定程度上导致测量结果产生偏差。

　　（２）误差影响。

　　根据安全注入系统报警手册中的要求，窄量程水位测点００１ＭＮ／００２ＭＮ分别通过逻辑判断形成ＩＲＷＳＴ水位高报警和ＩＲＷＳＴ水位低报警。当触发水位高报警，操作员需根据系统设备状态和其他参数判断反应堆安全壳内是否存在不明泄漏，如果有额外的水流入（例如：带有放射性的废水流入反应堆厂房），需停止相关环路并通过安注或安喷系统泵吸入管道上的疏排管线进行排水；触发水位低报警时，如果无安注信号，并且不是在换料操作过程中，则可能是ＩＲＷＳＴ钢覆面泄漏、安注或安喷系统吸水管道或阀门泄漏导致的。操作员需通过ＲＢＭ系统为ＩＲＷＳＴ补水、检查ＩＲＷＳＴ钢覆面泄漏监测地坑液位以验证是否为钢覆面泄漏、检查安全厂房ＲＶＤ地坑液位以验证是否为安注或安喷系统管道或阀门泄漏，并根据验证结果采取必要的隔离措施。

　　所以，当存在测量误差时，将大概率误触发水位高、低报警或者导致实际水位持续处于偏高或偏低状态，影响操作员做出正常判断和操作，从而影响机组的安全稳定运行。

　　２．２．２远传法兰差压变送器

　　远传法兰差压变送器采用差压原理进行液位测量，通过测出的差压值来计算液位高度，根据当前设计，在计算过程中密度取事故工况下的密度，但实际运行工况与事故工况相差大，且处于变化状态，所以设计上存在计算偏差。

　　宽量程水位是事故后监测系统（ＰＡＭＳ）的组成部分，根据机组运行技术规格书和ＱＳＲ定期试验监督大纲要求，操作员需８ｈ进行一次液位一致性检查，仪控人员需每１个换料周期进行一次零点检查、每８个换料周期进行一次校验。远传法兰差压变送器高压侧投入式隔离膜片安装在焊接于ＩＲＷＳＴ底部的支架上，因此若需要零点检查或校验仪表，则必须将ＩＲＷＳＴ排空，进入ＩＲＷＳＴ进行工作。ＩＲＷＳＴ总容积约２４００ｍ３，正常容积为２２２５～２３１０ｍ３，且ＩＲＷＳＴ里面存储的液体为硼浓度≥２３００ｍｇ／Ｌ的含硼

　　除盐除氧含碳水，当前并无可以存放如此大容积放射性液体的容器；ＩＲＷＳＴ为安全设计，水箱排空存在安全隐患，对于核电厂的排放指标也会有较大影响。因此维护人员进入ＩＲＷＳＴ密闭空间进行工作极为困难，且需要核清洁人员进行去污，不利于核电厂职业照射剂量的控制，同时工作过程也存在较大的引入异物风险；大修期间排空水会带来额外工期影响。

　　３后续工程改进

　　通过上述的分析可知，窄量程选用浮筒式液位变送器将导致较大的测量偏差，而宽量程选用毛细管导压的远传法兰差压式变送器，存在计算偏差且后续执行零点检查和校验存在较大困难。所以在漳州核电厂１、２号机组工程采购中，通过提出华龙设计优化项，已将窄量程液位计选型改为导波雷达液位变送器，而宽量程液位计拟通过研发安全级为１Ｅ，鉴定等级为Ｋ１且满足抗震Ｉ类要求的导波雷达液位变送器进行替换，安全级导波雷达液位变送器需采用分体安装，且由于宽量程长度接近４ｍ，安装空间受到限制，需要考虑导波杆的分段可折叠、分段安装和分段拆卸或采用导波缆的形式。

　　导波雷达液位变送器是基于电磁波的时域反射原理为基础的雷达液位计，液位变送器的电磁波发生器产生一个沿探杆向下传播的电磁脉冲波，当电磁脉冲波遇到比先前传导介质（比如空气）介电常数大的液面时，电磁脉冲波会被反射形成回波并沿相同路径返回到脉冲发射装置。发射装置与被测介质表面的距离同脉冲在其间的传播时间成正比，通过超高速计时电路计算脉冲从发射到反射的时间差，即可计算得出液位高度。

　　根据工作原理和现场应用经验，导波雷达变送器具有如下优点：导波雷达液位变送器的测量不受介质变化、温度变化、惰性气体及蒸汽、粉尘、泡沫等的影响；测量精度高，稳定性强；可以使用螺纹和法兰连接安装，拆装方便，有利于现场的安装与检修维护；仪表校验简单，在现场即可完成零点检查和校验工作，同时组态方便简单便于操作；没有会被磨损和破坏的机械运动部件；检修维护量小，节约了生产成本和维护成本［１］。

　　在安装方面，导波雷达液位变送器一般情况下可以用法兰或螺纹连接安装到容器顶部，探杆方向要与测量介质液面垂直，与测量筒壁需要保持一定的距离。安装所需的条件与００１ＭＮ／００２ＭＮ原设计的基本一致，因此福清核电５／６号机组项目也可以考虑通过换型进行优化。而宽量程的远传法兰差压变送器安装要求有较大不同，换型后采用分体安装设计，需考虑增加导波杆或导波电缆的安装法兰及保护罩等设计，贯穿件及一次元件到贯穿件电缆路径等设计修改，根据需求对设计图和安装图做出相应的修订。

　　４福清项目宽量程远传法兰差压变送器改进方案

　　福清项目宽量程远传法兰差压变送器若通过换型改造，变更为导波雷达液位变送器存在以下问题：改为分体式安装的导波雷达液位计，需要做增加贯穿件及一次元件到贯穿件电缆路径等设计改变；原用于穿法兰和毛细管的孔洞无法满足导波雷达液位变送器的需求，需重新安装法兰及保护罩等。

　　远传法兰差压变送器主要问题有：问题一，当前设计，在计算过程中液体密度取事故工况下的密度，产生计算偏差；问题二，高压侧投入式隔离膜片安装在焊接于ＩＲＷＳＴ底部的支架上，导致进行零点检查或校验时存在较大困难。根据介质温度压力与密度的关系，在液位计算过程中采用随工况变化而变化的真实密度，即可解决问题一；问题二则可通过改变安装方式，将原焊接在ＩＲＷＳＴ底部的支架改进为可移动的支架来解决。

　　支架安装如图３所示，在ＩＲＷＳＴ墙上固定好导轨，将高压侧投入式隔离膜片的安装支架固定在滑块上，在滑块上设置有升降环，在安装好高压侧投入式隔离膜片后，在升降环上固定好足够长（＞４ｍ）的链条。通过链条将滑块缓慢地沿着导轨下放，在每下放半米左右距离时，使用不锈钢抱箍将毛细管固定在链条上，直至下放到ＩＲＷ－ＳＴ底部为止，将链条的另一端固定在上一层环廊导轨处，用于将位于隔离膜片的从ＩＲＷＳＴ底部提升到上一层环廊。通过这样的安装方式可以解决进行零点检查或校验极其困难的问题，实现在不排空ＩＲＷＳＴ的情况下完成零点检查或校验工作，避免排空水箱带来的安全隐患，减去人员由于进入ＩＲＷＳＴ密闭空间工作带来的辐射剂量，同时也避免了ＩＲＷＳＴ引入异物的风险以及排空水带来额外的制水成本和工期影响。通过改进安装方式，节约了运维成本并大大提高了安全性。

　　５结语

　　ＩＲＷＳＴ在不同工况下，介质的温度压力变化较大，不适宜采用基于阿基米德原理的浮筒式液位变送器；导波雷达液位变送器在ＩＲＷＳＴ液位测量上具有不受工况变化影响、拆装方便、易调试校验、维护简单等优点；远传法兰差压变送器通过计算过程优化和改进安装方式同样可以满足宽量程测量及维护需求。通过分析比较，对今后项目ＩＲＷＳＴ的液位仪表选型起到一定的指导意义。