循環(huán)水過濾系統(tǒng)液位計(jì)選，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)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)啟停控制和液位報(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**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。
圖1 細(xì)格柵布置剖面圖 /goodsid/fenleiyi/3903624/1.html
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。
圖2 鼓網(wǎng)布置剖面圖
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+H FMX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。
圖3 投入式液位計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖
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。
圖4 投入式液位計(jì)安裝示意圖
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。
圖5 超聲波液位計(jì)測量示意圖
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*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。
圖6 超聲波液位計(jì)安裝示意圖
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。
圖7 超聲波液位計(jì)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, 無需現(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, 無需下沉安裝。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。
圖8 雷達(dá)液位計(jì)回波曲線
4 結(jié)束語
液位計(jì)是循環(huán)水過濾系統(tǒng)正常運(yùn)行*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)。
