差壓式液位變送器在核系統中應用

摘要:針對核島系統中差壓式液位變送器在測量過(guò)程中出現的常見(jiàn)故障的問(wèn)題,首先研究了差壓式液位變送器的測量原理,并對如何進(jìn)行差壓式液位變送器的遷移進(jìn)行了分析,對照核島系統差壓式液位變送器測量過(guò)程中出現顯示信號不正常的現象,對這些故障現象根據具體情況進(jìn)行了分析研究,找出了造成這些故障現象的原因,根據不同的故障現象制定出了相應的解決方案。研究結果表明,這些解決方案的實(shí)施使核島系統中差壓式液位變送器在實(shí)際運行過(guò)程中經(jīng)常出現的常見(jiàn)故障得到了徹底的解決，目前，核島系統中差壓式液位變送器測量信號穩定,為核電站的安全穩定運行提供了有力保障。
0引言
　　重水堆核電站采用加拿大坎杜6重水堆核電技術(shù),電站自運營(yíng)以來(lái)產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益.環(huán)境效益和社會(huì )效益。核電站是一個(gè)龐大的系統，為了保證反應堆能夠安全、穩定地運行,需要保證各個(gè)系統都按照設定的要求工作,這就要通過(guò)各種探測器來(lái)收集各種信號，把這些信號送到主控室進(jìn)行控制，非智能核級差壓變送器就是核島系統中應用最廣泛、最重要的信號探測器之一。
　　差壓液位變送器由于其性能穩定、精度高、性能價(jià)格比高等特點(diǎn),故在核島各系統需嬰檢測液位場(chǎng)合中,使用非常廣泛。目前差壓液位變送器工藝成熟技術(shù)先進(jìn),并由原來(lái)的非智能性現已逐漸向智能型發(fā)展,但目前考慮到核島系統特有的抗輻射性、抗振性等要求，智能型核級變送器還沒(méi)有在核島系統廣泛使用。
　　一個(gè)核電廠(chǎng)變送器測量信號的的失效可導致邊界閥廣]的開(kāi)關(guān)失效從而會(huì )給核電廠(chǎng)帶來(lái)嚴重的安全事故和經(jīng)濟損失。為保證電廠(chǎng)的安全停堆,在緊急情況下一些電動(dòng)閥門(mén)必須開(kāi)啟,另--些必須關(guān)閉來(lái)保證系統隔斷或防止放射性物質(zhì)外泄，因此首先要保證變送器測量信號的正確性進(jìn)而保證這些閥1]的可用性"。
本研究通過(guò)對核島系統差壓液位變送器測量易出現的故障進(jìn)行分析并給出解決方案,從而保證變送器測量信號的正確率,進(jìn)而為核反應堆和核電廠(chǎng)安全經(jīng)濟穩定運行提供有力保障。
1差壓式液位變送器的工作原理
　　壓差檢測中通常是采用彈性式壓差儀表，要對壓力和壓差信號進(jìn)行遠距離傳遞的最好、最有效的方法是采用電變送的方法,電變送方法就是通過(guò)電氣位移變換器將壓力和壓差產(chǎn)生的彈性元件的機械位移量轉換成某種電氣量,然后加以傳送，采用的電容式壓差變送器。
　　電容式壓差變送器由感測部分和測量電路兩部分組成,電容器的電容量由其兩個(gè)極板的大小形狀、相對位置以及極板之間的電介質(zhì)的介電系數所決定。若一個(gè)極板固定不動(dòng),而另一個(gè)極板隨壓差而變化其位置,電容器的電容量隨著(zhù)壓差的變化而變化，通過(guò)測量電路將電容量的變化轉換成電流或電壓輸出信號,送至有關(guān)單元實(shí)現顯示和控制。
　　為了提高電容式壓差傳感器的靈敏度和改善其輸出特性,實(shí)際采用的常是差動(dòng)的形式，也就是將可動(dòng)極板放置于兩塊固定極之間,當壓差變化時(shí),一個(gè)電容的電量增大而另一個(gè)電容的電容量則減小，因此其靈敏度可提高--倍而非線(xiàn)性又可大大降低。
　　電容式壓差變送器的測量電路如圖1所示,變送器的輸出可以轉換成電壓、電流或頻率等信號,然后放大。圖1(a)的交流電橋法是將兩個(gè)電容器接于交流電橋的兩個(gè)相鄰臂.上,交流電橋的輸出經(jīng)放大與相敏檢波后進(jìn)行測量”。圖1(b)的雙T網(wǎng)絡(luò )法壓差引起的電容變化轉換成電壓變化輸出。在交流電源正半周時(shí),通過(guò)二極管D、對電流器C.進(jìn)行充電,在負半周時(shí),電容器C經(jīng)電阻R,與R,進(jìn)行對地放電;而電容器C則在電源的負半周充電、正半周對R與R反向放電。因此R,上兩端的電壓輸出是由C,與C的平均放電電流之差所決定的。當壓差為零時(shí),CD、R與C、D2、R,的參數相同.則通過(guò)R的平均放電電流之差為零。當壓差不等于零時(shí),差動(dòng)電容C,與C2一個(gè)增大一個(gè)減小，使兩者的平均放電電流不相等,因此R兩端的電壓輸出也就有了相應的變化。
 
2差壓式液位變送器的零點(diǎn)遷移
　　的核島系統的差壓式液位變送器由于安裝位置、測量方式等不同,需要對變送器的零點(diǎn)進(jìn)行遷移。變送器幾種零點(diǎn)遷移的示意圖如圖2所示。
 
2.1變送器的無(wú)遷移
　　當差壓式液位變送器安裝在敞口容器上測量液位時(shí),正壓側與容器低部(液位基準面)取壓點(diǎn)在同一水平高度時(shí);或差壓式液位變送器的負壓側采用“干腿”系統,同時(shí)正壓側與容器低部(液位基準面)取壓點(diǎn)在同一水平高度時(shí),變送器的零點(diǎn)--般不需遷移'”。變送器得到的差壓就是P=ρgH,差壓式液位變送器的標定范圍為0~ρgHmax(單位為kPa)。變送器的差壓與液位高度成正比關(guān)系,液位為零時(shí)變送器的壓差也為零。液位達到滿(mǎn)量程時(shí),變送器的壓差也達到滿(mǎn)量程。
2.2變送器的正遷移
　　核島系統的液位變送器較多的安裝在容器最小液位面的下部幾米處。當變送器的負壓側采用“干腿”系統或直接對空時(shí)，需要對差壓式液位變送器的零，點(diǎn)進(jìn)行正遷移。此時(shí)作用在變送器的壓差為:
△P=ρ1h1g+ρgH(1)
　　式中:h1變送器正側至最小液位面的距離;H--被測容器液體高度;ρ，ρ一被測液體的密度、取壓管線(xiàn)里液體的密度。
　　當H=0時(shí),△P=ρ1h1g>0,對于無(wú)遷移的變送器,此時(shí)輸出為高于下限值4mA;當容器液位達到滿(mǎn)量程即H為上限時(shí),變送器的輸出高于20mA。為了維持變送器在H為0時(shí)輸出4mA,H為上限時(shí)儀表輸出20mA,需要同時(shí)增大變送器出入的上、下限。下限為ρ1h1g(單位為kPa),上限(ρ1h1g+pgHmax)(單位為kPa),變送器的標定范圍為[ρ1h1g-(ρ1h1g+pgHmax)](單位為kPa)。
2.3變送器的負遷移
　　核島系統的液位變送器較多的采用“濕腿”系統測量液位,正壓側取壓管接至容器的最小液位面處,負壓側取壓管接至容器的頂部并沖滿(mǎn)液體,變送器安裝在設備最小液位面的下部幾米處,這樣的安裝和測量方式需要對差壓式液位變送器的零點(diǎn)進(jìn)行負遷移。此時(shí)正負壓側的壓力分別為:
 
　　式中:ρ,ρ1,ρ2一被測液體的密度.取壓管線(xiàn)里液體的密度和容器頂部氣(汽)相的密度;h1,h2-變送器正負壓側到容器的最小液位面處和容器頂部的高度;H,h3一容器液體高度和容器頂部氣(汽)相的高度，Pg-容器中氣相(汽相)的壓力。
　　從變送器計算公式可看出，當H=0時(shí)△P=p2g(h3+Hmax)-ρ1g(h2-h1),由于ρ2遠小于ρ1,h2>H1,所以△P<0,對于無(wú)遷移變送器的輸出低于其下限值4mA,而且在實(shí)際工作中,往往ρ1>ρ，h3一般也不為零,所以即使H為上限值,變送器的輸出仍會(huì )低于其下限值4mA,這樣變送器就無(wú)法正常工作。因此要在變送器上調整遷移量,即在維持原來(lái)量程不變的條件下,同時(shí)減少變送器的輸人的上、下限,使變送器的輸出與液位成比例關(guān)系”。
 
3差壓式液位變送器的常見(jiàn)故障分析和處理方法
　　差壓式液位變送器的故障種類(lèi)很多,核島系統中差壓式變送器均采用ROSEMOUNTI152,1153型變送器性能比較穩定,很少出現變送器本身故障現象，主要是取壓管線(xiàn)產(chǎn)生的問(wèn)題較多,這里主要介紹核島系統中的液位變送器測量中常見(jiàn)故障和處理方法。
3.1液位變送器指示偏高
　　核島的液位變送器指示偏高問(wèn)題主要出現在采用濕腿方式測量的液位變送器上,由于變送器的負壓側取壓管安裝在被測容器的頂部,并且取壓關(guān)充滿(mǎn)液體,而一般情況下容器的實(shí)際液位均與容器頂部有一定的距離,頂部為氣(汽)體。在剛完成變送器反沖水時(shí),變送器的負壓側充滿(mǎn)液體，負壓側產(chǎn)生的靜壓為設計壓力,液位變送器測量正確。但由于運行工況的變化(如容器壓力突然下降,甚至產(chǎn)生負壓)導致負壓側取樣管內的液體少量被吸走或由于取壓口附近環(huán)境溫度的升高導致負壓側取樣管內的液體少量蒸發(fā)等原因,導致負壓側產(chǎn)生的靜壓低于設計壓力,使液位變送器的差壓升高導致指示偏高。出現這類(lèi)問(wèn)題后,首先要對負壓側進(jìn)行反沖水,保證變送器的負壓側滿(mǎn)水”。再采用在液位變送器的負壓側取壓管引一根補水管，通過(guò)維持微小的負壓側補水流量保證液位變送器的負壓側不跑水來(lái)徹底解決該問(wèn)題。
3.2液位變送器指示偏低或穩定緩慢
　　該現象主要出現在液位變送器采用“干腿”方式測量,變送器的負壓側取壓管安裝在被測容器的頂部且為氣體。在機組長(cháng)時(shí)間運行后,由于個(gè)別液位變送器的負壓側取壓管氣相濕度較高，使液位變送器的負壓側有小量的凝結水，導致負壓側的壓力升高，使變送器的壓差減少，液位指示偏低91。個(gè)別變送器的低壓側取壓管線(xiàn)布置不合理,管線(xiàn)在布置過(guò)程中產(chǎn)生U型管段,當變送器的低壓側的取壓管線(xiàn)有凝結水時(shí)，容易在U型管段產(chǎn)生水封,導致變送器的低壓側不能及時(shí)地反映被測設備氣相壓力，使液位變送器反映緩慢或指示失效。通過(guò)打開(kāi)變送器的低壓側的疏水閥對低壓側進(jìn)行疏水來(lái)恢復變送器的正常指示，當液位變送器的低壓側的取壓管線(xiàn)有U型管段產(chǎn)生水封時(shí),通過(guò)對其取壓管線(xiàn)反沖氣并修改其管線(xiàn)的布置位置)消除U型管段就可以使差壓式液位變送器指示正常。
3.3差壓式液位變送器指示波動(dòng)較大
　　差壓式液位變送的標定量程-"般比較小,從幾個(gè)千帕到十幾個(gè)千帕，-般不超過(guò)一百千帕，液位變送器的取壓管線(xiàn)沖滿(mǎn)液體。但由于變送器需要定期拆下標定,在完成變送器的標定回裝時(shí),稍有疏忽導致變送器的取壓管或變送器的腔室內有少量氣泡，由于氣體的壓縮性強.穩定性差,容易造成液位變送器指示波動(dòng)較大。一般在出現液位變送器指示波動(dòng)較大問(wèn)題后,關(guān)閉變送器的取壓隔離閥或拆下變送器先確認變送器本身是否存在波動(dòng)。如變送器本身沒(méi)有波動(dòng)現象,則對變送器的腔室和取壓管線(xiàn)進(jìn)行反沖水”(由于CANDU-6型核電站的特點(diǎn)，不能直接放水,同時(shí)放水容易造成取壓管線(xiàn)堵塞),保證變送器的腔室和取壓管線(xiàn)的水沒(méi)有氣泡就可以消除缺陷。
4結束語(yǔ)
　　差壓式液位變送器被廣泛應用于核島系統中,經(jīng)過(guò)多年的運行表明差壓式液位測量變送器測量方式具有結構簡(jiǎn)單、安裝方便、便于操作維護、工作可靠、對被測容器破壞少等特點(diǎn),有效地保證了測量信號的穩定性、正確性,從沒(méi)有因變送器信號失效而發(fā)生安全事故,為核電站安全穩定運行提供了有力的保障。