核電廠(chǎng)通風(fēng)儀表選型

摘要:介紹了通風(fēng)儀表的原理和結構,以及儀表應用的問(wèn)題反饋及缺陷,并對比分析相同類(lèi)型儀表控制方案的優(yōu)缺點(diǎn),提出解決方案,最終實(shí)現通風(fēng)儀表在核島通風(fēng)系統中的應用及優(yōu)化.使核電廠(chǎng)人員操作、運行維護更加方便,提升了系統運行的正確性和可靠性,節省了大量的資金和時(shí)間成本.
0引言
　　通風(fēng)系統是核電站重要的輔助系統,肩負著(zhù)電站安全、穩定運行的重大責任,為設備運行和人員作業(yè)提供適宜的工作條件,并對氣態(tài)污染物進(jìn)行控制和凈化.通風(fēng)儀表是通風(fēng)系統運行的先決條件,選擇、使用良好的儀表對核島通風(fēng)系統正常運行起到至關(guān)重要的作用.以往項目中,參與控制的儀表多數選用開(kāi)關(guān)量類(lèi)型儀表,這類(lèi)儀表數量較多,同時(shí)也暴露出較多問(wèn)題.相較于開(kāi)關(guān)量?jì)x表,模擬量信號具有控制更正確,對設備狀態(tài)監控更全面、故障率更低的優(yōu)點(diǎn).因此,亟需對現有通風(fēng)系統儀表重新開(kāi)展選型與優(yōu)化工作,以期能夠改善現有通風(fēng)系統開(kāi)關(guān)量?jì)x表的各類(lèi)缺陷,提高通風(fēng)系統參數監測的總體性能.對通風(fēng)系統中常用的溫度、壓力兩種儀表類(lèi)型,從通風(fēng)儀表的分類(lèi)、原理、結構、選型、應用及其參與控制的實(shí)現等方面進(jìn)行分析、探討和研究,并最終總結出各類(lèi)通風(fēng)儀表在選型過(guò)程中需要注意的關(guān)鍵問(wèn)題,以期為后續項目中通風(fēng)系統儀表選型提供借鑒和指導.
 
1溫度儀表
1.1原理及結構
1)溫度開(kāi)關(guān)
　　溫度開(kāi)關(guān)通過(guò)給溫包充惰性氣體,氣體壓力隨溫度變化而變化,觸發(fā)微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作.以往核電項目使用數量很多.
 
2)熱電阻
　　熱電阻主要分為金屬熱電阻和半導體熱電阻.金屬熱電阻是利用金屬導體的電阻值隨著(zhù)溫度變化而發(fā)生改變這一特性來(lái)測量溫度的.金屬鉑是熱電阻儀表較常采用的一種測溫元件,電廠(chǎng)使用多是鎧裝鉑熱電阻.鎧裝鉑熱電阻是將感溫元件封焊在由金屬套管、絕緣材料和金屬導線(xiàn)三者組合加工而成的鎧裝電纜內.
　　NTC熱敏電阻是半導體熱敏電阻的一類(lèi),NTC熱敏電阻是負溫度系數熱敏電阻,以錳、銅等金屬氧化物為材料,電阻值隨溫度增大而減小.這類(lèi)儀表最主要的特點(diǎn)是:非線(xiàn)性關(guān)系、穩定性較差、測量范圍窄、靈敏度高.
1.2儀表特點(diǎn)對比分析
　　目前,溫度開(kāi)關(guān)儀表、NTC熱敏電阻、PT100鉑熱電阻在核電廠(chǎng)中應用均很廣泛,本節對3種儀表的原理、特性、安裝及運行維護要求等不同方面展開(kāi)對比,總結出3種儀表各自的優(yōu)勢和缺點(diǎn),為溫度儀表選型提供建議.從儀表的原理角度考慮:溫度開(kāi)關(guān)是通過(guò)壓力測溫度,由機械結構組成,強度大;NTC熱敏電阻通過(guò)半導體電阻值測溫度,由金屬氧化物構成感溫元件,精度高,但易被氧化;Pt100鉑熱電阻通過(guò)金屬電阻測溫度,由鉑構成感溫元件,精度高,性質(zhì)穩定.
　　從儀表的特性方面考慮:溫度開(kāi)關(guān)遠距離傳輸需要配置毛細管,但毛細管不宜過(guò)長(cháng),讀數容易滯后,對毛細管需要采取保護措施,防止損壞;NTC熱敏電阻的阻值和溫度成反比關(guān)系,僅在25℃和50℃電阻具有最佳線(xiàn)性,超出這個(gè)范圍應由供貨商提供溫度1阻值表來(lái)查詢(xún).但每個(gè)供貨商提供的NTC溫度1阻值不盡相同,應用中會(huì )帶來(lái)更多的復雜性;Pt100鉑熱電阻,測量范圍廣,若選用三線(xiàn)制測溫可消除電阻產(chǎn)生的誤差,精度高,響應速度快,不需要冷端補償.
　　從儀表的安裝角度考慮:由于溫包內充惰性氣體,溫度開(kāi)關(guān)不可以側裝,側裝會(huì )影響溫包的形變,影響儀表本體的機械結構,導致測量不正確,甚至會(huì )折彎、氣體泄漏.NTC熱敏電阻和Pt100鉑熱電阻垂直安裝和側裝兩種方式都可以測量.
　　從儀表的運行及維護角度考慮:溫度開(kāi)關(guān)都是國外進(jìn)口產(chǎn)品,價(jià)格昂貴,后期產(chǎn)品的維護、更換周期長(cháng),售后服務(wù)不便.熱敏電阻和鉑熱電阻都可以采用國內成熟產(chǎn)品,價(jià)格相對低,后期維護、更換及時(shí)、便捷.
從工藝要求溫度范圍考慮:通風(fēng)系統極限溫度要求,低溫-15℃,高溫100℃.溫度開(kāi)關(guān)不同量程儀表分別可以滿(mǎn)足低溫和高溫要求.NTC熱敏電阻僅在25℃~50℃精度正確,Pt100鉑熱電阻可以滿(mǎn)足全量程要求,精度高
鉑熱電阻的電阻信號直接被采集進(jìn)DCS機柜或者就地箱調節器,轉變?yōu)?mA~20mA的標準信號進(jìn)行輸出.信號可以根據工藝需求在不同地點(diǎn)進(jìn)行控制、報警、顯示.國內廠(chǎng)家也具備良好的技術(shù)和工藝生產(chǎn)鉑熱電阻,部分廠(chǎng)家的常用型號通過(guò)了抗震及耐輻照鑒定.
 
2壓力儀表
2.1原理及結構1.2
1)微差壓開(kāi)關(guān)
　　微差壓開(kāi)關(guān)的工作原理是開(kāi)關(guān)中的膜片響應壓力的變化而移動(dòng),驅動(dòng)觸點(diǎn)致使開(kāi)關(guān)在兩個(gè)預設點(diǎn)動(dòng)作.預設點(diǎn)的斷開(kāi)、閉合驅動(dòng)設備達到控制目的,以往核電項目使用數量較多.
2)模擬量壓力變送器
　　壓力變送器主要有電容式和擴散硅式壓力變送器.
　　電容式微差壓變送器是根據變電容原理工作的,它的傳感器是電容,利用彈性元件受壓變形來(lái)改變可變電容器的電容量,從而實(shí)現壓力-電容的轉換.用數學(xué)公式更簡(jiǎn)潔地說(shuō)明工作原理:
P1-P2=△P
當P1=P2時(shí),C1=C2=K2/d0,K2=εS/4π.
其中,ε為絕對介電常數;S為兩極板正對面積;4π為計算常數.
當P1>P2時(shí),Ci1=εA/d1.
　　測量膜片新移動(dòng)距離:d1=△d+d0,△d=K1△P.其中,K1是彈力系數;ε是電極板間介質(zhì)的介電常數;A為板面積;P2為大氣壓.
3)擴散硅式壓力變送器
　　擴散硅式壓力變送器工作原理:介質(zhì)壓力作用于波紋膜片上,使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移,從而使傳感器膜片表面的硅壓敏電阻的電阻值發(fā)生變化.擴散硅式壓力變送器的傳感元件是擴散硅壓阻芯片,同樣可以將電阻信號轉變?yōu)?mA~20mA的標準信號進(jìn)行輸出.
　　擴散硅式壓力變送器利用半導體壓阻效應實(shí)現阻值變化,特點(diǎn)是敏感度高,產(chǎn)品一致性差.
2.2儀表特點(diǎn)對比分析
　　微差壓開(kāi)關(guān)儀表在核電廠(chǎng)通風(fēng)系統中應用很廣泛,但其問(wèn)題也比較明顯:回差較大,導致報警無(wú)法正常消報,甚至無(wú)法滿(mǎn)足設備運行和控制聯(lián)鎖要求,需要人員手動(dòng)去.現場(chǎng)消報;回差過(guò)小,又會(huì )導致信號抖動(dòng),頻繁報警,或頻繁啟停設備.由于這類(lèi)情況屢次發(fā)生,考慮用其他微差壓變送器替代差壓開(kāi)關(guān).
　　目前,電容式微差壓變送器、擴散硅式壓力變送器在核電廠(chǎng)其他系統有著(zhù)普遍的應用,本節對微差壓開(kāi)關(guān)和這兩種變送器的原理、特性、安裝及運行維護要求等不同方面展開(kāi)對比,總結出3種儀表各自的優(yōu)勢和缺點(diǎn),為微差壓儀表選型提供建議.
　　從儀表的原理角度考慮:微差壓開(kāi)關(guān)是通過(guò)位移來(lái)測量壓力的,觸點(diǎn)的通斷由驅動(dòng)開(kāi)關(guān)控制,由機械部件組成;擴散硅式壓力變送器是通過(guò)電阻值的改變來(lái)測量壓力的,由硅及膜片構成測量元件,靈敏度高、但膜片易受損;電容式差壓變送器是通過(guò)電容的改變來(lái)測量壓力的,由中心膜片構成測量元件,測量精度高,性能穩定.
　　從儀表的特性方面考慮:微差壓開(kāi)關(guān)儀表微差壓值可以做到2.5Pa.擴散硅式壓力變送器差壓值不能承受動(dòng)態(tài)過(guò)載壓力,低于0℃,溫度穩定性大幅降低,--般不用于測量差壓.電容式差壓變送器含有δ室,處于密閉結構,耐腐蝕,抗干擾能力強、穩定性好,中心膜片為不銹鋼金屬材質(zhì),承壓好、不變形.
　　從儀表的安裝角度考慮:開(kāi)關(guān)量?jì)x表中心膜片要求絕對豎直,現場(chǎng)是垂直安裝,避免因為重力影響測量精度.變送器可以側裝,膜片受重力影響,可以通過(guò)在線(xiàn)遷移調整“0”位.
　　從工藝要求范圍考慮:通風(fēng)系統一般測量的是電加熱器或風(fēng)機前后進(jìn)出口的壓力差,監測的差值較小,有的甚至只有10Pa.如某些通風(fēng)系統的部分微差壓檢測儀表,差壓值僅10Pa.部分通風(fēng)系統處于放射性環(huán)境中,要保證接.觸元件性質(zhì)穩定.微差壓開(kāi)關(guān)可以滿(mǎn)足上述工藝,擴散硅式壓力變送器針對微差壓值較低的量程供貨商難以滿(mǎn)足,電容式差壓變送器微差壓量程范圍可達到0Pa~160Pa,精度保證全量程的0.5%.當測點(diǎn)低至10Pa時(shí),精度達到10%.
　　電容式差壓變送器分為檢測環(huán)節和變送環(huán)節,檢測環(huán)節由被測壓力的變化轉換成電容量的變化;變送環(huán)節則將電容變化量轉換成4mA~20mA的標準信號進(jìn)行輸出.信號可以直接被采集進(jìn)DCS機柜或者就地箱調節器,根據工藝需求在不同地點(diǎn)進(jìn)行控制、報警、顯示.差壓變送器信號框圖如圖4所示.
 
　　國內供貨商的電容式微差壓變送器具備良好的設計和工藝技術(shù),部分廠(chǎng)家的常用型號通過(guò)了抗震及耐輻照鑒定.
結論
　　基于以上分析結果,Pt100鉑熱電阻具有精度高、測量范圍廣、穩定性高,且阻值和溫度具有良好的線(xiàn)性關(guān)系,安裝方式?jīng)]有限制等優(yōu)點(diǎn),能夠滿(mǎn)足核電廠(chǎng)通風(fēng)系統溫度采集的特點(diǎn);電容式微差壓變送器具有低測量值、穩定性高、承壓范圍廣:等優(yōu)點(diǎn),能夠滿(mǎn)足核電廠(chǎng)通風(fēng)系統微差壓采集的多數需求,但是在差壓值非常低的情況下,電容式微差壓變送器精度降低,不具備明顯優(yōu)勢.因此,在核電廠(chǎng)通風(fēng)系統儀表優(yōu)化設計方案中,統-考慮采用Pt100鉑熱電阻進(jìn)行溫度測量,考慮差壓值極低時(shí)仍使用微差壓開(kāi)關(guān)或者采集風(fēng)機狀態(tài)聯(lián)鎖控制差壓表所監測設備,普通的微差壓值測點(diǎn)可以采用電容式微差壓變送器進(jìn)行差壓測量.