福清核电厂液位仪表的应用与探索

2014-04-03

自动化仪表 2014年2期

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

0 引言

在福清一期核电厂建设中，液位测量仪表的正确应用与否影响着核电厂安装工作能否顺利进行及调试工作能否顺利开展。通过在福清一期核电现场6个月的现场工作实践，整理归纳了液位仪表在核电厂的类型，并且通过具体问题的处理，阐述了液位仪表在应用中应该注意的问题。液位仪表在不断的改进和创新，在国家推进第三代堆型的政策中，紧跟第三代核电技术中液位测量的新特点，探索将导播雷达液位计应用在核电厂中，证明其优越性,为核电厂建设过程中选择可靠、准确的液位测量仪表提供有力的参考。

1 液位仪表的原理、特点及用途

核电厂大多数液位仪表测量的基本原理是利用浮力定律，通过测量漂浮于被测液位上的浮球随液位变化产生的位移,或利用沉浸在被测液体中的浮筒所受浮力与页面位置的关系来检测液位[1]。前者一般称作恒浮力式检测，其中包括浮标式、浮球式和磁翻板式，后者一般称作变浮力式。

核电厂中主要涉及的液位仪表包括：外浮筒液位开关、顶装浮子液位开关、侧装浮球液位开关、磁翻板式液位计和沉筒式液位变送器。

1.1 顶装浮子液位开关

顶装浮子液位开关的工作原理基于浮力原理，即弹簧被重于液体的浮子加载，浮子浸没在液体中时，浮力产生变化，致使弹簧向上移动。弹簧仅在液位移动到浮子上时移动，因此弹簧移动始终是浮子移动的一小部分。弹簧上端连接有一个磁套管。该磁套管在非磁性的隔离管的范围内移动。弹簧移动导致磁套管吸引装在轴上的磁铁，使位于隔离管外的开关机构动作。

顶装浮子液位开关结构简单，安装方式(为标准法兰安装)和维修方便，仪表缆绳长度可调，可满足多种液位设定点的要求[2]。在福清核电厂中，此类仪表主要用来测量地坑或乏燃料水池的液位，尤其是在测量乏燃料水池液位时，其缆绳长度大于12 m，满足了设定点的要求，同时又可使仪表表头安装在7层平台上，便于维修。

1.2 侧装浮球液位开关

液位开关通过附着在浮球组件上的磁铁及其与簧片开关的磁力互相作用，实现开关动作并发出开关量信号。随着液位发生变化，浮球发生位移，导致浮球磁铁移动。浮球磁铁靠近簧片开关，使开关改变状态，接通或断开电流。

这种液位开关安装空间小，检修维护方便，在核电厂主要用于控制储罐的液位，如RRA系统储罐液位。

1.3 磁翻板液位计

磁翻板液位计是根据磁极耦合原理、浮力定律、连通器原理，巧妙地结合机械传动的特性而开发的液位测量仪表[3]。磁翻板液位计通过法兰或承插焊方式与液位储罐连接，储罐内液位的高低变化将带动含有永久磁铁的浮子上下移动。在液位计测量管的外表面安装有磁翻板。磁翻板的两面分别是不同的颜色。随着浮子的上下移动，介质中浮子内的永磁铁的磁场将会导致磁翻板翻转，改变磁翻板的显示颜色，从而体现储罐内液位。

磁翻板液位计读数清晰直观，指示部分与测量部分完全隔离，易于维修，测量范围广。在核电厂中磁翻板液位计用于测量大型储罐的液位，如DX厂房的柴油机主储油罐的测量范围长达5 m的储油罐液位。磁翻板液位计也可配置液位变送装置，输出4～20 mA信号，以实现对现场液位的远程监测和控制。

1.4 沉筒式液位变送器

沉筒式液位变送器的测量元件是圆柱型沉筒，沉筒悬挂在杠杆上，杠杆另一端架在一个支点上，并与扭力管连接。当挂沉筒一端的杠杆上下移动时，架在支点上面一端的杠杆绕支点旋转，带动扭力管旋转，扭力管输出一个转角α给表头。这个转角带动表头中的霍尔磁钢感应器的磁钢运动，根据霍尔效应电压作出相应变化，输出电压通过转换电路转变为4～20 mA的电流信号[4]。

沉筒液位变送器测量精度高，兼具有现场指示和远程监测的功能，用于RPE008MN、RPE015MN和RPE003BA罐的测量。

2 核电现场液位仪表的安装

核电厂液位测量仪表主要有测量连续量的液位变送器和液位开关两种。

2.1 沉筒式液位变送器的安装

福清核电厂沉筒式液位变送器的安装方式为顶装，与所测设备之间用法兰连接。在安装中主要考虑的是仪表法兰的标准规格，包括法兰尺寸、承压等级、材质等。仪表及仪表架的安装高度根据测量的液位的标高要求确定，沉筒的长度根据液位的测量范围要求确定。

2.2 液位开关的安装

液位开关的作用是当液位上升或下降到液位设定点时，液位开关发出开关量信号产生控制或报警命令。因此液位开关的安装位置与液位设定值紧密相关。核电厂中液位开关顶装和侧装方式占有很大比例。顶装式液位开关主要测量电厂内地坑的液位，一般为法兰安装在仪表架上，安装时需要考虑仪表的法兰面距离设定值的长度。侧装浮球液位开关在现场用于储罐液位的控制，为法兰安装在储罐侧面，其安装高度取决于液位设定值。同时浮球顶部到法兰面的连杆长度要小于储罐的直径，且在罐内要满足发出信号所需的连杆的活动角度，避免与储罐发生碰撞。

以上两种方式的液位开关在安装时，除了满足工艺设定点的要求外，还要注意过程接口的选择。法兰安装的仪表需要注意仪表法兰的标准规格，包括法兰尺寸、承压等级、材质等；承插焊安装的仪表要注意材质与被测设备相配。

3 现场发生的安装问题与对策

3.1 顶装液位开关

液位开关的安装与工艺设定值紧密相关。在1RX厂房R147房间有核岛排气和疏水系统(RPE)的仪表RPE006SN、RPE007SN，仪表设计安装标高(elevation level,EL)为-3 210 mm，仪表RPE006SN、RPE007SN的仪表架编号分别为RPE204CQ和RPE205CQ，仪表的支架支撑为1S018，地面标高为-3 500 mm，1S018的高度为610 mm。因为仪表支架高度为610 mm，导致仪表的安装标高超出了-3 210 mm的安装标高要求。具体仪表管道布置图中的仪表安装标高如图1所示。

这个问题主要是选用的仪表在仪表架上安装的高度过高引起的。解决方式为修改仪表架，降低仪表的安装高度。现场考察发现，只能适当降低安装板在仪表架上的位置，而如果过度降低，将出现安装板下边缘超出仪表架框架或者出现螺栓孔开在焊缝上的情况。对此，查看仪表资料，可以通过延长缆绳长度的方法来降低仪表架。

3.2 侧装液位开关

侧装液位开关主要是测量储罐液位。液位开关的浮球与连杆长度应该小于所测储罐的内径长度，如果出现大于的情况，则浮球将会碰到储罐而无法工作。在岭澳二期现场曾发现RRA033SN等仪表出现类似问题，连杆与浮球长度之和为275 mm，但是所测量的储罐内径为255 mm，发生了仪表浮球与储罐碰撞的情况，无法实现测量。因此，在进行液位开关选型安装时，要注意浮球与连杆的长度。现场如果发现选型出现问题，需将连杆割掉一节，然后再用氩弧焊焊接。

4 液位测量方式的新探索

在消化吸收第三代核电技术AP1000时发现，随着安全要求的提高、测量技术的更新，需要在核电厂液位测量中应用工作更加稳定、测量精度更高的仪表。AP1000堆型中液位测量仪表绝大部分采用了既可进行连续测量也可进行阈值比较输出开关量的液位变送器，如雷达液位计。在此次福清一期核电厂液位仪表选型过程中，我们也大胆探索，将此类新型测量方式仪表使用在目前的二代加堆型上。

4.1 方案的选择

在福清一期项目非核级液位变送器选型过程中，9ASG003MN和9ASG006MN原准备选用沉筒液位计。但是同类型已运行核电厂反馈情况和厂家澄清情况表明，沉筒液位变送器测量效果并不能很好地满足测量要求，参考电站反映仪表体积较大，不便于安装、校验，承压部件易疲劳和产生故障。因此，有必要选用其他产品进行替代。根据两块仪表所在工况，通过调研发现，导波雷达液位计可以更加可靠、稳定地满足测量要求。

福清一期核电厂项目9ASG003MN和9ASG006MN选型方案最终采用导波雷达液位变送器。对选择此方案的分析如下。

导波雷达液位计的工作原理是基于电磁波的时域反射原理，电磁波发生器产生一个沿探测杆向下传送的电磁脉冲波。当电磁脉冲遇到比先前传导介质(比如空气)介电常数大的液体表面时，脉冲波会被反射。通过超高速计时电路计算脉冲从发射到反射的时间差，从而计算出液位。

通过调研总结可知，导波雷达液位计具有如下优点：①成本相对于采用扭力管技术的沉筒液位变送器低[5]；②发射的电磁波是恒定的，不需要进行现场校验，也不需要通过迁移来改变仪表量程，可以在没有液位的情况下在几分钟内完成组态；③安装方式多样，可以使用螺纹和法兰连接，安装部位可以选择顶装或者侧装，这些都有利于现场的安装与检修维护[6]；④没有会被磨损和破坏的机械运动部件。

仪表的各项参数是仪表测量优劣、适用工况的决定条件。参考电站的选型方案与现在的选型方案比较如表1所示。由表1可以看出，导波雷达液位计测量精度高，仪表工作电压范围为当今主流范围，工作电压范围宽，仪表最高可承受的工作温度满足福清一期项目ASG006MN设计温度的要求。结合前述导波雷达的优点，证明选用导波雷达液位计的测量方案符合设计要求，优于沉筒液位变送器的测量方案。