导波雷达液位计在福清核电的应用及改进

张 磊，李德银

(福建福清核电有限公司，福建 福清 350318)

0 引言

导波雷达液位计作为一种新兴的液位测量仪表，克服了传统仪表的不足，在核电厂的应用逐渐增多。但导波雷达液位计在高温高压蒸汽系统使用时，还存在一些不足，导致系统液位测量失真[1]。

汽水分离再热系统是核电厂汽轮机的重要辅助系统，主要应用于汽轮机运行期间，通过控制进入二级再热管束的蒸汽量，对高压缸排气进行除湿和再热，使进入低压缸的蒸汽有一定的过热度。其应用改善了汽轮机低压缸的工作条件，提高了汽轮机的相对内效率，减少了湿蒸汽对汽轮机零部件的刷蚀。在福清1～4号机组调试及运行期间，汽水分离再热系统二级疏水箱液位计多次出现故障，如液位计探杆泄漏、测量失效等。针对二级疏水箱液位计问题，采用新型测量方案，对汽水分析再热系统二级疏水液位测量作优化改进。

1 导波雷达液位计测量原理及特点

(1)导波雷达液位计的工作原理。

导波雷达液位计基于电磁波时域反射原理[2]，由电磁波发生器发射一个电磁脉冲信号发射到导波体上，以导波体作为信号的传输载体。当遇到被测介质表面时，部分信号被反射形成回波并沿相同路径返回脉冲发射装置。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，测量发射与反射脉冲[3]。导波雷达液位计测量原理如图1所示。

图1 导波雷达液位计测量原理图

(2)导波雷达液位计的测量特点。

①电磁波信号沿导波杆传输可消除假回波信号，减少信号丢失。

②整个测量装置无活动部件，无机械磨损。

③安装调试方便。

④不受介质密度变化的影响(但是需要单一介质)。

⑤使用与高温、高压的物位测量。

2 现有设计缺陷导致测量不稳定的原因分析

核电厂二回路液位控制是核电厂重要的控制系统之一，其测量环境需考虑真空、高温、泡沫等多方面因素。传统液位仪表因其固有原理，无法通过自身技术的改进来消除误差。故本文采用了导波雷达液位计[4]。

但在机组运行过程中，汽水分离再热系统原有导波雷达液位计导波杆的支撑件会破碎，支撑件碎片会进入到二回路系统中，形成异物，危及机组安全[5]。同时，导波杆内支撑件破碎后，因振动、冲击等因素会导致导波杆触碰到水位测量筒，使液位测量产生跳变，存在汽水分离再热系统二级隔离风险。

受制于现场使用条件，汽水分离再热器二级疏水箱内充满饱和蒸汽。蒸汽是极性气体，即蒸汽的介电常数会根据环境的压力、温度而改变。介电常数的变化会影响电磁波的传播速度。波速度公式为[6]：

(1)

式中：C为光在真空中的传播速度(3.0×108m/s)；εr为介质的相对介电常数;μr为相对磁导率。

由式(1)可见，当介质的介电常数变化，则波速度会随之变化。由于电磁波在不同介质中的传输速度不同，比如在空气中的传输速度比在蒸汽中传输速度大，因此汽水分离再热系统(gas-liquid seperate system,GSS)二级疏水箱液位计选用的都是蒸汽型导波雷达液位计[7]。

经统计，在功率运行期间，汽水分离再热系统二级液位计共计出现缺陷91项。其中，导波雷达液位计漏汽缺陷共计38项，二级疏水箱液位计偏差大共计46项，因仪表故障导致通道测量不可用共计7项。

根据现场液位计缺陷情况来看，目前汽水分离再热系统二级液位计主要存在以下故障。

①液位计探杆支撑杆破碎。经分析，原汽水分离再热系统二级液位计所用的高温型导波雷达液位计，其探杆支撑件采用聚醚醚酮(PEEK)[8]高分子合成材料。在运行过程中，该支撑件会逐渐脆化，在系统冲击工况下破裂。处理方式：在测量系统改进前，机组只能通过每次大修期间，对探杆进行定期更换。

②液位计探杆密封失效。液位计探杆内部密封件采用PEEK材料进行隔热，靠近连接部位采用2个O型圈进行密封。O型圈耐温范围为150 ℃。因汽水分离再热系统二级疏水箱内部温度达280 ℃，探杆隔热材料失效，进而使O型圈失效，探杆密封泄漏，测量闪发质量位。处理方式：目前出现探杆密封失效后，无法进行更换。

③液位计冷热态工况，液位测量出现偏差。液位计大修冷态调试时，3支液位计偏差小于20 mm。但汽轮机冲转并网后，因系统温度上升，3支液位计偏差会达到100 mm。在机组运行时间长后，液位计偏差也会逐渐增加，导致偏差超过100 mm。处理方式：目前只能在热态后，对偏差大液位计进行修正。机组功率运行后，每周定期巡检方式，检查液位计偏差，并及时进行修正。

3 改进方案

3.1 导波雷达液位计支撑件改进

原汽水分离再热系统二级导波雷达液位计采用PEEK支撑件，同时也作为探杆隔热材料。PEEK是芳香族结晶型热塑性高分子材料。PEEK玻璃化转变温度为143 ℃，其熔点为334 ℃。这种材料耐抗有机和水环境，具有优良的化学性、热稳定性和抗氧化性。目前，应用汽水分离再热系统二级疏水箱实际运行温度为280 ℃，仪表的设计温度为350 ℃，而PEEK物理特性耐温只有250 ℃，因此运行时间过长会产生变形或碎裂。

为应对导波雷达液位计支撑件破碎及密封失效情况，此次支撑件设计采用99.7%纯度的Al2O3陶瓷材料[8]。该材料具有硬度大、耐磨性能极好、质量轻等特点。其熔点在2 000 ℃以上，具有良好的导热性、绝缘性以及透光性，介电常数为9.0左右，适用于高温蒸汽型导波雷达液位计测量原理。Al2O3陶瓷的物理和力学特性如表1所示。

表1 Al2O3陶瓷的物理和力学特性

改进后探杆内部结构精密。防止蒸汽部分主元件采用氧化铝陶瓷，不会因为温度增高而变形、渗漏。密封元件采用耐高温的石墨密封Graphite，是目前仪表产品在防止高温蒸汽方面的理想材料。其物理性能远远优于以前使用的PF128、PEEK、铝矾土等材质，十分稳定可靠。该结构整体密封结合紧密，可杜绝蒸汽进入。

3.2 导波雷达液位计高温补偿改进

原汽水分离再热系统二级导波雷达液位计采用点补偿方式，补偿点到电磁波发射口距离为125 mm。如果测量点以上或者测量点位置有凝露或者误差，会放大传导到下方实际液位测量。为了更好地说明上述结论，定义系数K。

式中：K越大，说明仪表抗蒸汽目标干扰的性能越差;K越小，水位高过蒸汽目标后，将无蒸汽补偿功能，使液位计精度受到影响。

改进前后液位计性能如表2所示。

表2 改进前后液位计性能

改进后液位计采用参考段式补偿方式，蒸汽目标距离变长，整个测量段的补偿数据更加精确有效，不会因为某个点位的凝结等传导误差。改进后导波雷达液位计探杆密封结构如图2所示。

图2 改进后液位计探杆密封结构图

改进后液位计探杆蒸汽补偿测量原理图如图3所示。

图3 改进后液位计测量原理图

3.3 福清核电导波雷达液位计整体改造技术方案

原二级疏水箱采用直插式安装。此次技术改造方案，不仅对原导波雷达液位计进行换型技术改进，还需对导波雷达液位计进行外移变更[9]。在汽水分离再热系统二级疏水箱外部靠近水侧取压口处，安装3个测量筒，用于导波雷达液位计的安装以及液位测量。每个测量筒的汽侧取压口仍选用原导波雷达液位计接口，而水侧取压口引用原水汽取样口、磁翻板液位计取压口。汽水分离再热系统二级疏水液位计改造整体方案如图4所示。

图4 液位计改造整体方案

(1)外移管道布置要求。由于疏水箱热膨胀会产生热位移及热应力，施工单位布置管道时需考虑热补偿。同时，应保证导波雷达液位计上方留有2.5 m的空间，以便设备的维护和检修。上部汽侧连接管要注意设置一定坡度，使冷凝水回流至疏水罐内。

(2)焊机技术要求。浮筒组件、阀门、DN25管道连接采用承插焊形式。焊件组对前，应将坡口表面及附近母材(内、外壁)的油、漆、垢、锈等清理干净，直至发出金属光泽。焊接过程中，应进行逐层检查，经自检合格后方可焊接次层焊缝。完成焊接后，按DL/T1118-2009核电厂常规岛焊接技术规程进行相应无损检测。

(3)管道保温要求。上下部均需要进行保温，浮筒组件需保温至法兰接口处。保温安装要求：材料选用硅酸铝纤维绳，厚度70 mm；保护层材料选用铝皮，厚度0.5 mm。

(4)隔离阀选型要求。为保证上下流通管线具备足够的流通能力，考虑到二级疏水箱扩孔现场不具备实施条件，在此基础上隔离阀需选用DN25全通径阀门。

(5)敷设电缆要求。为减少敷设电缆的工作量，此次技术改造不再重新敷设到DCS的电缆。因原DCS电缆长度不够，此次技术改造增加BC转接箱。转接箱位置布置在便于检修位置。

3.4 改造后效果

福清核电相关导波雷达液位计改造后，汽水分离再热系统二级疏水箱液位计测量稳定性大大提高。改造后，在机组启动升功率阶段(原液位计频繁闪发质量为及液位计漂移缺陷)，液位测量稳定，偏差在30 mm以内，未出现漂移情况。改进前后机组功率升至相同平台液位计测量趋势如图5所示。

图5 改进前后液位计测量趋势

4 结束语

通过对福清核电汽水分离再热系统导波雷达水液位测量设计优化与改进，解决了原系统液位测量频发泄漏、失效，使液位测量可靠性得到大幅提升。该方案能解决核电厂高温型液位测量问题，对于新型测量方式推进有着重要意义。