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內置換料水箱液位變送器選型研究與優化
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內置換料水箱液位變送器選型研究與優化

時間:2021-01-22 11:02:07

 摘要:內置換料水箱(IRWST)液位儀表用于在正常運行和事故工況下連續監測,提供非常高和非常低水位報警和顯示,為操作員提供操作依據。文章通過對儀表測量原理、性能、可維護性等方面進行比較,提出了選型建議和改進建議,為后續華龍一號工程內置換料水箱(IRWST)液位儀表選型和改進提供了借鑒和參考。VDW壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

 
概述
華龍一號內置換料水箱(IRWST)為混凝土結構并覆有不銹鋼襯里,是安全殼結構的一部分,IRWST里含硼水與安注箱內的含硼水一樣的硼濃度(≥2300mg/L且≤2500mg/L),IRWST能提供足夠的含硼水,在異常運行
工況下,向化學和容積控制系統(RCV)提供含硼水;在換料冷停堆期間,用于為反應堆換料水池、堆內構件儲存池和燃料轉運艙充水,以完成換料操作;在事故工況下,IRWST作為安全級的設備,可為安注系統(RSI)和安全殼噴淋系統(CSP)提供安全水源。
 
IRWST配備兩個寬量程(0~3.8m)和兩個窄量程(2.2~3m)連續液位測量通道。寬量程RSI004MN和RSI005MN用于在正常運行和事故工況下連續監測IRWST水位。窄量程RSI001MN和RSI002MN用于在正常運行工況下監視IRWST水位是否在運行規范要求的范圍內。水位低于2.63m時,觸發低水位報警提示操作員IRWST需要補水;水位高于2.73m時,觸發高液位報警提示操作員注意可能有其他水源進入。這些傳感器通過DCS系統向操作員提供高、低水位報警和模擬量液位顯示。2當前工程現狀及存在問題
 
2.1現狀分析
華龍一號全球首堆福清核電5號機組IRWST液位變送器選型:窄量程選用浮筒式液位變送器;寬量程選用K1級的正壓腔帶一個隔離密封件,采用毛細管導壓的遠傳法蘭差壓式變送器。
 
浮筒式液位變送器應用的是阿基米德原理,即“浸入液體中的物體所承受的浮力等于它所排開的液體的重量”,
公式為F=ρ1gh-ρ2g(L-h)。
 
浮筒式液位變送器測量原理如圖1所示。浮筒式液位變送器使用彈簧連接浮筒,則該浮力可看作掛在彈簧下面的浮筒元件重量的有效減輕量,即彈簧拉伸力FS=W-F。因此當液位改變時,浸入液體中的浮筒體積變化,浮筒受到的浮力相應改變,導致彈簧收縮或拉伸,從而帶動壓力管內的鐵芯做線性垂直運動。當LVDT(線性可變差動變壓器)中鐵芯的位置隨著液位變化而變化時,LVDT中兩個次級線圈的電壓差信號與鐵芯的位移成正比,電壓差信號反饋至微處理器控制的電子元件,信號經過電路處理并轉換為DC4~20mA的標準電流信號輸出。
浮筒式液位變送器測量原理
遠傳法蘭差壓變送器安裝情況如圖2所示。浮筒式液位變送器通過法蘭安裝方式安裝于IRWST上層環廊地面位置,在法蘭下方的IRWST內部,安裝有Φ100空心的
遠傳法蘭差壓變送器安裝圖
不銹鋼管作為液位變送器保護罩,以減輕液面波動對浮筒式液位變送器浮筒造成的影響。遠傳法蘭差壓變送器配有5m長毛細管的遠傳隔離膜片,沿不銹鋼水池內壁安裝儀表管支架。變送器本體和低壓側隔離膜片安裝在IRWST上層環廊中,帶有5m長毛細管導壓的高壓側投入式隔離膜片安裝在焊接于IRWST底部的支架上。高壓側和低壓側分別測量IRWST內液位的靜壓力和上層環廊空氣壓力(代替IRWST內上部空間氣體壓力),通過高低壓側的壓力差值轉換計算,得到IRWST內的液位高度。
 
2.2存在問題
2.2.1浮筒式液位變送器
(1)誤差分析。
根據技術規格書的設計輸入,IRWST中的硼濃度≥2300mg/L的含硼水設計壓力0.52MPa(a),設計溫度156℃,設計參數為在事故工況下的參數,而正常工況工作壓力0.1MPa(a),工作溫度15~55℃。由上可知兩種不同工況IRWST中含硼水參數差別大,從而圖1中的ρ1和ρ2在兩種工況下差距大,而且實際運行過程中,參數是經常改變的,所以ρ1、ρ2是隨工況變化而變化的,測量結果與浮力F=ρ1gh-ρ2g(L-h)直接相關,因此無論以設計工況或者正常工況的參數進行設置,只要實際參數與設置參數有偏差,就會產生誤差,F場調試時發現,按事故工況設置,則在正常工況下測量誤差介于0.086~0.122m(現場介質溫度不同時,導致的誤差不同);反之,按照溫度55℃,壓力0.1MPa(a)的工況設置,則在事故工況下誤差為0.08m左右。同理可知,在實際運行工況中,偏差也是一直存在的,且偏差大小是隨工況的變化而變化的。
 
調試安裝時,從實驗室將液位計搬運至現場安裝后發現零點已發生偏移,經分析,可能有兩方面原因:一是檢驗后浮筒上仍有液體附著,導致浮筒重力加大,使得測量值顯示偏;二是搬運過程和安裝過程中的振動導致浮筒液位變送器機械連接部件或彈簧發生變化,導致發生零點偏移。
 
在正常使用中,介質附著于浮筒上、液面波動導致浮筒振動、長時間使用導致彈簧發生細微形變等方面的原因也將在一定程度上導致測量結果產生偏差。
 
(2)誤差影響。
根據安全注入系統報警手冊中的要求,窄量程水位測點001MN/002MN分別通過邏輯判斷形成IRWST水位高報警和IRWST水位低報警。當觸發水位高報警,操作員需根據系統設備狀態和其他參數判斷反應堆安全殼內是否存在不明泄漏,如果有額外的水流入(例如:帶有放射性的廢水流入反應堆廠房),需停止相關環路并通過安注或安噴系統泵吸入管道上的疏排管線進行排水;觸發水位低報警時,如果無安注信號,并且不是在換料操作過程中,則可能是IRWST鋼覆面泄漏、安注或安噴系統吸水管道或閥門泄漏導致的。操作員需通過RBM系統為IRWST補水、檢查IRWST鋼覆面泄漏監測地坑液位以驗證是否為鋼覆面泄漏、檢查安全廠房RVD地坑液位以驗證是否為安注或安噴系統管道或閥門泄漏,并根據驗證結果采取必要的隔離措施。
 
所以,當存在測量誤差時,將大概率誤觸發水位高、低報警或者導致實際水位持續處于偏高或偏低狀態,影響操作員做出正常判斷和操作,從而影響機組的安全穩定運行。
 
2.2.2遠傳法蘭差壓變送器
遠傳法蘭差壓變送器采用差壓原理進行液位測量,通過測出的差壓值來計算液位高度,根據當前設計,在計算過程中密度取事故工況下的密度,但實際運行工況與事故工況相差大,且處于變化狀態,所以設計上存在計算偏差。
 
寬量程水位是事故后監測系統(PAMS)的組成部分,根據機組運行技術規格書和QSR定期試驗監督大綱要求,操作員需8h進行一次液位一致性檢查,儀控人員需每1個換料周期進行一次零點檢查、每8個換料周期進行一次校驗。遠傳法蘭差壓變送器高壓側投入式隔離膜片安裝在焊接于IRWST底部的支架上,因此若需要零點檢查或校驗儀表,則必須將IRWST排空,進入IRWST進行工作。IRWST總容積約2400m3,正常容積為2225~2310m3,且IRWST里面存儲的液體為硼濃度≥2300mg/L的含硼
 
除鹽除氧含碳水,當前并無可以存放如此大容積放射性液體的容器;IRWST為安全設計,水箱排空存在安全隱患,對于核電廠的排放指標也會有較大影響。因此維護人員進入IRWST密閉空間進行工作極為困難,且需要核清潔人員進行去污,不利于核電廠職業照射劑量的控制,同時工作過程也存在較大的引入異物風險;大修期間排空水會帶來額外工期影響。
 
3后續工程改進
通過上述的分析可知,窄量程選用浮筒式液位變送器將導致較大的測量偏差,而寬量程選用毛細管導壓的遠傳法蘭差壓式變送器,存在計算偏差且后續執行零點檢查和校驗存在較大困難。所以在漳州核電廠1、2號機組工程采購中,通過提出華龍設計優化項,已將窄量程液位計選型改為導波雷達液位變送器,而寬量程液位計擬通過研發安全級為1E,鑒定等級為K1且滿足抗震I類要求的導波雷達液位變送器進行替換,安全級導波雷達液位變送器需采用分體安裝,且由于寬量程長度接近4m,安裝空間受到限制,需要考慮導波桿的分段可折疊、分段安裝和分段拆卸或采用導波纜的形式。
 
導波雷達液位變送器是基于電磁波的時域反射原理為基礎的雷達液位計,液位變送器的電磁波發生器產生一個沿探桿向下傳播的電磁脈沖波,當電磁脈沖波遇到比先前傳導介質(比如空氣)介電常數大的液面時,電磁脈沖波會被反射形成回波并沿相同路徑返回到脈沖發射裝置。發射裝置與被測介質表面的距離同脈沖在其間的傳播時間成正比,通過超高速計時電路計算脈沖從發射到反射的時間差,即可計算得出液位高度。
 
根據工作原理和現場應用經驗,導波雷達變送器具有如下優點:導波雷達液位變送器的測量不受介質變化、溫度變化、惰性氣體及蒸汽、粉塵、泡沫等的影響;測量精度高,穩定性強;可以使用螺紋和法蘭連接安裝,拆裝方便,有利于現場的安裝與檢修維護;儀表校驗簡單,在現場即可完成零點檢查和校驗工作,同時組態方便簡單便于操作;沒有會被磨損和破壞的機械運動部件;檢修維護量小,節約了生產成本和維護成本[1]。
 
在安裝方面,導波雷達液位變送器一般情況下可以用法蘭或螺紋連接安裝到容器頂部,探桿方向要與測量介質液面垂直,與測量筒壁需要保持一定的距離。安裝所需的條件與001MN/002MN原設計的基本一致,因此福清核電5/6號機組項目也可以考慮通過換型進行優化。而寬量程的遠傳法蘭差壓變送器安裝要求有較大不同,換型后采用分體安裝設計,需考慮增加導波桿或導波電纜的安裝法蘭及保護罩等設計,貫穿件及一次元件到貫穿件電纜路徑等設計修改,根據需求對設計圖和安裝圖做出相應的修訂。
 
4福清項目寬量程遠傳法蘭差壓變送器改進方案
  福清項目寬量程遠傳法蘭差壓變送器若通過換型改造,變更為導波雷達液位變送器存在以下問題:改為分體式安裝的導波雷達液位計,需要做增加貫穿件及一次元件到貫穿件電纜路徑等設計改變;原用于穿法蘭和毛細管的孔洞無法滿足導波雷達液位變送器的需求,需重新安裝法蘭及保護罩等。
 
遠傳法蘭差壓變送器主要問題有:問題一,當前設計,在計算過程中液體密度取事故工況下的密度,產生計算偏差;問題二,高壓側投入式隔離膜片安裝在焊接于IRWST底部的支架上,導致進行零點檢查或校驗時存在較大困難。根據介質溫度壓力與密度的關系,在液位計算過程中采用隨工況變化而變化的真實密度,即可解決問題一;問題二則可通過改變安裝方式,將原焊接在IRWST底部的支架改進為可移動的支架來解決。
 
支架安裝如圖3所示,在IRWST墻上固定好導軌,將高壓側投入式隔離膜片的安裝支架固定在滑塊上,在滑塊上設置有升降環,在安裝好高壓側投入式隔離膜片后,在升降環上固定好足夠長(>4m)的鏈條。通過鏈條將滑塊緩慢地沿著導軌下放,在每下放半米左右距離時,使用不銹鋼抱箍將毛細管固定在鏈條上,直至下放到IRW-ST底部為止,將鏈條的另一端固定在上一層環廊導軌處,用于將位于隔離膜片的從IRWST底部提升到上一層環廊。通過這樣的安裝方式可以解決進行零點檢查或校驗極其困難的問題,實現在不排空IRWST的情況下完成零點檢查或校驗工作,避免排空水箱帶來的安全隱患,減去人員由于進入IRWST密閉空間工作帶來的輻射劑量,同時也避免了IRWST引入異物的風險以及排空水帶來額外的制水成本和工期影響。通過改進安裝方式,節約了運維成本并大大提高了安全性。
安裝支架圖
5結語
IRWST在不同工況下,介質的溫度壓力變化較大,不適宜采用基于阿基米德原理的浮筒式液位變送器;導波雷達液位變送器在IRWST液位測量上具有不受工況變化影響、拆裝方便、易調試校驗、維護簡單等優點;遠傳法蘭差壓變送器通過計算過程優化和改進安裝方式同樣可以滿足寬量程測量及維護需求。通過分析比較,對今后項目IRWST的液位儀表選型起到一定的指導意義。
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