循環(huán)水過濾系統(tǒng)是核電站重要的輔助系統(tǒng), 功能是對核電站使用的海水進行過濾預處理。過濾后的海水提供給重要廠用水系統(tǒng)和循環(huán)水系統(tǒng), 對核電站的安全運行具有重要的意義。循環(huán)水過濾系統(tǒng)主要由閘門、細格柵、格柵除污機、鼓形濾網、濾網沖洗裝置等設備組成。每個格柵除污機和鼓形濾網都設有液位差計, 用于格柵除污機和鼓形濾網電機的自動啟停控制和液位報警。

液位差計由設備前后液位計和數(shù)顯儀組成, 格柵除污機和鼓形濾網前后的液位計在數(shù)顯儀內做差值后送控制系統(tǒng) (格柵除污機液位差計送PLC, 鼓形濾網液位差計送DCS) 。格柵除污機和鼓形濾網在自動控制模式下, 聯(lián)鎖液位差信號自動啟停。以華龍一號核電機組為例:

(1) 格柵除污機控制要求:當液位差值≥0.12m時, 格柵除污機執(zhí)行自動運行程序;當液位差值≥0.25m水柱時, 發(fā)送報警信號至主控室;

(2) 鼓形濾網控制要求:當液位差值≥0.1m水柱時, 自動切換到中速電機運行;當液位差值≥0.2m水柱時, 自動切換到高速電機運行;當液位差值≥0.3m水柱時, 發(fā)送報警信號至主控室;當液位差計信號≥0.8m水柱時, 發(fā)送**次報警信號至主控室, 循環(huán)水泵自動脫扣。

循環(huán)水過濾系統(tǒng)是核安全相關系統(tǒng), 為增加系統(tǒng)的可靠性, 液位差計采用冗余設置。

格柵除污機位于進水渠道的細格柵和格柵除污機間, 用于去除細格柵攔截到的雜物, 液位測點位于細格柵的兩側;布置剖面圖, 如圖1所示。

鼓形濾網位于鼓網腔室, 用于過濾海水中直徑3mm以上的雜物, 鼓形濾網為雙側布置, 網內進水, 液位測點位于鼓形濾網的側面和濾網外側;布置剖面圖, 如圖2所示。

細格柵和格柵除污機間和鼓網腔室頂板位于0m層, 頂板厚度1.2m以上, 房間深20m左右, 介質為海水, 常溫常壓。由圖2可以看出, 液位測量范圍較大, 空間內有格柵除污機和鼓形濾網這些動設備, 安裝空間相對有限, 在選型時需考慮液位計的安裝方式。

遠傳式液位計類型有差壓式液位計、投入式液位計、浮子式液位計、浮筒式液位計、電容式液位計、差壓式液位計、磁致伸縮式液位計、超聲波液位計和雷達液位計等。儀表選型原則是儀表測量范圍、測量精度和安裝技術是否符合測量要求, 其測量原理能否適應使用環(huán)境。

在循環(huán)水過濾系統(tǒng)中, 液位測量范圍大, 液位差報警設定值間只差10cm, 故量程為25m的液位計誤差不能>0.2%FS, *好≤0.1%FS。液位測點位于0m以下, 水平空間結構只有2.5m左右, 數(shù)顯儀和儀表變送器部分只能位于頂板上, 安裝維護空間有限。測量介質為海水, 有強腐蝕性, 不銹鋼等金屬材料容易被腐蝕, 對接液材料的選擇和處理有較高要求。

在秦山和方家山核電站項目中, 格柵除污機和鼓形濾網前后液位計均為投入式液位計, 但采用不同型號和不同廠家, 分別為博德LMK系列和E+H FMX系列, 傳感器為陶瓷電容式。

投入式液位計是基于所測液體靜壓與該液體高度成正比的原理, 通過壓力測量元件將靜壓轉換成電信號, 再換算為液位高度, 一般采用擴散硅或陶瓷電容等壓力傳感器作為壓力測量元件。投入式液位計廣泛應用于各種原型水位的測量。

投入式液位計由內置毛細軟管的特殊導氣提攜電纜、壓力傳感器和轉換電路組成。液位測量實際上就是在測探頭上的液體靜壓與大氣壓之差, 然后再由壓力測量元件和電子元件將該壓差轉換成4～20mA輸出信號。投入式液位計的提攜電纜應安裝在一個安靜的區(qū)域或一個合適的護管內, 以避免探頭的側面運動以及虛假測量值。投入式液位計總體結構, 如圖3所示。

投入式液位計具有以下優(yōu)點:

(1) 不受被測介質起泡、沉積、電氣特性的影響;

(2) 固態(tài)結構, 無可動部件, 其機械結構對過載及腐蝕性介質具有高抵抗性;

(3) 結構簡單、安裝維護方便, 探頭部分可直接投入到液體中。

投入式液位計具有以下缺點:

(1) 不適用壓力容器和高溫介質的液位測量, 測量介質密度須均勻一致;

(2) 介質中雜質過多時易堵塞測量孔。

循環(huán)水過濾系統(tǒng)中投入式液位計安裝于0m層頂板, 在房間側壁預埋φ200mm玻璃鋼管, 玻璃鋼管底部與房間相通, 形成連通器, 探頭直接投入玻璃鋼管中, 避免了由于介質波動對測量的影響。靜壓式液位差計測量值是由兩個投入式液位計做差值而來, 所以兩個投入式液位計探頭需等高安裝。由于探頭接觸海水, 探頭涂裝防腐涂層抵抗海水腐蝕。其精度和測量范圍可滿足功能要求。投入式液位計安裝示意圖, 如圖4所示。

雖然使用不同型號和廠家的液位計在一定程度上增加了測量的可靠性, 但由于其安裝方式和測量原理相同, 有較大概率發(fā)生共模故障。海水中可能存在泥沙和海生物, 投入式液位計的探頭測量孔有被堵塞的風險, 影響測量值得可靠性和穩(wěn)定性。

在海南、福清和田灣核電站項目中, 考慮到可能的共模故障, 對循環(huán)水過濾系統(tǒng)液位計選型明確提出了冗余液位計需使用不同測量原理的要求。超聲波液位計技術是比較成熟和實用的測量方式之一, 其非接觸式測量原理也是未來測量技術發(fā)展的主要趨勢。故在之后的核電項目中每系列的格柵除污機配置一套超聲波液位差計和1套靜壓式液位差計, 鼓形濾網配置1套超聲波液位差計和兩套靜壓式液位差計。

超聲波液位是基于時域反射原理, 由傳感器向液位表面發(fā)射超聲波脈沖信號, 脈沖信號在介質表面發(fā)生反射, 反射信號被傳感器接收, 變送器測量發(fā)射與接收脈沖信號的時間差T。聲波的傳播時間與聲波的發(fā)出到介質表面的距離成正比, 傳感器至介質表面距離S與聲速C和聲傳輸時間T的關系可用公式表示:S=C×T/2。再由空罐高度E減去S, 即為介質物位L。如圖5所示。

超聲波液位計具有以下優(yōu)點:

(1) 非接觸式測量原理, 可適用于有毒、腐蝕性、高粘度和低溫介質的物位和界面測量;

(2) 超聲波為機械波, 不受介質的介電常數(shù)、電導率、熱導率等特性的影響;

(3) 無機械可動部件, 傳感器的壓電晶片雖振動, 但振幅很小, 結構簡單, 壽命長;

(4) 可測范圍廣, 液體、粉末、固體顆粒的物位都可測量。

超聲波液位計具有以下缺點:

(1) 超聲波液位計測量有盲區(qū), 量程越大, 盲區(qū)越大, 選型時需注意測量范圍;

(2) 超聲波的傳播速度受傳播介質溫度、密度、壓力等因素影響影響, 不適用壓力容器和易揮發(fā)性介質液位測量;

(3) 超聲波的傳播介質中若存在某些介質對超聲波有強烈吸收作用, 會使超聲波衰減明顯, 降低回波質量, 影響測量效果。

循環(huán)水過濾系統(tǒng)中超聲波液位計安裝于0m層頂板, 位于安裝空間中間位置, 使超聲波發(fā)射角內無過多障礙物, 在頂板預留φ400mm孔洞。由于超聲波為非接觸式測量, 可很好地避免海水的腐蝕。且與靜壓式*不同的測量原理和安裝方式, 也避免了共模故障的發(fā)生, 其精度與測量范圍可滿足功能要求。超聲波液位計安裝示意圖, 如圖6所示。

根據(jù)福清、海南核電項目的經驗反饋以及田灣業(yè)主提供的嶺澳一二期、陽江、寧德等多基地的反饋數(shù)據(jù), 循環(huán)水過濾系統(tǒng)的超聲波液位計經常有測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定, 液位波動和死機等現(xiàn)象, 造成液位信號誤報, 即液位差計發(fā)出液位差高信號, 而現(xiàn)場實際液位差在正常范圍內。

超聲波液位計液位差高信號誤報的產生原因分析如下:

(1) 所測海水表面存在泡沫和漂浮物, 會吸收和擴散超聲波, 導致回波減弱且不穩(wěn)定, 而且儀表安裝環(huán)境水蒸氣含量高, 超聲波探頭凝露, 會產生虛假回波或者回波消失, 造成測量值跳變或死機;

(2) 超聲波液位計探頭安裝位置水泥預制板非常厚, 安裝留洞約深1.2m, 探頭與留洞上表面齊平, 由于機械波具有可壓縮性, 過長的留洞會增加回波噪聲, 超聲波的發(fā)射和接收受到很大阻礙, 會造成超聲波液位計原始噪音線過高, 而液位越高, 有效回波與回波噪聲越強, 有效回波越容易丟失。圖7為超聲波液位計實際回波曲線。

如果循環(huán)水過濾系統(tǒng)的超聲波液位計誤報將會造成:

(1) 鼓形濾網會誤切至中速運行并在中速電機及低速電機之間頻繁切換, 格柵除污機頻繁啟動, 增加設備磨損、縮短設備壽命;

(2) 頻繁觸發(fā)報警信號至主控室, 須有工作人員到現(xiàn)場檢查確認, 增加人力成本;

(3) 在“超聲波液位計測得的鼓網前后液位差≥0.8m”誤報期間, 只要有一套投入式液位計測得的鼓網前后水位差信號≥0.8m水柱, 將會直接觸發(fā)循環(huán)水泵脫扣, 循環(huán)水量減少, 機組需降功率運行甚至停堆。

由于上述原因, 需要將超聲波液位計更換為適應此測量環(huán)境的其他類型液位計。為了防止共模故障, 仍然需要配置兩種不同測量原理的液位計, 不能將超聲波液位計簡單更換為投入式液位計。而雷達式液位計精度高, 功率較大, 對于水汽凝露有更好的測量效果且能應用于上述測量環(huán)境, 能夠滿足循環(huán)水過濾系統(tǒng)液位測量要求。

雷達液位計原理與超聲波液位計類似, 都是基于時域反射原理, 區(qū)別是超聲波液位計發(fā)射的是超聲波, 雷達液位計發(fā)射的是電磁波。雷達液位計的天線發(fā)射的電磁波以光速傳播, 當遇到被測介質表面時, 電磁波被反射形成回波并沿相同路徑返回到脈沖發(fā)射裝置, 發(fā)射裝置與被測介質表面的距離同電磁波在其間的傳播時間成正比, 經計算得出液位高度。

雷達液位計具有以下優(yōu)點:

(1) 電磁波可在真空中傳播, 電磁波隨距離衰減小, 穿透力強, 不受大氣、蒸汽、介質揮發(fā)的影響;

(2) 非接觸式測量, 可適用于有毒、腐蝕性、高粘度和低溫介質的液位測量;

(3) 無可動部件, 可靠性高, 安裝維護方便, 使用壽命長;

(4) 測量范圍大, 精度高, 量程*大可達70m, 精度可達±2mm。

雷達液位計具有以下缺點:

(1) 當空氣中存在高介電性的粉塵粉末 (石墨, 鐵合金等) 時, 對電磁波有衰減作用, 測量距離和效果受影響;

(2) 被測介質介電常數(shù)不能太小, <1.5時不能測量。

循環(huán)水過濾系統(tǒng)中采用80GHz高頻雷達液位計, 可穿透泡沫、凝露, 測量無盲區(qū), 兩線制儀表, 方便安裝, 無需現(xiàn)場維護。高聚焦的雷達波束不受安裝高度限制, 發(fā)射角*小可達3°, 能適應1.2m深φ100mm孔洞, 無需下沉安裝。但泡沫過多時依然會影響測量精度, 需要定期清理泡沫, 改善測量環(huán)境。圖8為雷達液位計實際回波曲線。雷達液位計的回波曲線平滑、穩(wěn)定, 能夠很好地適應安裝環(huán)境。

液位計是循環(huán)水過濾系統(tǒng)正常運行*的一部分, 測量的穩(wěn)定性關乎核電站的平穩(wěn)運行。在儀表設計選型中需充分考慮儀表的測量原理和測量特性, 避免環(huán)境因素帶來的測量誤差和故障。由于雷達式液位計和超聲波液位計的測量原理的不同, 對于測量環(huán)境也有不同的要求, 在儀表選型中要考慮各種可能的影響因素, 并根據(jù)實際應用中的各種問題更換儀表選型。液位計種類繁多, 唯有與測量環(huán)境相匹配的才是*好的液位計。