摘 要: 液位測量是核電站自動(dòng)控制系統(tǒng)中的重要組成部分。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)基于電磁波時(shí)域反射( TDＲ) 原理，具有受環(huán)境影響小、測量精度高等特點(diǎn)。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)作為一種新型的液位測量手段，已經(jīng)在核電領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，但是在其應(yīng)用過程中也遇到了一定的問題。針對福清核電汽水分離再熱系統(tǒng)疏水箱液位計(jì)頻繁出現(xiàn)的支撐件破碎、密封失效以及蒸汽補(bǔ)償漂移等問題，進(jìn)行了原因分析并給出了解決措施。通過對導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的改造，使得導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在核電高溫蒸汽系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，提高了汽水分離再熱疏水液位測量的可靠性，保障了機(jī)組運(yùn)行安全。該研究對推動(dòng)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在蒸汽系統(tǒng)中應(yīng)用提供有力支持，對導(dǎo)波雷達(dá)這種新型液位計(jì)未來在更多測量環(huán)境中的應(yīng)用起到了積極作用。
引言
導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)作為一種新興的液位測量儀表，克服了傳統(tǒng)儀表的不足，在核電廠的應(yīng)用逐漸增多。但
智能雷達(dá)液位計(jì)在高溫高壓蒸汽系統(tǒng)使用時(shí)，還存在一些不足，導(dǎo)致系統(tǒng)液位測量失真［1］。汽水分離再熱系統(tǒng)是核電廠汽輪機(jī)的重要輔助系統(tǒng)，主要應(yīng)用于汽輪機(jī)運(yùn)行期間，通過控制進(jìn)入二級再熱管束的蒸汽量，對高壓缸排氣進(jìn)行除濕和再熱，使進(jìn)入低壓缸的蒸汽有一定的過熱度。其應(yīng)用改善了汽輪機(jī)低壓缸的工作條件，提高了汽輪機(jī)的相對內(nèi)效率，減少了濕蒸汽對汽輪機(jī)零部件的刷蝕。在福清 1 ～ 4 號機(jī)組調(diào)試及運(yùn)行期間，汽水分離再熱系統(tǒng)二級疏水箱液位計(jì)多次出現(xiàn)故障，如液位計(jì)探桿泄漏、測量失效等。針對二級疏水箱液位計(jì)問題，采用新型測量方案，對汽水分析再熱系統(tǒng)二級疏水液位測量作優(yōu)化改進(jìn)。
1 導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)測量原理及特點(diǎn)
( 1) 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的工作原理。
導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)基于電磁波時(shí)域反射原理［2］，由電磁波發(fā)生器發(fā)射一個(gè)電磁脈沖信號發(fā)射到導(dǎo)波體上，以導(dǎo)波體作為信號的傳輸載體。當(dāng)遇到被測介質(zhì)表面時(shí)，部分信號被反射形成回波并沿相同路徑返回脈沖發(fā)射裝置。發(fā)射裝置與被測介質(zhì)表面的距離同脈沖在其間的傳播時(shí)間成正比，測量發(fā)射與反射脈沖［3］。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測量原理如圖 1 所示。
導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測量原理圖
( 2) 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的測量特點(diǎn)。
①電磁波信號沿導(dǎo)波桿傳輸可消除假回波信號，減少信號丟失。
②整個(gè)測量裝置無活動(dòng)部件，無機(jī)械磨損。
③安裝調(diào)試方便。
④不受介質(zhì) 密度變 化 的 影 響 ( 但 是 需 要 單 一 介質(zhì)) 。
⑤使用與高溫、高壓的物位測量。
2 現(xiàn)有設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致測量不穩(wěn)定的原因分析
核電廠二回路液位控制是核電廠重要的控制系統(tǒng)之一，其測量環(huán)境需考慮真空、高溫、泡沫等多方面因素。傳統(tǒng)液位儀表因其固有原理，無法通過自身技術(shù)的改進(jìn)來消除誤差。故本文采用了導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)［4］。但在機(jī)組運(yùn)行過程中，汽水分離再熱系統(tǒng)原有導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)導(dǎo)波桿的支撐件會破碎，支撐件碎片會進(jìn)入到二回路系統(tǒng)中，形成異物，危及機(jī)組安全［5］。同時(shí)，導(dǎo)波桿內(nèi)支撐件破碎后，因振動(dòng)、沖擊等因素會導(dǎo)致導(dǎo)波桿觸碰到水位測量筒，使液位測量產(chǎn)生跳變，存在汽水分離再熱系統(tǒng)二級隔離風(fēng)險(xiǎn)。受制于現(xiàn)場使用條件，汽水分離再熱器二級疏水箱內(nèi)充滿飽和蒸汽。蒸汽是極性氣體，即蒸汽的介電常數(shù)會根據(jù)環(huán)境的壓力、溫度而改變。介電常數(shù)的變化會影響電磁波的傳播速度。波速度公式為
由式( 1) 可見，當(dāng)介質(zhì)的介電常數(shù)變化，則波速度會隨之變化。由于電磁波在不同介質(zhì)中的傳輸速度不同，比如在空氣中的傳輸速度比在蒸汽中傳輸速度大，因此 汽 水 分 離 再 熱 系 統(tǒng) ( gas-liquid seperate system，GSS) 二級疏水箱液位計(jì)選用的都是蒸汽型導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)［7］。
經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在功率運(yùn)行期間，汽水分離再熱系統(tǒng)二級液位計(jì)共計(jì)出現(xiàn)缺陷 91 項(xiàng)。其中，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)漏汽缺陷共計(jì) 38 項(xiàng)，二級疏水箱液位計(jì)偏差大共計(jì) 46項(xiàng)，因儀表故障導(dǎo)致通道測量不可用共計(jì) 7 項(xiàng)。
根據(jù)現(xiàn)場液位計(jì)缺陷情況來看，目前汽水分離再熱系統(tǒng)二級液位計(jì)主要存在以下故障。
①液位計(jì)探桿支撐桿破碎。經(jīng)分析，原汽水分離再熱系統(tǒng)二級液位計(jì)所用的高溫型導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)，其探桿支撐件采用聚醚醚酮( PEEK) ［8］高分子合成材料。在運(yùn)行過程中，該支撐件會逐漸脆化，在系統(tǒng)沖擊工況下破裂。處理方式: 在測量系統(tǒng)改進(jìn)前，機(jī)組只能通過每次大修期間，對探桿進(jìn)行定期更換。
②液位計(jì)探桿密封失效。液位計(jì)探桿內(nèi)部密封件采用 PEEK 材料進(jìn)行隔熱，靠近連接部位采用 2 個(gè) O型圈進(jìn)行密封。O 型圈耐溫范圍為 150 ℃ 。因汽水分離再熱系統(tǒng)二級疏水箱內(nèi)部溫度達(dá) 280 ℃ ，探桿隔熱材料失效，進(jìn)而使 O 型圈失效，探桿密封泄漏，測量閃發(fā)質(zhì)量位。處理方式: 目前出現(xiàn)探桿密封失效后，無法進(jìn)行更換。
③液位計(jì)冷熱態(tài)工況，液位測量出現(xiàn)偏差。液位計(jì)大修冷態(tài)調(diào)試時(shí)，3 支液位計(jì)偏差小于 20 mm。但汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)后，因系統(tǒng)溫度上升，3 支液位計(jì)偏差會達(dá)到 100 mm。在機(jī)組運(yùn)行時(shí)間長后，液位計(jì)偏差也會逐漸增加，導(dǎo)致偏差超過 100 mm。處理方式: 目前只能在熱態(tài)后，對偏差大液位計(jì)進(jìn)行修正。機(jī)組功率運(yùn)行后，每周定期巡檢方式，檢查液位計(jì)偏差，并及時(shí)進(jìn)行修正。
3 改進(jìn)方案
3． 1 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)支撐件改進(jìn)
原汽水分離再熱系統(tǒng)二級導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)采用PEEK 支撐件，同時(shí)也作為探桿隔熱材料。PEEK 是芳香族結(jié)晶型熱塑性高分子材料。PEEK 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為 143 ℃ ，其熔點(diǎn)為 334 ℃ 。這種材料耐抗有機(jī)和水環(huán)境，具有優(yōu)良的化學(xué)性、熱穩(wěn)定性和抗氧化性。目前，應(yīng)用汽水分離再熱系統(tǒng)二級疏水箱實(shí)際運(yùn)行溫度為 280 ℃ ，儀表的設(shè)計(jì)溫度為350 ℃ ，而 PEEK 物理特性耐溫只有 250 ℃ ，因此運(yùn)行時(shí)間過長會產(chǎn)生變形或碎裂。
為應(yīng)對導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)支撐件破碎及密封失效情況，此次支撐件設(shè)計(jì)采用 99． 7% 純度的 Al2 O3 陶瓷材料［8］。該材料具有硬度大、耐磨性能極好、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。其熔點(diǎn)在 2 000 ℃ 以上，具有良好的導(dǎo)熱性、絕緣性以及透光性，介電常數(shù)為 9． 0 左右，適用于高溫蒸汽型導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測量原理。Al2 O3 陶瓷的物理和力學(xué)特性如表 1 所示。
改進(jìn)后探桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)精密。防止蒸汽部分主元件采用氧化鋁陶瓷，不會因?yàn)闇囟仍龈叨冃巍B漏。密封元件采用耐高溫的石墨密封 Graphite，是目前儀表產(chǎn)品在防止高溫蒸汽方面的理想材料。其物理性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于以前使用的 PF128、PEEK、鋁礬土等材質(zhì)，十分穩(wěn)定可靠。該結(jié)構(gòu)整體密封結(jié)合緊密，可杜絕蒸汽進(jìn)入。
3． 2 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)高溫補(bǔ)償改進(jìn)
原汽水分離再熱系統(tǒng)二級導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)采用點(diǎn)補(bǔ)償方式，補(bǔ)償點(diǎn)到電磁波發(fā)射口距離為 125 mm。如果測量點(diǎn)以上或者測量點(diǎn)位置有凝露或者誤差，會放大傳導(dǎo)到下方實(shí)際液位測量。為了更好地說明上述結(jié)論，定義系數(shù) K。
K=測量量程 / 蒸汽目標(biāo)
式中:K越大，說明儀表抗蒸汽目標(biāo)干擾的性能越差;K越小，水位高過蒸汽目標(biāo)后，將無蒸汽補(bǔ)償功能，使液位計(jì)精度受到影響。
改進(jìn)前后液位計(jì)性能如表2所示。
改進(jìn)后液位計(jì)采用參考段式補(bǔ)償方式，蒸汽目標(biāo)距離變長，整個(gè)測量段的補(bǔ)償數(shù)據(jù)更加精確有效，不會因?yàn)槟硞�(gè)點(diǎn)位的凝結(jié)等傳導(dǎo)誤差。改進(jìn)后導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)探桿密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。
改進(jìn)后液位計(jì)探桿蒸汽補(bǔ)償測量原理圖如圖3所示
3．3福清核電導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)整體改造技術(shù)方案
原二級疏水箱采用
頂裝磁性浮子液位計(jì)頂部直插式安裝。此次技術(shù)改造方案，不僅對原導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行換型技術(shù)改進(jìn)，還需對導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行外移變更［9］。在汽水分離再熱系統(tǒng)二級疏水箱外部靠近水側(cè)取壓口處，安裝3個(gè)測量筒，用于導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的安裝以及液位測量。每個(gè)測量筒的汽側(cè)取壓口仍選用原導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)接口，而水側(cè)取壓口引用原水汽取樣口、磁翻板液位計(jì)取壓口。汽水分離再熱系統(tǒng)二級疏水液位計(jì)改造整體方案如圖4所示。
(1)外移管道布置要求。由于疏水箱熱膨脹會產(chǎn)生熱位移及熱應(yīng)力，施工單位布置管道時(shí)需考慮熱補(bǔ)償。同時(shí)，應(yīng)保證導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)上方留有2．5m的空間，以便設(shè)備的維護(hù)和檢修。上部汽側(cè)連接管要注意設(shè)置一定坡度，使冷凝水回流至疏水罐內(nèi)。
(2)焊機(jī)技術(shù)要求。浮筒組件、閥門、DN25管道連接采用承插焊形式。焊件組對前，應(yīng)將坡口表面及附近母材(內(nèi)、外壁)的油、漆、垢、銹等清理干凈，直至發(fā)出金屬光澤。焊接過程中，應(yīng)進(jìn)行逐層檢查，經(jīng)自檢合格后方可焊接次層焊縫。完成焊接后，按DL/T1118-2009核電廠常規(guī)島焊接技術(shù)規(guī)程進(jìn)行相應(yīng)無損檢測。
(3)管道保溫要求。上下部均需要進(jìn)行保溫，浮筒組件需保溫至法蘭接口處。保溫安裝要求:材料選用硅酸鋁纖維繩，厚度70mm;保護(hù)層材料選用鋁皮，厚度0．5mm。
(4)隔離閥選型要求。為保證上下流通管線具備足夠的流通能力，考慮到二級疏水箱擴(kuò)孔現(xiàn)場不具備實(shí)施條件，在此基礎(chǔ)上隔離閥需選用DN25全通徑閥門。
(5)敷設(shè)電纜要求。為減少敷設(shè)電纜的工作量，此次技術(shù)改造不再重新敷設(shè)到DCS的電纜。因原DCS電纜長度不夠，此次技術(shù)改造增加BC轉(zhuǎn)接箱。轉(zhuǎn)接箱位置布置在便于檢修位置。
3．4改造后效果
福清核電相關(guān)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)改造后，汽水分離再熱系統(tǒng)二級疏水箱液位計(jì)測量穩(wěn)定性大大提高。改造后，在機(jī)組啟動(dòng)升功率階段(原液位計(jì)頻繁閃發(fā)質(zhì)量為及液位計(jì)漂移缺陷)，液位測量穩(wěn)定，偏差在30mm以內(nèi)，未出現(xiàn)漂移情況。改進(jìn)前后機(jī)組功率升至相同平臺液位計(jì)測量趨勢如圖5所示。
4、結(jié)束語
通過對福清核電汽水分離再熱系統(tǒng)導(dǎo)波雷達(dá)水液位測量設(shè)計(jì)優(yōu)化與改進(jìn)，解決了原系統(tǒng)液位測量頻發(fā)泄漏、失效，使液位測量可靠性得到大幅提升。該方案能解決核電廠高溫型液位測量問題，對于新型測量方式推進(jìn)有著重要意義。
