福清核电厂液位仪表的应用与探索
2020-07-30
来源:爱问旅游网
福清核电厂液位仪表的应用与探索邵 文 福清核电厂液位仪表的应用与探索 Application and Exploration of the Level Instruments in Fuqing Nuclear Power Plant 邵 支 (中国核电工程有限公司,北京100840) 摘要:液位测量是核电厂自动控制系统中重要组成部分。为了适应核电厂液位测量的发展,需合理选择液位仪表。通过对在建电 厂液位仪表原理的分析,总结出了不同类型仪表在核电厂的用途、选型、安装等应用中应该注意的问题。通过研究与对比,探索了导 波雷达液位计在核电厂液位测量中的应用,提出了新的核电厂液位测量方式,对后续项目的液位测量方式有一定的指导意义。 关键词:核电厂液位测量仪表选型仪表安装导波雷达 自动控制 中图分类号:TH816 文献标志码:A Abstract:Level measurement is an important part of automatic control system in nuclear power plant.In order to adapt the development of level measurement in nuclear power plant,the level instruments are selected reasonably.Through analyzing the principle of level instruments in the power plant under construction,the precautions in use,model selection,and installation of different types of instruments in nuclear power plant are summarized.By means of research and contrast,the application of guide wave radar level meter in nuclear power plant is investigated, and novel level measuring method in nuclear power plant is proposed,these possess certain guiding significance for level measurement mode of subsequent projects. Keywords:Nuclear power plant Level measuring Automatic contro1 Model selection for instrument Installation for instrument Guide wave radar 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 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 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, 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 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 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 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。 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 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 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 ]。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 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…。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, 修改稿收到日期:2013—05—20。 作者邵文(1983一),男,2009年毕业于中国石油大学(北京)控制理 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 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vo1.35 No.2 February 2014 i'e- ̄控制工程专业,获硕士学位,工程师;主要从事核电厂过程测量与控 制方面的研究。 40 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 J。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 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 。 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。 《自动化仪表》第35卷第2期2014年2月 福清核电厂液位仪表的应用与探索 邵 文 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1 RX 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)为一3 210 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,地面标高为一3 500 mm,1S018的高 度为610 mm。因为仪表支架高度为610 mm,导致仪表 的安装标高超出了一3 210 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。 图1 RPEO07SN仪表安装示意图 Fig.1 Drawing of installation of RPE007SN instrumentation 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 41 福清核电厂液位仪表的应用与探索邵文 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 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。 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。 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 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 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 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 低 ;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 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. 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 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 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 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 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。 表1 导波雷达液位计与沉筒式液位变送器的方案比较 Tab.1 The comparison of guided wave radar level meter and variable buoyancy level transmitter 4.2仪表的安装 接液口的距离就是设计要求的测量范围。液位变送器 能否准确测量依赖于反射波的信号。因此,安装时应 导波雷达液位计的安装方式大致分为顶装和侧装 两种 。侧装式需要外置测量筒,导波杆顶装在测量 筒的上端,测量筒再与容器连接。一般测量筒的上下 42 注意以下几点:①探头天线的轴线应与液位的反射表 (下转第45页) PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vo1.35 No.2 February 2014 核安全级软件验证与确认独立性探讨 毛从吉。等 上必须满足管理独立性。软件验证与确认队伍发现的 的实际情况,选取合适的工作方式。软件验证与确认 异常,软件开发队伍必须按照核质量保证中的不符合 费用比较高,必须在保证核安全的基础上,合理减少相 项[9 进行处理;软件验证与确认队伍不得对软件异常 关商业风险和费用。由于核安全相关法规或标准没有 出现的具体原因进行分析或提出设计要求:软件验证 给出具体的独立性指导,对软件验证与确认独立性的 与确认队伍工作文件上不得出现软件开发队伍成员的 探讨肯定存在局限性,文中不当之处敬请指正。 签字(这个要求不仅是独立性要求,也是防止工程进 参考文献 度失控的要求):软件验证与确认队伍和软件开发队 [1]中华人民共和国国务院.民用核安全设备监督管理条例[z].2007. 伍不能存在直接接口;内部软件验证与确认队伍和软 [2]张穹,李干杰.民用核安全设备监督管理条例释义[M].北京: 件开发队伍各自直接负责人不能为同一人。 中国法制出版社.2007. [3]国家核安全局.HAF102核动力厂设计安全规定[S].北京,2004. ③财务独立性 [4]国家核安全局.HAD102—16核动力厂基于计算机的安全重要系 采用外部软件验证与确认时应当满足以下条件: 统的软件[s].北京,2004. 双方签署正式合同;合同执行费用支付方式为一次性 [5]毛从吉,毋琦.核电厂安全系统软件设计及编码研究[J].核电 提前支付,不得出现分阶段、分批或按比例等其他支付 子学与探测技术,2012,32(4):497—500. 方式。 [6]The Institute of Electircal and Electronics Engineers,Ine.IEEE Std 1012TM-2004 IEEE stnadard for software veriifcation nad validation『S]. 采用内部软件验证与确认时应当满足以下条件: New York,2005. 软件验证与确认队伍和软件开发队伍的费用支付批准 [7]The Institute of Electircal and Electornics Engineers,Inc.IEEE Std. 签字人不同,保证软件验证与确认队伍经费不受软件 7-4.3.2TM4003 IEEE standard criteria for digital computers in 开发队伍的约束;软件验证与确认队伍的待遇不受软 safety systems of nuclear power gener ̄ing stmions[S].New York, 件开发的影响,避免软件验证与确认队伍由于项目的 2oo3. 影响导致质量下降,丧失客观性。 [8]The International Electrotechnieal Commission.CEI/IEC 60880 2006 Nuclear power plants—instrumentation and control systems impo ̄ant 4 结束语 to safety・-software aspects for computer-・based systems performing category A functions[S].Switzerland,2006. 软件验证与确认作为核安全级中重要一环.应当 [9]国家核安全局.HAFO03核电厂质量保证安全规定[S].北 高度重视软件验证与确认的独立性,同时要考虑工程 京.1998. (上接第42页) 安装、调试和控制。 面垂直;②对液位波动较大的容器的液位测量,需采用 同时,通过探索将新的测量方式应用到福清项目, 附带测量筒来进行测量,以减少液位波动的影响;③导 证明了导波雷达液位计具有安装方便、易调教、易维护 波管内壁一定要光滑.清洁度好:④不可装在圆型或椭 等优点,对今后项目的液位仪表选型、更新起到一定的 圆型的容器顶的中心处.否则雷达波在容器壁多重反 指导意义。 射后,汇集于容器顶的中心处,形成很强的干扰波,会 参考文献 影响测量的准确性。 [1]廖圣勇.核电站中液位仪表的选型[J].仪器仪表用户,2OO9,16(3): 根据上述安装注意问题.同时根据福清一期项目 123—125. 中设备接液口为侧开口.安装方式选择为侧装.测量筒 [2]杨万国,贾延刚.多种液位仪表的应用对比[J].石油工程建设, 2004,30(1):38-43. 通过法兰与被测设备9ASG002BA相连,法兰遵照 [3]袁明.磁翻板液位计现场校准方法探究[J].工业计量,2011, ANSI标准选择,导波雷达液位计通过螺纹连接到测量 21(3):63. 筒。安装后满足设计及测量要求。 [4]何宏克.Magnetorl电动沉筒液位变送器在PX装置中的应用及 维护[J].石油化工自动化,2005,16(3):75—76. 5结束语 [5]张钧.导波雷达液位测量装置在大型火力发电厂的应用[J].宁 综上所述,液位仪表在核电厂中应用广泛。通过 夏电力,2007(z):85—86. [6]陈仕钦.关于导波雷达液位测量的应用[J].湖北电力,2007, 福清核电厂液位测量仪表的原理、用途、安装及现场问 31(10):83—86. 题分析,说明了核电厂液位测量的现状.证明了选择科 [7]姬晓波,涂亚庆,任开春,等.雷达液位仪测量原理的分析及应 学合理的仪表不仅可以节约成本,而且有利于现场的 用探讨[J],石油化工自动化,2005(1):68—70. 《自动化仪表》第35卷第2期2014年2月 45