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新聞詳情

導波雷達物位計在核電的應用及改進

來源:上海自動化儀表作者:上海自動化儀表網址:http://www.candleandsand.com

液位測量是核電站自動控制系統中的重要組成部分。上海自動化儀表導波雷達液位計基于電磁波時域反射( TDR) 原理,具有受環境影響小、測量精度高等特點。導波雷達液位計作為一種新型的液位測量手段,已經在核電領域有了廣泛的應用,但是在其應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疏水箱液位計頻繁出現的支撐件破碎、密封失效以及蒸汽補償漂移等問題,進行了原因分析并給出了解決措施。通過對導波雷達液位計的改造,使得導波雷達液位計在核電高溫蒸汽系統中得到了應用,提高了汽水分離再熱疏水液位測量的可靠性,保障了機組運行安全。該研究對推動導波雷達液位計在蒸汽系統中應用提供有力支持,對導波雷達這種新型液位計未來在更多測量環境中的應用起到了積極作用。


引言

導波雷達液位計作為一種新興的液位測量儀表,克服了傳統儀表的不足,在核電廠的應用逐漸增多。但導波雷達物位計在高溫高壓蒸汽系統使用時,還存在一些不足,導致系統液位測量失真[1]。汽水分離再熱系統是核電廠汽輪機的重要輔助系統,主要應用于汽輪機運行期間,通過控制進入二級再熱管束的蒸汽量,對高壓缸排氣進行除濕和再熱,使進入低壓缸的蒸汽有一定的過熱度。其應用改善了汽輪機低壓缸的工作條件,提高了汽輪機的相對內效率,減少了濕蒸汽對汽輪機零部件的刷蝕。在福清 1 ~ 4 號機組調試及運行期間,汽水分離再熱系統二級疏水箱液位計多次出現故障,如液位計探桿泄漏、測量失效等。針對二級疏水箱液位計問題,采用新型測量方案,對汽水分析再熱系統二級疏水液位測量作優化改進。


1 導波雷達物位計測量原理及特點

( 1) 導波雷達液位計的工作原理。

導波雷達物位計基于電磁波時域反射原理[2],由電磁波發生器發射一個電磁脈沖信號發射到導波體上,以導波體作為信號的傳輸載體。當遇到被測介質表面時,部分信號被反射形成回波并沿相同路徑返回脈沖發射裝置。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,測量發射與反射脈沖[3]。


( 2) 導波雷達液位計的測量特點。

①電磁波信號沿導波桿傳輸可消除假回波信號,減少信號丟失。


②整個測量裝置無活動部件,無機械磨損。


③安裝調試方便。


④不受介質 密度變 化 的 影 響 ( 但 是 需 要 單 一 介質) 。


⑤使用與高溫、高壓的物位測量。


2 現有設計缺陷導致測量不穩定的原因分析


核電廠二回路液位控制是核電廠重要的控制系統之一,其測量環境需考慮真空、高溫、泡沫等多方面因素。傳統液位儀表因其固有原理,無法通過自身技術的改進來消除誤差。故本文采用了導波雷達物位計[4]。但在機組運行過程中,汽水分離再熱系統原有導波雷達液位計導波桿的支撐件會破碎,支撐件碎片會進入到二回路系統中,形成異物,危及機組安全[5]。同時,導波桿內支撐件破碎后,因振動、沖擊等因素會導致導波桿觸碰到水位測量筒,使液位測量產生跳變,存在汽水分離再熱系統二級隔離風險。受制于現場使用條件,汽水分離再熱器二級疏水箱內充滿飽和蒸汽。蒸汽是極性氣體,即蒸汽的介電常數會根據環境的壓力、溫度而改變。介電常數的變化會影響電磁波的傳播速度。


當介質的介電常數變化,則波速度會隨之變化。由于電磁波在不同介質中的傳輸速度不同,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 ( gas-liquid seperate system,GSS) 二級疏水箱液位計選用的都是蒸汽型導波雷達液位計。


經統計,在功率運行期間,汽水分離再熱系統二級液位計共計出現缺陷 91 項。其中,導波雷達液位計漏汽缺陷共計 38項,二級疏水箱液位計偏差大共計 46項,因儀表故障導致通道測量不可用共計 7 項。


根據現場液位計缺陷情況來看,目前汽水分離再熱系統二級液位計主要存在以下故障。


①液位計探桿支撐桿破碎。經分析,原汽水分離再熱系統二級液位計所用的高溫型導波雷達液位計,其探桿支撐件采用聚醚醚酮( PEEK) [8]高分子合成材料。在運行過程中,該支撐件會逐漸脆化,在系統沖擊工況下破裂。處理方式: 在測量系統改進前,機組只能通過每次大修期間,對探桿進行定期更換。


②液位計探桿密封失效。液位計探桿內部密封件采用 PEEK 材料進行隔熱,靠近連接部位采用 2 個 O型圈進行密封。O 型圈耐溫范圍為 150 ℃ 。因汽水分離再熱系統二級疏水箱內部溫度達 280 ℃ ,探桿隔熱材料失效,進而使 O 型圈失效,探桿密封泄漏,測量閃發質量位。處理方式: 目前出現探桿密封失效后,無法進行更換。


③液位計冷熱態工況,液位測量出現偏差。液位計大修冷態調試時,3 支液位計偏差小于 20 mm。但汽輪機沖轉并網后,因系統溫度上升,3 支液位計偏差會達到 100 mm。在機組運行時間長后,液位計偏差也會逐漸增加,導致偏差超過 100mm。處理方式: 目前只能在熱態后,對偏差大液位計進行修正。機組功率運行后,每周定期巡檢方式,檢查液位計偏差,并及時進行修正。


3 改進方案

3. 1 導波雷達液位計支撐件改進

原汽水分離再熱系統二級導波雷達物位計采用PEEK 支撐件,同時也作為探桿隔熱材料。PEEK 是芳香族結晶型熱塑性高分子材料。PEEK 玻璃化轉變溫度為 143 ℃ ,其熔點為 334 ℃ 。這種材料耐抗有機和水環境,具有優良的化學性、熱穩定性和抗氧化性。目前,應用汽水分離再熱系統二級疏水箱實際運行溫度為 280 ℃ ,儀表的設計溫度為350 ℃ ,而 PEEK 物理特性耐溫只有 250 ℃ ,因此運行時間過長會產生變形或碎裂。為應對導波雷達物位計支撐件破碎及密封失效情況,此次支撐件設計采用 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、質量輕等特點。其熔點在 2 000 ℃ 以上,具有良好的導熱性、絕緣性以及透光性,介電常數為 9. 0 左右,適用于高溫蒸汽型導波雷達物位計測量原理。


改進后探桿內部結構精密。防止蒸汽部分主元件采用氧化鋁陶瓷,不會因為溫度增高而變形、滲漏。密封元件采用耐高溫的石墨密封 Graphite,是目前儀表產品在防止高溫蒸汽方面的理想材料。其物理性能遠遠優于以前使用的 PF128、PEEK、鋁礬土等材質,十分穩定可靠。該結構整體密封結合緊密,可杜絕蒸汽進入。


3. 2 導波雷達液位計高溫補償改進

原汽水分離再熱系統二級導波雷達物位計采用點補償方式,補償點到電磁波發射口距離為 125 mm。上海自動化儀表如果測量點以上或者測量點位置有凝露或者誤差,會放大傳導到下方實際液位測量。為了更好地說明上述結論,定義系數 K。