差壓式液位變送器在秦山三廠核島系統中的應用

李世紅，王 偉

（中核核電運行管理有限公司三廠，浙江 海鹽 314300）

0 引 言

秦山三廠重水堆核電站采用加拿大坎杜6重水堆核電技術，電站自運營以來產生了良好的經濟效益、環境效益和社會效益。核電站是一個龐大的系統，為了保證反應堆能夠安全、穩定地運行，需要保證各個系統都按照設定的要求工作，這就要通過各種探測器來收集各種信號，把這些信號送到主控室進行控制，ROSEMOUNT1152，1153系列的非智能核級差壓變送器就是秦山三廠核島系統中應用最廣泛、最重要的信號探測器之一。

差壓液位變送器由于其性能穩定、精度高、性能價格比高等特點，故在秦山三廠核島各系統需要檢測液位場合中，使用非常廣泛。目前差壓液位變送器工藝成熟、技術先進，并由原來的非智能性現已逐漸向智能型發展，但目前考慮到核島系統特有的抗輻射性、抗振性等要求，智能型核級變送器還沒有在核島系統廣泛使用。

一個核電廠變送器測量信號的的失效可導致邊界閥門的開關失效從而會給核電廠帶來嚴重的安全事故和經濟損失。為保證電廠的安全停堆，在緊急情況下一些電動閥門必須開啟，另一些必須關閉來保證系統隔斷或防止放射性物質外泄，因此首先要保證變送器測量信號的準確性進而保證這些閥門的可用性[1]。

本研究通過對秦山三廠核島系統差壓液位變送器測量易出現的故障進行分析并給出解決方案，從而保證變送器測量信號的準確性，進而為核反應堆和核電廠安全經濟穩定運行提供有力保障。

1 差壓式液位變送器的工作原理

壓差檢測中通常是采用彈性式壓差儀表，要對壓力和壓差信號進行遠距離傳遞的最好、最有效的方法是采用電變送的方法，電變送方法就是通過電氣位移變換器將壓力和壓差產生的彈性元件的機械位移量轉換成某種電氣量，然后加以傳送，秦山三廠采用的電容式壓差變送器。

電容式壓差變送器由感測部分和測量電路兩部分組成，電容器的電容量由其兩個極板的大小、形狀、相對位置以及極板之間的電介質的介電系數所決定。若一個極板固定不動，而另一個極板隨壓差而變化其位置，電容器的電容量隨著壓差的變化而變化，通過測量電路將電容量的變化轉換成電流或電壓輸出信號，送至有關單元實現顯示和控制[2]。

為了提高電容式壓差傳感器的靈敏度和改善其輸出特性，實際采用的常是差動的形式，也就是將可動極板放置于兩塊固定極之間，當壓差變化時，一個電容的電量增大而另一個電容的電容量則減小，因此其靈敏度可提高一倍而非線性又可大大降低。

電容式壓差變送器的測量電路如圖1所示，變送器的輸出可以轉換成電壓、電流或頻率等信號，然后放大。圖1（a）的交流電橋法是將兩個電容器接于交流電橋的兩個相鄰臂上，交流電橋的輸出經放大與相敏檢波后進行測量[3]。圖1（b）的雙T網絡法壓差引起的電容變化轉換成電壓變化輸出。在交流電源正半周時，通過二極管D1對電流器C1進行充電，在負半周時，電容器C1經電阻R1與R3進行對地放電；而電容器C2則在電源的負半周充電、正半周對R3與R2反向放電。因此R3上兩端的電壓輸出是由C1與C2的平均放電電流之差所決定的。當壓差為零時，C1、D1、R1與C2、D2、R2的參數相同，則通過R3的平均放電電流之差為零。當壓差不等于零時，差動電容C1與C2一個增大一個減小，使兩者的平均放電電流不相等，因此R3兩端的電壓輸出也就有了相應的變化。

圖1 電容測量電路

2 差壓式液位變送器的零點遷移

秦山三廠的核島系統的差壓式液位變送器由于安裝位置、測量方式等不同，需要對變送器的零點進行遷移。變送器幾種零點遷移的示意圖如圖2所示[4]。

圖2 差壓變送器檢測液位原理圖

2.1 變送器的無遷移

當差壓式液位變送器安裝在敞口容器上測量液位時，正壓側與容器低部（液位基準面）取壓點在同一水平高度時；或差壓式液位變送器的負壓側采用“干腿”系統，同時正壓側與容器低部（液位基準面）取壓點在同一水平高度時，變送器的零點一般不需遷移[5]。變送器得到的差壓就是P=ρgH，差壓式液位變送器的標定范圍為0～ρgHmax（單位為kPa）。變送器的差壓與液位高度成正比關系，液位為零時變送器的壓差也為零。液位達到滿量程時，變送器的壓差也達到滿量程。

2.2 變送器的正遷移

秦山三廠的核島系統的液位變送器較多的安裝在容器最小液位面的下部幾米處。當變送器的負壓側采用“干腿”系統或直接對空時，需要對差壓式液位變送器的零點進行正遷移。此時作用在變送器的壓差為：

式中:h1—變送器正側至最小液位面的距離；H—被測容器液體高度；ρ，ρ1—被測液體的密度、取壓管線里液體的密度。

當H=0時，ΔP=ρ1h1g＞0，對于無遷移的變送器，此時輸出為高于下限值4 mA；當容器液位達到滿量程即H為上限時，變送器的輸出高于20 mA。為了維持變送器在H為0時輸出4 mA，H為上限時儀表輸出20 mA，需要同時增大變送器出入的上、下限。下限為 ρ1h1g（單位為kPa），上限 (ρ1h1g+ρgHmax)（單位為kPa），變送器的標定范圍為[ρ1h1g-(ρ1h1g+ρgHmax)]（單位為kPa）。

2.3 變送器的負遷移

秦山三廠的核島系統的液位變送器較多的采用“濕腿”系統測量液位，正壓側取壓管接至容器的最小液位面處，負壓側取壓管接至容器的頂部并沖滿液體，變送器安裝在設備最小液位面的下部幾米處，這樣的安裝和測量方式需要對差壓式液位變送器的零點進行負遷移。此時正負壓側的壓力分別為[6]：

變送器的壓差為：

式中：ρ，ρ1，ρ2—被測液體的密度、取壓管線里液體的密度和容器頂部氣（汽）相的密度；h1，h2—變送器正負壓側到容器的最小液位面處和容器頂部的高度；H，h3—容器液體高度和容器頂部氣（汽）相的高度，Pg—容器中氣相（汽相）的壓力。

從變送器計算公式可看出，當H=0時ΔP=ρ2g(h3+Hmax)-ρ1g(h2-h1)，由于 ρ2遠小于 ρ1，h2＞h1，所以ΔP＜0，對于無遷移變送器的輸出低于其下限值4 mA，而且在實際工作中，往往 ρ1＞ρ，h3一般也不為零，所以即使H為上限值，變送器的輸出仍會低于其下限值4 mA，這樣變送器就無法正常工作。因此要在變送器上調整遷移量，即在維持原來量程不變的條件下，同時減少變送器的輸入的上、下限，使變送器的輸出與液位成比例關系[7]。

下限為：[ρ2g(h3+Hmax)-ρ1g(h2-h1)]（單位為kPa）；

上限為:[ρgHmax+ρ3h3g-ρ1g(h2-h1)]（單位為kPa）；

變送器的標定范圍為：[ρ2g(h3+Hmax)-ρ1g(h2-h1)]-[ρgHmax+ρ3h3g-ρ1g(h2-h1)]（單位為kPa）。

3 秦山三廠差壓式液位變送器的常見故障分析和處理方法

差壓式液位變送器的故障種類很多，秦山三廠的核島系統中差壓式變送器均采用ROSEMOUNT1152，1153型變送器性能比較穩定，很少出現變送器本身故障現象，主要是取壓管線產生的問題較多，這里主要介紹秦山三廠的核島系統中的液位變送器測量中常見故障和處理方法。

3.1 液位變送器指示偏高

秦山三廠核島的液位變送器指示偏高問題主要出現在采用濕腿方式測量的液位變送器上，由于變送器的負壓側取壓管安裝在被測容器的頂部，并且取壓關充滿液體，而一般情況下容器的實際液位均與容器頂部有一定的距離，頂部為氣（汽）體。在剛完成變送器反沖水時，變送器的負壓側充滿液體，負壓側產生的靜壓為設計壓力，液位變送器測量準確。但由于運行工況的變化（如容器壓力突然下降，甚至產生負壓）導致負壓側取樣管內的液體少量被吸走或由于取壓口附近環境溫度的升高導致負壓側取樣管內的液體少量蒸發等原因，導致負壓側產生的靜壓低于設計壓力，使液位變送器的差壓升高導致指示偏高。出現這類問題后，首先要對負壓側進行反沖水，保證變送器的負壓側滿水[8]。再采用在液位變送器的負壓側取壓管引一根補水管，通過維持微小的負壓側補水流量保證液位變送器的負壓側不跑水來徹底解決該問題。

3.2 液位變送器指示偏低或穩定緩慢

該現象主要出現在液位變送器采用“干腿”方式測量，變送器的負壓側取壓管安裝在被測容器的頂部且為氣體。在機組長時間運行后，由于個別液位變送器的負壓側取壓管氣相濕度較高，使液位變送器的負壓側有小量的凝結水，導致負壓側的壓力升高，使變送器的壓差減少，液位指示偏低[9]。個別變送器的低壓側取壓管線布置不合理，管線在布置過程中產生U型管段，當變送器的低壓側的取壓管線有凝結水時，容易在U型管段產生水封，導致變送器的低壓側不能及時地反映被測設備氣相壓力，使液位變送器反映緩慢或指示失效。通過打開變送器的低壓側的疏水閥對低壓側進行疏水來恢復變送器的正常指示，當液位變送器的低壓側的取壓管線有U型管段產生水封時，通過對其取壓管線反沖氣并修改其管線的布置位置[10]消除U型管段就可以使差壓式液位變送器指示正常。

3.3 差壓式液位變送器指示波動較大

差壓式液位變送的標定量程一般比較小，從幾個千帕到十幾個千帕，一般不超過一百千帕，液位變送器的取壓管線沖滿液體。但由于變送器需要定期拆下標定，在完成變送器的標定回裝時，稍有疏忽導致變送器的取壓管或變送器的腔室內有少量氣泡，由于氣體的壓縮性強、穩定性差，容易造成液位變送器指示波動較大。一般在出現液位變送器指示波動較大問題后，關閉變送器的取壓隔離閥或拆下變送器先確認變送器本身是否存在波動。如變送器本身沒有波動現象，則對變送器的腔室和取壓管線進行反沖水[11]（由于CANDU-6型核電站的特點，不能直接放水，同時放水容易造成取壓管線堵塞），保證變送器的腔室和取壓管線的水沒有氣泡就可以消除缺陷。

4 結束語

差壓式液位變送器被廣泛應用于秦山三廠核島系統中，經過多年的運行表明差壓式液位測量變送器測量方式具有結構簡單、安裝方便、便于操作維護、工作可靠、對被測容器破壞少等特點，有效地保證了測量信號的穩定性、準確性，在秦山三廠從沒有因變送器信號失效而發生安全事故，為核電站安全穩定運行提供了有力的保障。

（References）:

[1]向婉成.控制儀表與裝置[M].北京：機械工業出版社，1999.

[2]葉江祺.熱工測量和控制儀表的安裝[M].北京:水利電力出版社，1992.

[3]沈英林.熱工儀表與自動控制技術問答[M].北京：化學工業出版社，2009.

[4]張永德.過程控制儀表及裝置[M].北京:機械工業出版社，1987.

[5]李自平.CANDU6型反應堆情況簡介[K].國家核安全局，1997.

[6]上海核工程研究設計院.秦山三期重水堆核電站工程初步設計（第三卷核島各系統）[R].上海核工程研究設計院，1997.

[7]秦山第三核電有限公司.秦山三期重水堆核電站CAN?DU6工程手冊[K].秦山第三核電有限公司，1994.

[8]錢 明.智能電動執行器[J].自動化儀表，1993（3）:23-25.

[9]周春暉.過程控制工程手冊[M].北京:化學工業出版社，1994.

[10]陸德民.石油化工自動控制設計手冊[M].2版.北京:化學工業出版社，1984.

[11]朱繼洲.CANDU堆核電廠核島系統及其運行[M].西安:西安交通大學核電培訓中心，1998.