海水泵房液位控制器在重水核電廠的改進與應用

俞嘉成，諸海川，呂曉棟，常滿意

（中核核電運行管理有限公司 技術三處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

某重水核電廠海水泵房的主要功能是在任何潮位下，向凝汽器循環(huán)水泵和原水服務水泵提供足量的過濾海水，防止垃圾、碎石和海洋生物等進入水泵內(nèi)堵塞管道或者打壞設備。海水經(jīng)過4 條地下取水方涵進入泵房前池，然后進入12 條尺寸、形狀均一致的取水通道，每臺機組6 條。前池海水先后通過攔污格柵、前池閘門、胸墻、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)等設施后進入相應水泵取水池，為海水系統(tǒng)提供足量的過濾海水。

海水泵房前池共有12 臺旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)，每臺旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)有前后2 個液位探頭，分別提供旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前后液位及液位差數(shù)據(jù)，且實時監(jiān)測海水潮位信號、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前后液位差高等報警信號，當液位控制器出現(xiàn)故障或受干擾時，主控室將失去信號監(jiān)測，若誤觸發(fā)旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)液位差高、前池液位低等報警信號，將影響重要海水冷卻水系統(tǒng)、凝汽器循環(huán)冷卻水系統(tǒng)等正常運行。

1 運行液位控制要求

根據(jù)電廠運行手冊要求，每個機組的2 號旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前液位探頭提供液位指示，對應AI-0246 指示。當前池內(nèi)水位下降到標高84.5m 的時候，會出現(xiàn)AI-0246 報警（泵房前池水位低報警）；當前池內(nèi)水位下降到標高83.5m 的時候，會出現(xiàn)CI-1874 報警（重要海水冷卻水泵取水前池水位極低報警）、CI-1036/1035 報警（凝汽器循環(huán)冷卻水泵取水口低潮位報警），同時閉鎖水泵啟動邏輯。

旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)的前后液位差報警值為30cm，高于該值后主控室產(chǎn)生CI-1873 報警（旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前后水位差高-高報警），旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)的前后液位差小于15cm 后報警消除，但需對濾網(wǎng)控制盤（67110-PL-4043/4044）手動復位報警指示燈，液位差高報警不影響旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)的正常運行。

液位控制器分別使用過兩種類型控制器，以下對兩種控制器的使用情況和優(yōu)化策略進行詳述。

2 超聲波液位控制器

2.1 控制原理

海水泵房初期使用的是超聲波液位控制器和探頭，工作原理[1]為：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射脈沖信號，在發(fā)射的同時開始計時，超聲波通過介質(zhì)傳播到達液面，經(jīng)反射后再通過介質(zhì)返回到超聲波接收器，接收器收到回波就立即停止計時。由此可計算出海水泵房液面高度H 為：H=H0-H1=H0-ct/2。（H0：探頭到底部的高度；H1：探頭到液位的高度；c：超聲波在介質(zhì)中傳播速度；t：超聲波發(fā)射和接收的時間間隔）。

2.2 缺陷統(tǒng)計和分析

海水泵房兩臺機組旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前后超聲波液位探頭從2014 年3 月至2016 年3 月出現(xiàn)的缺陷總共為30 起，其中超聲波液位探頭表面因凝結水干擾19 起、自身故障10 起、接線氧化1 起，探頭受表面凝結水干擾導致的缺陷占總數(shù)的63.3%。

現(xiàn)場超聲波液位計長期處于霧氣當中，當環(huán)境溫度驟然變化時，超聲波傳感器發(fā)射面就會出現(xiàn)水霧。由于探頭表面平整，水霧附著后容易聚集產(chǎn)生凝結水，超聲波傳感器發(fā)射的超聲波經(jīng)過發(fā)射面會出現(xiàn)折射，經(jīng)液位反射的回波丟失，最后出現(xiàn)報警。

2.3 優(yōu)化策略

優(yōu)化方式1：對管道和壓蓋進行開孔，以排出水蒸氣。

初步分析時，懷疑旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)高液位差是因為天氣過熱，水蒸氣充滿探頭的下方區(qū)域卻無法排出，造成變送器無法真實反映液面高度，產(chǎn)生誤報警。后通過在變送器壓蓋上方打孔，以便蒸汽能順利排出，但此優(yōu)化策略效果甚微。

優(yōu)化方式2：將液位控制器變更為雷達液位控制器。

海水泵房環(huán)境較潮濕，特別是天文大潮時段，潮氣較重。雖然超聲波技術具有成本低、安全性高、非接觸、安裝使用方便、結果讀取直觀等優(yōu)點，但是也存在測量的局限性。由于聲速與熱容比、密度、油氣組分、溫度等因素的變化有關，因而在液位測量中，聲速會因溫度變化、液體揮發(fā)等原因而變化，造成超聲波測距不準確，產(chǎn)生誤差[2]。

基于超聲波液位探頭自身對于抗水汽干擾能力較弱，容易受到干擾的特性，后續(xù)通過設備變更將液位控制器替換為雷達液位控制器。

3 雷達液位控制器

3.1 控制原理

雷達液位控制器通過從垂直安裝在頂部的天線發(fā)射出26 GHz 的K 波段短雷達脈沖信號，當遇到被測介質(zhì)表面時，由于介電常數(shù)突變，能量反射成回波并被雷達接收，發(fā)射脈沖和反射脈沖之間的時間差與被測介質(zhì)的距離成正比，經(jīng)計算得出液位高度。

3.2 缺陷統(tǒng)計和分析

變更后，缺陷并未因此得到根本解決。統(tǒng)計從2016 年3 月至2020 年7 月出現(xiàn)的缺陷總共記73 起，其中雷達液位探頭因表面凝結水干擾53 起、自身故障20 起，由表面凝結水干擾導致的缺陷占總數(shù)的72.6%。

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)液位探頭的雷達外殼（鋁殼+涂層）長時間暴露在堿性潮濕空氣中易發(fā)生凝露腐蝕，進而導致內(nèi)部電路板腐蝕失效，同時雷達的喇叭口內(nèi)壁經(jīng)常存在大量水珠（旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前后水面開闊，水汽蒸騰較多，空氣濕度大，導致上部冷凝水較多），尤其是在環(huán)境溫度和天氣變化時，通過擦干凝結水，對探頭表面進行清潔后報警消失。

目前的雷達為K 波段26GHZ 喇叭型雷達，測量范圍10m，發(fā)射角為9°。當喇叭口上掛水珠時，其發(fā)射角過大導致電磁波散射到水珠和孔洞壁上后回波丟失，不適用于現(xiàn)場濕度高，水面上下溫差大的測量環(huán)境。

3.3 優(yōu)化策略

雷達液位探頭微波的聚焦和靈敏度都是由天線的外形決定的，液位探頭可適應的溫度和壓力的范圍也與天線的材料和密封結構有關，使用喇叭口天線，聚焦特性強，可在高溫高壓條件下工作，適用于絕大多數(shù)場合，但不適合腐蝕介質(zhì)的測量。此類型天線的發(fā)射角與喇叭口直徑及頻率有關，在相同頻率下喇叭口直徑越大，波束角越小。高頻雷達能量高，波束角小，抗干擾能力強[3]。

由于該雷達探測器喇叭口存在冷凝水會產(chǎn)生測量干擾的固有缺陷，且與之配套的控制器工作不穩(wěn)定，已多次出現(xiàn)死機或不能正常工作的情況，因而考慮采用其它先進的抗冷凝水的雷達液位測量設備和配套控制器進行替代，徹底解決該問題。

4 升級后的雷達液位控制器

升級后的液位控制器，探頭部分使用316L 不銹鋼外殼，采用基于調(diào)頻連續(xù)波原理（FMCW）工作的“俯視式”微型測量系統(tǒng)，天線向介質(zhì)方向發(fā)射頻率最大可達80GHz的W 波段的連續(xù)變化的電磁波信號，電磁波到達被測介質(zhì)表面后發(fā)生反射，反射回波再次被天線接收。

通過調(diào)制電磁波的頻率，在f1 和f2 兩個頻率之間形成鋸齒波信號。因此，任意時間點上發(fā)送信號和接受信號間都存在頻率差：Δf=kΔt，其中Δt 是電磁波的運行時間，k 是調(diào)頻的斜率。Δt 與距離D（測量參考點R 至介質(zhì)表面的距離）相關：D=(cΔt)/2。其中，c 為電磁波的傳播速度。因此，D 可以基于測量到的頻率差值Δf 計算得到，基于D確定物位高低。

變更升級后的液位控制器采用全PTFE 填充的齊平安裝的天線，適用于腐蝕性液體測量，抗冷凝水效果明顯，從變更完成后穩(wěn)定至今，期間未有因為凝結水導致的誤報警和設備缺陷。

5 結束語

液位控制器的變更選型，不僅需要考慮儀表本身精度以及功能，還需要考慮使用工況，判斷是否滿足現(xiàn)場的工作環(huán)境要求。本文通過對海水泵房液位控制器的變更過程進行介紹，希望能給同類型電廠的設備選型提供參考經(jīng)驗。