吹氣式測量裝置在放射性廢液接收貯存系統中的應用

周春燕，楊蘭菊，許 杰，冉洺東，白 澤，劉辰龍

（中國核動力研究設計院 第一研究所，成都 610000）

0 引言

廢液接收貯存系統用于分類接收核設施運行、檢修、退役產生的各類放射性廢液，包括中低放廢液、事故應急廢液、化學廢液、去污廢液等，也是進行放射性廢液處理的第一道屏障。系統的合理設計和穩定運行，關系到廢物

處理中心的設備、運行人員、周邊環境的安全。系統安全運行的關鍵在于可靠、穩定的測量貯槽的液位，而放射性廢液的參數測量屬于特殊工況下的參數監測。因此，在系統測量儀表的設計選型中，既要考慮項目的安裝調試環境，還要考慮后期儀表的檢修和維護工作量以及人員的輻射防護安全。

圖1 吹氣式測量裝置工作原理Fig.1 The working principle of blowing type measuring device

吹氣式測量裝置是一種非接觸式液位計，特別適用于強腐蝕、高粘度、易結晶、放射性等特殊工況下的液體液位、界面測量[1]。除此之外，吹氣式測量裝置還可以對液體密度進行測量，達到一舉多得的效果。雖然現有的非接觸式雷達、超聲波測量儀表有較高的精確度，但是在很多特殊工況下，現場的安裝條件很難滿足雷達、超聲波等儀表的安裝，大大影響了儀表的測量準確性。相比之下，吹氣式測量裝置可以取得很好的應用效果。

綜上所述，本文從放射性廢液接收貯存系統特殊性和現場安裝條件出發，結合非接觸式液位測量的特點和優勢，采用吹氣式測量裝置來測量貯槽的液位和密度，并提出可靠的現場安裝方案。最后，總結分析了應用調試中遇見的現象和問題。

1 應用場景

根據GB18871-2002《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》中對輻射工作場所分區的要求[2]，將放射性廢液接收貯存系統廠區分為控制區和監督區，并考慮潛在事故發生后輻射水平的上升，將放射性控制區又劃為3種區域，即控制Ⅰ區、控制Ⅱ區和控制Ⅲ區。廢液接收貯槽主要布置在廠區一層的控制Ⅱ區和控制Ⅲ區，貯槽高度在6 m左右。連續液位測量儀表一般安裝在貯槽頂部或貯槽的側面，若將儀表直接安裝在貯槽上，儀表檢修需要從貯槽房間的底部通過扶梯到達設備頂部或是從二層平面的檢修孔到達廢液貯槽頂部，調試和運行都極其不方便。

因此，對控制Ⅱ區和控制Ⅲ區的貯槽液位監測儀表應盡量安裝在監督區和控制Ⅰ區，減少后期維護的工作量的同時，減少運行維護人員輻射危害。目前，對放射性廢液的連續液位監測應用較為廣泛的儀表類型包括吹氣液位計、靜壓液位計[3]、導波雷達液位計[4]、磁浮筒液位計[5]等。項目選擇吹氣式測量裝置有以下幾點優勢[6-8]：

1）吹氣液位裝置除吹氣管外，儀表和傳感器部分無需與被測介質接觸。儀表部分可根據需要安裝在非放區，維護時不會對維護人員造成輻射危害。除吹氣管需要定期吹洗保持通暢以外，無需其他額外檢修維護工作。靜壓液位計、磁浮筒液位計需要將傳感器部分直接投入到放射性廢液中，一旦傳感器部分異常或損壞，檢修非常困難。

2）非接觸式導波雷達液位計雖然精度較高，但廢液貯槽較高，所需較長導波管，運輸和安裝條件受限，往往需要后期人工焊接，而焊接頭在工程中很難保證內壁光滑和導管嚴格垂直，將會大大影響測量精度。

3）超聲波液位計等非接觸式儀表自身受安裝短管長度要求，不能穿出設備間遠距離安裝，只能安裝在設備間槽罐頂部，不利于儀表調試和維護。

因此，采用吹氣式液位測量最適合現場工況的測量和安裝。吹氣法結果簡單、安裝方便、價格低廉、維護方便。

2 吹氣式測量裝置工作原理

吹氣式測量裝置工作原理如圖1所示。從氣源引入的氣流經過濾減壓組件，過濾掉氣流中的雜質并減壓到一定值；再經過轉子流量計和穩壓組件、截止閥到達到測量吹氣管正腔和負腔、密度腔。穩壓器的主要作用是穩住流量計兩端壓力，將氣流壓力穩定在稍高于被測介質壓力附近，使氣流剛好能夠緩慢均勻的冒出氣管，測得幾乎接近介質深h處的介質壓力的氣流壓力。正、負腔氣流壓力經三閥組接入差壓變送器，通過差壓變送器將正負腔壓差轉換成4mA～20mA的模擬信號送到控制中心，也可通過變送器表頭直接顯示。同理，通過正腔、密度腔的氣壓差可以測得介質密度，假設正、負腔到差壓變送器的氣壓損耗相等且忽略不計，那么液位計算公式如下：

其中，P正為正腔壓力，P負為負腔壓力，ρ為被測介質密度（已知），g為重力系數（已知），h為液位高度。

同理，可以測得密度腔的壓力，那么密度計算公式如下：

其中，P正為正腔壓力，P密為密度腔壓力，ρ為被測介質密度，g為重力系數，H為安裝固定高度（已知）。

3 吹氣式測量裝置組成及安裝

吹氣式測量裝置主要是由壓空管氣源、吹氣裝置、差壓變送器和管線組成。吹氣裝置集成了氣源接口、變送器接口、吹氣管接口、過濾減壓組件、浮子流量計，大大簡化現場安裝工序。氣源經吹氣裝置處理后，輸出的氣流壓力能夠自動跟隨吹氣管出口壓力的變化而變化，并保持輸出氣體流量穩定。

圖2 吹氣式測量裝置現場安裝圖Fig.2 The installation diagram of blowing type measuring device

現場安裝圖如圖2所示。貯槽布置在一層放射性區域，正常運行情況下為常溫、常壓、密封。貯槽最高液位6m，廢液密度取1100Kg/m3，那么在廢液最高液位測得壓力為：

那么，選擇吹氣裝置和差壓變送器測量范圍為0kPa～65kPa。吹氣裝置和差壓變送器根據放射性隔離需要，布置在貯槽區對應的二層監督區墻面，只需選用普通壓力變送器而不需要耐腐蝕耐輻照材質變送器。既能滿足放射性隔離要求，又方便調試檢修。吹氣管經預埋管穿樓板進入放射性貯槽區，與貯槽設備上預留的引壓管焊接而成。選用的吹氣裝置吹氣管長度可達30m。現場具體安裝時應注意以下幾點：

1）吹氣式測量裝置安裝的高度不得低于被測液位最大液位高度，以防發生廢液倒灌堵塞吹氣管。

2）吹氣裝置必須垂直安裝，以保證浮子流量計垂直，即浮子流量計的玻璃管不允許有明顯傾斜。

3）吹氣管正腔、負腔不得反接。吹氣管長度應不超過允許的最大長度，水平部分應有一定坡度。正腔吹氣管底部應留有0.1m～0.2m的測量盲區，有利于氣泡溢出，同時防止貯槽底部沉降雜質堵塞吹氣管。

4）吹氣裝置安裝完畢后，應進行現場檢漏，以確保各接口的密封性，否則將影響測量準確性。

4 調試及總結

安裝完畢后進行裝置調試。首先，將差壓變送器與引壓管斷開放空，以免壓力突增損壞差壓變送器。在正腔、負腔通大氣的情況下，打開氣源進氣閥、過濾減壓組件，將減壓閥輸出壓力調至所需值。調節完畢后，調節浮子流量計，將浮子均勻調節至2/3處的流量大小（也可根據實際工況需要調至合適的吹氣流量）。待吹氣管穩定地吹出氣泡后，吹氣裝置即可投入運行。吹氣裝置調試完畢后，將差壓變送器恢復原樣。差壓變送器調零即可。

現場調試運行后，影響測量準確度的主要是以下幾點問題：

1）氣源壓力波動，導致吹氣管流量不穩定。主要是因為調試期間氣源管少許泄漏造成，檢查緊固后該問題消失。

2）正腔、負腔流量不一致，導致測量存在誤差。正腔、負腔吹氣管反接，導致測量液位為負值。

3）接頭漏氣，導致測量液位比實際液位偏低。由于從氣源到吹氣管接頭較多，在安裝調試時應逐一檢查各接頭是否密封。

4）高液位時，出現測量液位值不變。原因是調試液位過高，水位超出測量范圍將負腔淹沒，導致正腔、負腔壓差不變。

5 結論

吹氣式測量裝置屬于非接觸式測量儀表，除吹氣管需要和放射性廢液接觸以外，其余吹氣裝置和變送器可按隔離或現場安裝條件選擇合適的位置，且現有集成式吹氣裝置大大簡化安裝工序。除具有連續液位監測功能外，如需增加密度測量功能，只需增加一根吹氣管和一臺差壓變送器。

總之，吹氣式測量裝置使用壽命長、故障率低，運行維護工作簡單，依靠穩流控制器使吹氣流量穩定，測量精度高。但該裝置對氣源質量要求高，對管路密封性和通暢性要求嚴格，管路漏氣或堵塞時產生虛假信號。