重水機組環隙氣體系統露點儀標定方法改進及應用

王仕博，陸惠強，左建新，于 超，代濟嶺，林 熙，江沈偉，盧 輝

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

重水機組環隙氣體系統露點儀的使用與標定，一直存在一些問題困擾著我們，露點儀使用過程中的漂移問題產生了大量的缺陷。因此，急需加強露點儀的標定來使儀表工作的更穩定、更可靠。該系統的完整性和可運行性，對操縱員及時掌握壓力管運行狀況提供了一個在線的監測手段。

圖1 系統簡圖Fig.1 System diagram

圖2 氧化鋁傳感器的結構模型和簡化電路Fig.2 Structure model and simplified circuit of alumina sensor

環隙氣體系統是低壓系統，工作壓力約為30kPa～45kPa，大部分設備工作溫度低于65℃（排管容器以及熱交換器前工作溫度可達190℃），介質為CO2，系統工藝設備和管道都采用不銹鋼材料。系統要求長期連續運行，只有在系統要求檢修且在機組停堆時系統才停止運行[2]。

1 濕度儀表及重水機組環隙氣體露點儀介紹

濕度對大量的物理、化學、生物過程產生影響，據此，可以利用很多與濕度有關的變化進行濕度的測量。測量濕度的主要方式有下列幾種：機械式、干濕球通風式、阻容式（包括電阻式、電容式和阻抗露點型）、冷鏡式、氯化鋰、電解式（五氧化二磷）等。重水機組使用的露點儀主要有阻抗露點型和冷鏡式兩類。

環隙氣體系統所使用的露點儀是由PANAMETRICS生產的M2系列三氧化二鋁露點探頭和SERIES5系列露點變送器，用于測量壓力管和排管之間的環形氣隙內的濕度。其系統簡圖如圖1所示。

2 傳感器基本原理和特點介紹

氧化鋁傳感器是通過電化學方法在金屬鋁表面形成一層氧化膜，進而在膜上沉淀一薄層金膜。這樣，鋁基體和金膜便構成了一個電容器。氧化鋁傳感器的結構模型和簡化電路如圖2所示。氧化層吸附水汽之后將引起電抗的改變，濕度計的原理就是建立在這一電性質基礎之上的[1]。

氧化鋁傳感器具有體積小、靈敏度高、測量范圍寬，通常能耐冷凝等優點，但是也存在高溫或高濕下使用時會發生校準漂移（性能改變）。存在漂移和滯后，在很低濕度下穩定可能很慢，且有易被腐蝕性化學物質損壞的缺點。

3 早期露點儀的標定方法及存在的問題

早期露點儀的標定工作是送計量院進行外委標定的，因為計量院只有露點發生器和標準露點測量裝置（GE公司生產的M3系列冷鏡式露點儀），而沒有用于讀取MH值的Moisture Image Series 1。所以主要的工作是從現場將SERIES5系列露點變送器和M2系列露點探頭拆下，連同連接部件和電源線儀器送計量院進行標定，待標定完成后取回安裝回現場。

計量院的標定方法是通過露點發生器與標準露點測量裝置，產生一個穩定露點的標準氣源，然后將標準氣體通過連接管路供給待標定的M2露點探頭，同時使用SERIES5露點變送器測量M2探頭所測得的信號（MH值），待MH值信號穩定后，記錄下相應的標準露點值與對應的MH值，作為一組露點數據。在露點儀使用量程范圍內，選取6個不同的點檢測出6組數據，再根據這6組露點數據對SERIES5露點變送器內設置的MH值數據進行修改，以得到準備的露點示值，然后再進行一次儀器的檢定來確定儀器的準確性。

由于這種方法需要整體拆除現場儀表，造成現場儀表的不可用，而儀表本身受TS限制，從拆除到恢復可用必須控制在7天內，且設備送計量院進行標定，往返路上所需的時間、儀表標定所用時間、因標定時工況與現場工況不一致而導致儀表回裝后需要進行二次校準所需時間。由于上述種種條件限制，導致了標定必須在2天內完成，這就使低露點時探頭穩定時間不足，造成探頭在低露點時的偏差較大。圖3為計量院標定的數據單。

4 標定方法的改進

4.1 氧化鋁傳感器的標定方法

氧化鋁傳感器根據使用條件，一般6～12個月標定一次，條件惡劣的需提高頻度，如環隙氣體系統的露點儀需要每3個月標定一次。標定的目的是為了重新確定傳感器的校正曲線，一般校正曲線由14組MH值對露點值確定，請參見圖4原PANAMETRICS傳感器出廠的標定單數據。

圖3 計量院標定的數據單Fig.3 Data sheet calibrated by metrology Institute

圖4 原PANAMETRICS傳感器出廠的標定單數據Fig.4 Calibration sheet data of original PANAMETRICS sensor

4.2 國外同類露點儀的標定方法

根據國外電站的資料，其標定裝置主要有：露點發生儀（PANAMETRICS生產的MG101）、標準露點測量儀器（GE的M3）和標準MH值測量儀器（G PANAMETRICS生產的Moisture Image Series 1）。

標定一般過程如下：通過標定裝置，測出幾組傳感器的MH值和對應露點值過氧化鋁傳感器的特性公式：MH(T)=a×EXP(b×T)+c（PANAMETRICS公司提供有軟件計算出常數a、b、c）[3]，再通過公式計算出在-110℃～20℃上整數讀數對應的MH值，這些值便組成傳感器新的校正曲線。

4.3 露點儀標定方法的改進

考慮重水機組環隙氣體露點儀的限制和標定方法存在的缺點后，對標定的方法進行了一次改進，有針對性地解決了拆除儀表以及外圍送檢的問題。

首先，針對拆除儀表進行標定需較長時間進TS限制的問題，采取先對探頭備件進行標定，等標定完合格的探頭備件后，再對現場探頭進行更換。這樣只需要進行一次“在線二次校準”即可使儀表恢復正常，大大縮短進入TS限制的時間。

圖5 傳感器新的校正曲線Fig.5 New calibration curve of sensor

其次，參考其它電站的方法，在廠內組建了一套相對簡易的標定裝置，使用SPMO移交的一臺MG101加標準氮氣瓶作為標準露點氣源，使用Moisture Image Series 1來讀取MH值，使用便攜式露點儀來讀取標準露點值。在儀表的使用量程選取6～8個點來采集對應的標準露點的MH值數據，再通過PANAMETRICS公司的標定程序計算出完整的探頭標定數據。這樣使用時只需要更換探頭，將標定數據錄入到現場的SERIES5露點變送器內，再進行一次在線二次校準，就可以使儀表正常使用了。

盡管改進后的方法縮短了進TS限制的時間，但仍然不可避免需要進TS這一現狀。為了更好地解決這一問題，考慮了常規儀表在線標定的方法，即現場隔離儀表進行標定，標定完成后立即恢復使用。但是，考慮露點儀標定過程的特殊情況，這樣的方法不可能完全套用（常規儀表標定過程只需極短的時間就能完成，而露點儀的標定過程需要2～3天，甚至更久）。那么，是否可以在不影響現場儀表的正常使用下來完成對儀表的標定工作呢？從露點儀標定過程來分析這個問題，發現在理論上是可以滿足露點儀的標定條件的：首先，是標準氣。系統露點是在不停地發生變化的，在一個掃氣周期內，露點從掃氣結束后逐漸上升到滿足再次掃氣的條件，其變化范圍幾乎覆蓋了儀表的全使用量程。解決了標準氣問題，接下來就是標準露點的讀取，可以使用便攜式露點儀對系統露點進行在線取樣來得到。此外，還有對MH值的讀取，可以從現場的SERIES5露點變送器上完成而不影響儀表的正常使用。這樣，數據采集的條件就完全滿足了。另外，如果可以實現在線標定，還有一個好處就是解決了標定工況和現場工況的偏差問題，在完成標定后儀表將不再需要進行二次校準。

那么，在線標定方法是否真的可行呢？對此進行了一項長期的試驗，在露點儀正常使用期間，通過定期取樣的方式，使用便攜式露點儀對現場系統露點進行取樣得到標準露點值，并在SERIES5露點變送器上讀取到取樣當時的露點示值與MH值，并將這些數據進行記錄保存。在每次定期維護時，從這些記錄中選取幾組具有代表性的數據，根據探頭標定數據處理的方法進行計算處理并得出探頭的標定數據，與定期維護標定時的標定數據進行比較。經過反復比較發現，取樣時間越久遠的數據存在的偏差越大，反之，取樣時間越近的數據存在的偏差越小，一般兩周內的采樣數據基本沒有偏差或偏差極小。這樣的試驗結果表明，只需在兩周內采集足夠標定所需的數據進行標定處理，就能完成一次露點探頭的標定，而且，環隙氣體系統的掃氣周期基本都在7～10天左右，正好滿足了兩周內完成數據采集的時間要求，也既是說在線標定環隙氣體系統露點儀的方法試驗成功了。

5 結束語

經過長期的實踐證明，在線標定環隙氣體系統露點儀的方法有效地提高了環隙氣體系統露點儀的穩定性和可靠性，有效地控制了故障的發生，降低了缺陷量，2014年至今沒有發生環隙氣體系統露點儀的缺陷。