放射性廢樹脂液位/界面在線測量技術的研究及應用

楊蘭菊 李振臣 周春燕

（中國核動力研究設計院第一研究所）

放射性廢樹脂是一種固體核廢料，必須和水混合才能輸送，并和水一起儲存在廢樹脂槽中等待后續處理。 在廢樹脂的儲存和處理過程中，對樹脂料位進行準確測量是非常必要的。 但因樹脂屬于固-液混合物，且具有放射性，故不宜采用常規方法進行測量［1］。另外，廢樹脂在下料時會形成凹凸不平的表面， 和水會形成分界面和懸浮面，造成樹脂和水之間的界面不清晰。 目前，市場上沒有專門的儀表用于測量樹脂和水的分界面。 因此，在實際工程中，廢樹脂界面測量一直是一個難點。 以往工程上為了測量廢樹脂和水的分界面，采用了很多測量儀表，如雷達液位計、激光液位計等，但經過試驗證明，這些儀表只能測量一個介質的界面，而無法真正識別出液面和樹脂界面。 同時，也改進了很多測量裝置，但改進后的裝置仍具有一些固有缺陷，且故障率高，無法達到工藝測量要求。

工程上常采用帶兩個浮球的磁致伸縮液位計來測量廢樹脂和水的液面及分界面。 但廢樹脂下料時經常會掩埋測量界面的浮球，導致此浮球浮不起來，無法測量。 后經過改進［2］，雖然解決了界面浮球被樹脂掩埋的問題，但時常發生鋼纜纏繞問題，且不能實現液位的連續測量。 而且在廢樹脂下料階段， 水量和廢樹脂量都處于未知狀態，很容易造成水位超出工藝安全限值，引起設備安全問題。 為解決上述問題，筆者提出一種液位和樹脂界面分開式的測量方法，設計一種新型在線遠程測量系統，對樹脂界面測量裝置經過多次改進并進行試驗驗證，以便后續應用于實際工程中。

1 新型測量技術

1.1 液位測量

磁致伸縮液位計主要由探測桿、電路單元和浮子3 部分組成， 具有高精度和免維修兩大優勢。 由于磁致伸縮液位計電子元件密封在不銹鋼管體內，不受輻射的影響，因此是目前液位測量領域最為精確，便于安裝、維護，性能穩定、可靠的成熟產品［3，4］。故筆者選擇磁致伸縮液位計用于液位測量。 浮子裝在探測桿上，內裝有一組永磁鐵，該磁鐵可以沿著探測桿隨液位的變化而上下移動［5］。由于測量介質特殊，是廢液和廢樹脂的液固混合物，若選型不當，會導致測量浮球被樹脂顆粒卡住，無法實現測量功能。 因此在選擇測量浮球時需要考慮兩大因素，一是比重，二是浮球內徑與探測桿的空隙間距。 綜合考慮后，測量浮球比重選為0.63～0.75， 以保證浮球始終浮在水面；浮球內徑與探測桿的空隙間距按實際情況選取，需保證廢樹脂顆粒可自動滑落，使浮球始終能隨液位在探測桿上自由移動，不會被樹脂顆粒卡住和掩埋。

1.2 界面測量

界面測量裝置不僅能實時測量廢樹脂和水的分界面，而且在廢樹脂下料過程中，為防止測量傳感器被樹脂掩埋，界面測量裝置設計為一體化在線裝置，具有實時測量、自動提升/下降、智能顯示及信號遠傳等功能。 界面測量裝置主要由重量傳感器、鋼絲繩、微動裝置、顯示及控制裝置等組成。 探測過程是：界面測量裝置發出啟動測量信號，給出電動機正轉信號，在原點處開始放繩，當重量傳感器降至廢樹脂界面時被樹脂托起而失重，鋼絲繩松弛，測量裝置得到該信號立即發出電機反轉命令， 重量傳感器自動上升返回，直到重量傳感器上升到接近原點處， 電機停轉，重量傳感器回到廢樹脂槽頂原點位置，完成一次探測過程。 由于該裝置配備了雙重光感系統，因此智能電機傳動系統可以確保在重量傳感器接觸介質表面的瞬間停止下降， 無需額外的剎車裝置，而后改變電機的轉動方向并將料位信號變送輸出。

重量傳感器是界面測量裝置的核心和設計難點，如果傳感器重量較重，則測量時無法停留在樹脂界面上，會一直下降到樹脂下部，導致整個重量傳感器掩埋在樹脂中； 如果重量過輕，會造成傳感器重量與鋼纜速度不匹配，造成鋼纜無法自動提升/下降。 因此，需要綜合考慮重量傳感器的外形尺寸、材料和重量，通過改變與樹脂接觸的面積，保持重量傳感器重量與鋼纜速度相匹配，樹脂界面計才能準確測量廢樹脂和水的分界面。 經過多次改進測試，最終確定傳感器由圓柱形外殼和設置在外殼內的配重塊構成。 傳感器以最佳方式匹配鋼纜3 m/s 的下降速度， 且正好停留在分層面上鋼纜自動返回，精確實現了廢樹脂和水的界面測量。 為方便運行人員操作，界面信號可引至PLC 系統遠程操作界面測量裝置的測量模式，并進行遠程顯示和報警。

可在PLC 系統上遠程啟動和停止樹脂界面計，并根據操作要求設置測量周期，在周期內，啟動樹脂界面計電機后，樹脂界面計就會不停地自動測量，周期一到，樹脂界面計自動停止測量。 若不設置測量周期，則樹脂界面計啟動后只測量一次，并保存和顯示此次的測量結果，若需再次測量，可再啟動樹脂界面計。

為了最大限度地保證人員和設備的安全，界面測量裝置增加了軟件保護程序，一旦產生埋錘現象，裝置有3 次試提程序，以避免強行提繩引起的斷纜現象。 界面測量裝置不需要通過加裝另外的氣缸裝置或電動裝置進行非標設備改造，極大地減少了設備成本，避免了非標設備的加工制造，解決了實際工程測量問題。

2 試驗及結果分析

2.1 試驗

為了驗證液位和界面測量技術的可行性，建立與實際工況相似的模擬試驗臺架裝置對液位和界面進行測試。 試驗設備由液位和界面測量裝置、門形試驗臺架和柱形容器組成。 試驗對象為新樹脂顆粒和水。 液位和界面在線測量方案如圖1 所示。

圖1 液位和界面在線測量方案

為防止界面測量裝置的重量傳感器在較長的儀表短管內晃蕩，影響測量，專門設計一套固定限位輔助裝置。 該限位裝置由輔助保護管和限位套組成，輔助保護管末端裝有限位套，在提升過程中， 重量傳感器只停在廢樹脂儲槽的頂部，有效減少重量傳感器與套管的碰撞，保證界面的精確測量。

試驗中液位測量裝置的浮球的比重比水輕，且浮球內徑大小適合樹脂顆粒的自由流動，因此該浮球始終浮于水面，保持精確的液位測量。 啟動界面測量裝置，重量傳感器通過鋼纜進入柱形容器內對樹脂界面進行探測，每次測量時重量傳感器從起始位置開始下降，碰到樹脂的懸浮分界面立即返回等待下一次測量。

2.2 結果分析

從表1 的試驗數據可以得出，液位測量精度較高、誤差小且重復性好，而且在樹脂下料過程中，磁致伸縮液位計的浮球始終浮在水面，浮球不會被樹脂卡住或掩埋。

表1 液位測量數據 mm

廢樹脂和水混合進入廢樹脂儲槽時，由于廢樹脂密度比水的密度稍大， 因此它們很快會分層，若分層的時間過短，樹脂上層界面比較疏松，與水形成懸浮面，當界面測量裝置的重量傳感器接觸到樹脂懸浮面時，會因為自身速度和重量不會立即停止在懸浮面上， 還會往下沉降一些，經過多次重復性試驗，改進后的重量傳感器完全能自動停留在廢樹脂與水的懸浮面上。

從表2 數據可以看出，樹脂界面計測量是可行的，測量數據精確、重復性好且與實際值誤差小，完全滿足工程測量需求。

表2 改進后廢樹脂界面計測量數據

3 結束語

放射性廢樹脂液位及界面分開在線測量技術，參數獨立采集，信號互不影響。 通過選取合適的浮球比重、 浮球內徑與探測桿的空隙間距，實現了液位的有效實時在線監測，避免液位超過工藝安全限值，從而保證了設備的安全性。 通過多次從外形尺寸、材料和重量方面對重量傳感器進行改進，界面測量裝置具有實時測量、周期測量、自動提升/下降、 信號就地顯示及遠程操作等功能。 試驗結果表明，放射性廢樹脂液位測量效果好，精度高；界面測量裝置能準確測量廢樹脂和水的分界面，重復性好，且提升機構運行順暢，避免出現被樹脂掩埋的現象。