摘 要: 液位測(cè)量是核電站自動(dòng)控制系統(tǒng)中的重要組成部分。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)基于電磁波時(shí)域反射( TDＲ) 原理，具有受環(huán)境影響小、測(cè)量精度高等特點(diǎn)。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)作為一種新型的液位測(cè)量手段，已經(jīng)在核電領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，但是在其應(yīng)用過程中也遇到了一定的問題。針對(duì)福清核電汽水分離再熱系統(tǒng)疏水箱液位計(jì)頻繁出現(xiàn)的支撐件破碎、密封失效以及蒸汽補(bǔ)償漂移等問題，進(jìn)行了原因分析并給出了解決措施。通過對(duì)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的改造，使得導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在核電高溫蒸汽系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，提高了汽水分離再熱疏水液位測(cè)量的可靠性，保障了機(jī)組運(yùn)行安全。該研究對(duì)推動(dòng)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在蒸汽系統(tǒng)中應(yīng)用提供有力支持，對(duì)導(dǎo)波雷達(dá)這種新型液位計(jì)未來(lái)在更多測(cè)量環(huán)境中的應(yīng)用起到了積極作用。
引言
導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)作為一種新興的液位測(cè)量?jī)x表，克服了傳統(tǒng)儀表的不足，在核電廠的應(yīng)用逐漸增多。但導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在高溫高壓蒸汽系統(tǒng)使用時(shí)，還存在一些不足，導(dǎo)致系統(tǒng)液位測(cè)量失真［1］。汽水分離再熱系統(tǒng)是核電廠汽輪機(jī)的重要輔助系統(tǒng)，主要應(yīng)用于汽輪機(jī)運(yùn)行期間，通過控制進(jìn)入二級(jí)再
熱管束的蒸汽量，對(duì)高壓缸排氣進(jìn)行除濕和再熱，使進(jìn)入低壓缸的蒸汽有一定的過熱度。其應(yīng)用改善了汽輪機(jī)低壓缸的工作條件，提高了汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率，減少了濕蒸汽對(duì)汽輪機(jī)零部件的刷蝕。在福清 1 ～ 4 號(hào)機(jī)組調(diào)試及運(yùn)行期間，汽水分離再熱系統(tǒng)二級(jí)疏水箱液位計(jì)多次出現(xiàn)故障，如液位計(jì)探桿泄漏、測(cè)量失效等。針對(duì)二級(jí)疏水箱液位計(jì)問題，采用新型測(cè)量方案，對(duì)汽水分析再熱系統(tǒng)二級(jí)疏水液位測(cè)量作優(yōu)化改進(jìn)。
1 導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)測(cè)量原理及特點(diǎn)
( 1) 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的工作原理。
導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)基于電磁波時(shí)域反射原理［2］，由電磁波發(fā)生器發(fā)射一個(gè)電磁脈沖信號(hào)發(fā)射到導(dǎo)波體上，以導(dǎo)波體作為信號(hào)的傳輸載體。當(dāng)遇到被測(cè)介質(zhì)表面時(shí)，部分信號(hào)被反射形成回波并沿相同路徑返回脈沖發(fā)射裝置。發(fā)射裝置與被測(cè)介質(zhì)表面的距離同脈沖在其間的傳播時(shí)間成正比，測(cè)量發(fā)射與反射脈沖［3］。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量原理如圖 1 所示。
導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量原理圖
( 2) 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量特點(diǎn)。
①電磁波信號(hào)沿導(dǎo)波桿傳輸可消除假回波信號(hào)，減少信號(hào)丟失。
②整個(gè)測(cè)量裝置無(wú)活動(dòng)部件，無(wú)機(jī)械磨損。
③安裝調(diào)試方便。
④不受介質(zhì) 密度變 化 的 影 響 ( 但 是 需 要 單 一 介質(zhì)) 。
⑤使用與高溫、高壓的物位測(cè)量。
2 現(xiàn)有設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致測(cè)量不穩(wěn)定的原因分析
核電廠二回路液位控制是核電廠重要的控制系統(tǒng)之一，其測(cè)量環(huán)境需考慮真空、高溫、泡沫等多方面因素。傳統(tǒng)液位儀表因其固有原理，無(wú)法通過自身技術(shù)的改進(jìn)來(lái)消除誤差。故本文采用了導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)［4］。但在機(jī)組運(yùn)行過程中，汽水分離再熱系統(tǒng)原有導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)導(dǎo)波桿的支撐件會(huì)破碎，支撐件碎片會(huì)進(jìn)入到二回路系統(tǒng)中，形成異物，危及機(jī)組安全［5］。同時(shí)，導(dǎo)波桿內(nèi)支撐件破碎后，因振動(dòng)、沖擊等因素會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)波桿觸碰到水位測(cè)量筒，使液位測(cè)量產(chǎn)生跳變，存在汽水分離再熱系統(tǒng)二級(jí)隔離風(fēng)險(xiǎn)。受制于現(xiàn)場(chǎng)使用條件，汽水分離再熱器二級(jí)疏水箱內(nèi)充滿飽和蒸汽。蒸汽是極性氣體，即蒸汽的介電常數(shù)會(huì)根據(jù)環(huán)境的壓力、溫度而改變。介電常數(shù)的變化會(huì)影響電磁波的傳播速度。波速度公式為&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
由式( 1) 可見，當(dāng)介質(zhì)的介電常數(shù)變化，則波速度會(huì)隨之變化。由于電磁波在不同介質(zhì)中的傳輸速度不同，比如在空氣中的傳輸速度比在蒸汽中傳輸速度大，因此 汽 水 分 離 再 熱 系 統(tǒng) ( gas-liquid seperate system，GSS) 二級(jí)疏水箱液位計(jì)選用的都是蒸汽型導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)［7］。
經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在功率運(yùn)行期間，汽水分離再熱系統(tǒng)二級(jí)液位計(jì)共計(jì)出現(xiàn)缺陷 91 項(xiàng)。其中，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)漏汽缺陷共計(jì) 38 項(xiàng)，二級(jí)疏水箱液位計(jì)偏差大共計(jì) 46項(xiàng)，因儀表故障導(dǎo)致通道測(cè)量不可用共計(jì) 7 項(xiàng)。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)液位計(jì)缺陷情況來(lái)看，目前汽水分離再熱系統(tǒng)二級(jí)液位計(jì)主要存在以下故障。
①液位計(jì)探桿支撐桿破碎。經(jīng)分析，原汽水分離再熱系統(tǒng)二級(jí)液位計(jì)所用的高溫型導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)，其探桿支撐件采用聚醚醚酮( PEEK) ［8］高分子合成材料。在運(yùn)行過程中，該支撐件會(huì)逐漸脆化，在系統(tǒng)沖擊工況下破裂。處理方式: 在測(cè)量系統(tǒng)改進(jìn)前，機(jī)組只能通過每次大修期間，對(duì)探桿進(jìn)行定期更換。
②液位計(jì)探桿密封失效。液位計(jì)探桿內(nèi)部密封件采用 PEEK 材料進(jìn)行隔熱，靠近連接部位采用 2 個(gè) O型圈進(jìn)行密封。O 型圈耐溫范圍為 150 ℃ 。因汽水分離再熱系統(tǒng)二級(jí)疏水箱內(nèi)部溫度達(dá) 280 ℃ ，探桿隔熱材料失效，進(jìn)而使 O 型圈失效，探桿密封泄漏，測(cè)量閃發(fā)質(zhì)量位。處理方式: 目前出現(xiàn)探桿密封失效后，無(wú)法進(jìn)行更換。
③液位計(jì)冷熱態(tài)工況，液位測(cè)量出現(xiàn)偏差。液位計(jì)大修冷態(tài)調(diào)試時(shí)，3 支液位計(jì)偏差小于 20 mm。但汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)后，因系統(tǒng)溫度上升，3 支液位計(jì)偏差會(huì)達(dá)到 100 mm。在機(jī)組運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)后，液位計(jì)偏差也會(huì)逐漸增加，導(dǎo)致偏差超過 100 mm。處理方式: 目前只能在熱態(tài)后，對(duì)偏差大液位計(jì)進(jìn)行修正。機(jī)組功率運(yùn)行后，每周定期巡檢方式，檢查液位計(jì)偏差，并及時(shí)進(jìn)行修正。
3 改進(jìn)方案
3． 1 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)支撐件改進(jìn)
原汽水分離再熱系統(tǒng)二級(jí)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)采用PEEK 支撐件，同時(shí)也作為探桿隔熱材料。PEEK 是芳香族結(jié)晶型熱塑性高分子材料。PEEK 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為 143 ℃ ，其熔點(diǎn)為 334 ℃ 。這種材料耐抗有機(jī)和水環(huán)境，具有優(yōu)良的化學(xué)性、熱穩(wěn)定性和抗氧化性。目前，應(yīng)用汽水分離再熱系統(tǒng)二級(jí)疏水箱實(shí)際運(yùn)行溫度為 280 ℃ ，儀表的設(shè)計(jì)溫度為350 ℃ ，而 PEEK 物理特性耐溫只有 250 ℃ ，因此運(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生變形或碎裂。
為應(yīng)對(duì)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)支撐件破碎及密封失效情況，此次支撐件設(shè)計(jì)采用 99． 7% 純度的 Al2 O3 陶瓷材料［8］。該材料具有硬度大、耐磨性能極好、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。其熔點(diǎn)在 2 000 ℃ 以上，具有良好的導(dǎo)熱性、絕緣性以及透光性，介電常數(shù)為 9． 0 左右，適用于高溫蒸汽型導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量原理。Al2 O3 陶瓷的物理和力學(xué)特性如表 1 所示。
改進(jìn)后探桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)精密。防止蒸汽部分主元件采用氧化鋁陶瓷，不會(huì)因?yàn)闇囟仍龈叨冃�、滲漏。密封元件采用耐高溫的石墨密封 Graphite，是目前儀表產(chǎn)品在防止高溫蒸汽方面的理想材料。其物理性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于以前使用的 PF128、PEEK、鋁礬土等材質(zhì)，十分穩(wěn)定可靠。該結(jié)構(gòu)整體密封結(jié)合緊密，可杜絕蒸汽進(jìn)入。
3． 2 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)高溫補(bǔ)償改進(jìn)
原汽水分離再熱系統(tǒng)二級(jí)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)采用點(diǎn)補(bǔ)償方式，補(bǔ)償點(diǎn)到電磁波發(fā)射口距離為 125 mm。如果測(cè)量點(diǎn)以上或者測(cè)量點(diǎn)位置有凝露或者誤差，會(huì)放大傳導(dǎo)到下方實(shí)際液位測(cè)量。為了更好地說明上述結(jié)論，定義系數(shù) K。
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