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導波雷達液位計在福清核電的應用及改進

來源: 作者: 發布日期:2020-06-10

  摘 要: 液位测量是核电站自动控制系统中的重要组成部分。導波雷達液位計基于电磁波时域反射( TDR) 原理,具有受环境影响小、测量精度高等特点。導波雷達液位計作为一种新型的液位测量手段,已经在核电领域有了广泛的应用,但是在其应用过程中也遇到了一定的问题。针对福清核电汽水分离再热系统疏水箱液位计频繁出现的支撑件破碎、密封失效以及蒸汽补偿漂移等问题,进行了原因分析并给出了解决措施。通过对導波雷達液位計的改造,使得導波雷達液位計在核电高温蒸汽系统中得到了应用,提高了汽水分离再热疏水液位测量的可靠性,保障了机组运行安全。该研究对推动導波雷達液位計在蒸汽系统中应用提供有力支持,对导波雷达这种新型液位计未来在更多测量环境中的应用起到了积极作用。

 
 
引言
        導波雷達液位計作为一种新兴的液位测量仪表,克服了传统仪表的不足,在核电厂的应用逐渐增多。但智能雷達液位計在高温高压蒸汽系统使用时,还存在一些不足,导致系统液位测量失真[1]。汽水分离再热系统是核电厂汽轮机的重要辅助系统,主要应用于汽轮机运行期间,通过控制进入二级再热管束的蒸汽量,对高压缸排气进行除湿和再热,使进入低压缸的蒸汽有一定的过热度。其应用改善了汽轮机低压缸的工作条件,提高了汽轮机的相对内效率,减少了湿蒸汽对汽轮机零部件的刷蚀。在福清 1 ~ 4 号机组调试及运行期间,汽水分离再热系统二级疏水箱液位计多次出现故障,如液位计探杆泄漏、测量失效等。针对二级疏水箱液位计问题,采用新型测量方案,对汽水分析再热系统二级疏水液位测量作优化改进。
 
1 導波雷達物位計測量原理及特點
( 1) 導波雷達液位計的工作原理。
         導波雷達液位計基于电磁波时域反射原理[2],由电磁波发生器发射一个电磁脉冲信号发射到导波体上,以导波体作为信号的传输载体。当遇到被测介质表面时,部分信号被反射形成回波并沿相同路径返回脉冲发射装置。发射装置与被测介质表面的距离同脉冲在其间的传播时间成正比,测量发射与反射脉冲[3]。導波雷達液位計测量原理如图 1 所示。
導波雷達液位計测量原理
 
導波雷達液位計测量原理图
( 2) 導波雷達液位計的测量特点。
①電磁波信號沿導波杆傳輸可消除假回波信號,減少信號丟失。
②整個測量裝置無活動部件,無機械磨損。
③安裝調試方便。
④不受介质 密度变 化 的 影 响 ( 但 是 需 要 单 一 介质) 。
⑤使用與高溫、高壓的物位測量。
 
2 现有设计缺陷导致测量不稳定的原因分析
核电厂二回路液位控制是核电厂重要的控制系统之一,其测量环境需考虑真空、高温、泡沫等多方面因素。传统液位仪表因其固有原理,无法通过自身技术的改进来消除误差。故本文采用了導波雷達液位計[4]。但在机组运行过程中,汽水分离再热系统原有導波雷達液位計导波杆的支撑件会破碎,支撑件碎片会进入到二回路系统中,形成异物,危及机组安全[5]。同时,导波杆内支撑件破碎后,因振动、冲击等因素会导致导波杆触碰到水位测量筒,使液位测量产生跳变,存在汽水分离再热系统二级隔离风险。受制于现场使用条件,汽水分离再热器二级疏水箱内充满饱和蒸汽。蒸汽是极性气体,即蒸汽的介电常数会根据环境的压力、温度而改变。介电常数的变化会影响电磁波的传播速度。波速度公式为
波速度公式
由式( 1) 可见,当介质的介电常数变化,则波速度会随之变化。由于电磁波在不同介质中的传输速度不同,比如在空气中的传输速度比在蒸汽中传输速度大,因此 汽 水 分 离 再 热 系 统 ( gas-liquid seperate system,GSS) 二级疏水箱液位计选用的都是蒸汽型導波雷達液位計[7]。
 
经统计,在功率运行期间,汽水分离再热系统二级液位计共计出现缺陷 91 项。其中,導波雷達液位計漏汽缺陷共计 38 项,二级疏水箱液位计偏差大共计 46项,因仪表故障导致通道测量不可用共计 7 项。
 
根據現場液位計缺陷情況來看,目前汽水分離再熱系統二級液位計主要存在以下故障。
①液位计探杆支撑杆破碎。经分析,原汽水分离再热系统二级液位计所用的高温型導波雷達液位計,其探杆支撑件采用聚醚醚酮( PEEK) [8]高分子合成材料。在运行过程中,该支撑件会逐渐脆化,在系统冲击工况下破裂。处理方式: 在测量系统改进前,机组只能通过每次大修期间,对探杆进行定期更换。
②液位计探杆密封失效。液位计探杆内部密封件采用 PEEK 材料进行隔热,靠近连接部位采用 2 个 O型圈进行密封。O 型圈耐温范围为 150 ℃ 。因汽水分离再热系统二级疏水箱内部温度达 280 ℃ ,探杆隔热材料失效,进而使 O 型圈失效,探杆密封泄漏,测量闪发质量位。处理方式: 目前出现探杆密封失效后,无法进行更换。
 
③液位计冷热态工况,液位测量出现偏差。液位计大修冷态调试时,3 支液位计偏差小于 20 mm。但汽轮机冲转并网后,因系统温度上升,3 支液位计偏差会达到 100 mm。在机组运行时间长后,液位计偏差也会逐渐增加,导致偏差超过 100 mm。处理方式: 目前只能在热态后,对偏差大液位计进行修正。机组功率运行后,每周定期巡检方式,检查液位计偏差,并及时进行修正。
 
3 改进方案
3. 1 導波雷達液位計支撑件改进
原汽水分离再热系统二级導波雷達液位計采用PEEK 支撑件,同时也作为探杆隔热材料。PEEK 是芳香族结晶型热塑性高分子材料。PEEK 玻璃化转变温度为 143 ℃ ,其熔点为 334 ℃ 。这种材料耐抗有机和水环境,具有优良的化学性、热稳定性和抗氧化性。目前,应用汽水分离再热系统二级疏水箱实际运行温度为 280 ℃ ,仪表的设计温度为350 ℃ ,而 PEEK 物理特性耐温只有 250 ℃ ,因此运行时间过长会产生变形或碎裂。
 
为应对導波雷達液位計支撑件破碎及密封失效情况,此次支撑件设计采用 99. 7% 纯度的 Al2 O3 陶瓷材料[8]。该材料具有硬度大、耐磨性能极好、质量轻等特点。其熔点在 2 000 ℃ 以上,具有良好的导热性、绝缘性以及透光性,介电常数为 9. 0 左右,适用于高温蒸汽型導波雷達液位計测量原理。Al2 O3 陶瓷的物理和力学特性如表 1 所示。
 Al2O3 陶瓷的物理和力学特性
改进后探杆内部结构精密。防止蒸汽部分主元件采用氧化铝陶瓷,不会因为温度增高而变形、渗漏。密封元件采用耐高温的石墨密封 Graphite,是目前仪表产品在防止高温蒸汽方面的理想材料。其物理性能远远优于以前使用的 PF128、PEEK、铝矾土等材质,十分稳定可靠。该结构整体密封结合紧密,可杜绝蒸汽进入。
 
3. 2 導波雷達液位計高温补偿改进
原汽水分离再热系统二级導波雷達液位計采用点补偿方式,补偿点到电磁波发射口距离为 125 mm。如果测量点以上或者测量点位置有凝露或者误差,会放大传导到下方实际液位测量。为了更好地说明上述结论,定义系数 K。
K=测量量程 / 蒸汽目标
 
式中:K越大,說明儀表抗蒸汽目標幹擾的性能越差;K越小,水位高過蒸汽目標後,將無蒸汽補償功能,使液位計精度受到影響。
 
改進前後液位計性能如表2所示。
改进前后液位计性能
改进后液位计采用参考段式补偿方式,蒸汽目标距离变长,整个测量段的补偿数据更加精确有效,不会因为某个点位的凝结等传导误差。改进后導波雷達液位計探杆密封结构如图2所示。
改进后液位计探杆密封结构图
改進後液位計探杆蒸汽補償測量原理圖如圖3所示
改进后液位计测量原理图
 
3.3福清核电導波雷達液位計整体改造技术方案
原二級疏水箱采用頂裝磁性浮子液位計顶部直插式安装。此次技术改造方案,不仅对原導波雷達液位計进行换型技术改进,还需对導波雷達液位計进行外移变更[9]。在汽水分离再热系统二级疏水箱外部靠近水侧取压口处,安装3个测量筒,用于導波雷達液位計的安装以及液位测量。每个测量筒的汽侧取压口仍选用原導波雷達液位計接口,而水侧取压口引用原水汽取样口、磁翻板液位計取压口。汽水分离再热系统二级疏水液位计改造整体方案如图4所示。
液位计改造整体方案
(1)外移管道布置要求。由于疏水箱热膨胀会产生热位移及热应力,施工单位布置管道时需考虑热补偿。同时,应保证導波雷達液位計上方留有2.5m的空间,以便设备的维护和检修。上部汽侧连接管要注意设置一定坡度,使冷凝水回流至疏水罐内。
(2)焊機技術要求。浮筒組件、閥門、DN25管道連接采用承插焊形式。焊件組對前,應將坡口表面及附近母材(內、外壁)的油、漆、垢、鏽等清理幹淨,直至發出金屬光澤。焊接過程中,應進行逐層檢查,經自檢合格後方可焊接次層焊縫。完成焊接後,按DL/T1118-2009核電廠常規島焊接技術規程進行相應無損檢測。
(3)管道保溫要求。上下部均需要進行保溫,浮筒組件需保溫至法蘭接口處。保溫安裝要求:材料選用矽酸鋁纖維繩,厚度70mm;保護層材料選用鋁皮,厚度0.5mm。
(4)隔離閥選型要求。爲保證上下流通管線具備足夠的流通能力,考慮到二級疏水箱擴孔現場不具備實施條件,在此基礎上隔離閥需選用DN25全通徑閥門。
(5)敷設電纜要求。爲減少敷設電纜的工作量,此次技術改造不再重新敷設到DCS的電纜。因原DCS電纜長度不夠,此次技術改造增加BC轉接箱。轉接箱位置布置在便于檢修位置。
 
3.4改造後效果
福清核电相关導波雷達液位計改造后,汽水分离再热系统二级疏水箱液位计测量稳定性大大提高。改造后,在机组启动升功率阶段(原液位计频繁闪发质量为及液位计漂移缺陷),液位测量稳定,偏差在30mm以内,未出现漂移情况。改进前后机组功率升至相同平台液位计测量趋势如图5所示。
改进前后液位计测量趋势
4、結束語
       通过对福清核电汽水分离再热系统导波雷达水液位测量设计优化与改进,解决了原系统液位测量频发泄漏、失效,使液位测量可靠性得到大幅提升。该方案能解决核电厂高温型液位测量问题,对于新型测量方式推进有着重要意义。
 
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