超聲波液位計在壓水堆核電廠中的應用

上海上儀股份公司介紹了超聲波液位計在某壓水堆核電廠放射性廢液系統(tǒng)、放射性固體廢物中的應用?；诔暡ㄒ何挥嫷臏y量原理，依據(jù)工程現(xiàn)場實際發(fā)生的具有代表性異常事件，分析了影響超聲波液位測量的主要因素，并提出了相應的解決措施，對壓水堆核電廠放射性廢液、放射性固體廢物超聲波液位計的設計、選型、安裝具有一定的參考意義。

1 超聲波液位計原理

通過液位計探頭振動，發(fā)出脈沖波，遇被測水面被反射，折回的反射回波被同一探頭接收，測出波返回的時間，即可探測出液位高度。超聲波液位計在工程領域具有廣泛的應用，在某壓水堆核電廠放射性廢液系統(tǒng)和放射性固體廢物系統(tǒng)中就大量選用了該類型的液位計，其中放射性廢液系統(tǒng)用來收集核電廠啟動及運行期間產生的放射性液體廢物，收集罐體上均安裝了超聲波液位計，罐體分別為安全殼地坑，化學廢液箱液位計，RCDT（反應堆冷卻劑疏水箱），真空脫氣塔的分離器，廢液監(jiān)測箱液位計，廢液暫存箱 ；放射性固體廢物主要應用于廢樹脂儲存罐液位監(jiān)測。在這些液位計投運期間，發(fā)生了多起液位計跳變及測量不準現(xiàn)象，造成的泵誤啟動，泵跳閘，樹脂罐體溢流等異常事件，本文將對這些事件進行分類闡述。

2 超聲波液位計測量過程中缺陷及影響因素

2.1 安裝位置對測量影響

放射性廢液系統(tǒng)的14臺SCCS型超聲波液位計中，有11臺在完成單體調試后，實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，罐體中無水，液位計顯示滿水，或者液位計顯示壞點，罐體注排水過程中會有偶發(fā)性液位跳變，放射性固體廢物系統(tǒng)中有2臺也出現(xiàn)相同缺陷。超聲波液位計在發(fā)出超聲波后，單邊波距離中心有約12℃的發(fā)散角度。從工程應用角度，這就要求超聲波液位計探頭能夠深入到所測罐體中 ；若沒有深入罐體內部，而是安裝到罐頂?shù)囊何挥嫻茏欤瑒t要求這個管嘴直徑比探頭直徑越粗越好，管嘴長度越短越好，這樣可以避免波打到罐體壁面，或者探頭受到擠壓，造成探頭振動受阻。在熱試過程中，這些液位計均發(fā)生了不同程度的測量偏差及跳變現(xiàn)象，原因是與這些罐體相連的隔膜泵啟動后，罐體有不同程度的振動現(xiàn)象，導致探頭再次傾斜或者與管嘴內壁相碰。

化學廢液監(jiān)測箱液位計，也出現(xiàn)上述缺陷，雖然與上述液位計均是同一數(shù)據(jù)表，但是這三臺液位計選用了另一廠家的液位計。該廠家文件中有明確說明，探頭至少應該深入罐體10cm，現(xiàn)場將罐頂長管嘴截短，將探頭深入到罐體內部，由于液位計探頭尺寸僅有1.97英寸，深入罐體時未與切割后的管嘴接觸，改變安裝方式后，液位計運行穩(wěn)定。在壓水堆核電廠其他大型罐體，如硼酸儲存箱、設備冷卻水波動箱也裝有超聲波液位計，均沒有存在上述安裝問題，測量監(jiān)視結果一直較為穩(wěn)定。液位計探頭振動受阻和超聲波打到了管嘴壁面，是造成這些常溫常壓工作環(huán)境下的液位計失準的直接原因。

2.2 蒸汽對測量影響

異常情況描述 ：穩(wěn)壓器窄量程液位 37.5%，液相溫度226.9℃，汽相溫度221.9℃，壓力2.36MPa，在此工況下，操作員執(zhí)行了穩(wěn)壓器向放射性廢液系統(tǒng)向 RCDT 排氣操作，在這過程中 RCDT 至放射性氣體廢物系統(tǒng)閥門保持開啟，RCDT壓力在0~0.04MPa（G）。穩(wěn)壓器共排氣兩次。排氣后，RCDT液位計異常波動，且顯示為滿量程。從穩(wěn)壓器至 RCDT 排氣時，閥門打開瞬間即發(fā)現(xiàn) RCDT壓力上漲，說明雖然管線較長，但用時較短，可以認為排氣過程是絕熱過程。查詢水和蒸汽性質表，根據(jù)等熵過程計算得出，排向 RCDT 介質對應的溫度在99~109℃，介質處于濕蒸汽區(qū)，由于沿線閥門的節(jié)流作用，實際過程會產生不可逆熵增，實際排至 RCDT 的介質溫度高于99~109℃，含蒸汽量更多（蒸汽干度更大）。蒸汽將影響波的傳播速度，并且蒸汽會在探頭上結露，造成測量發(fā)出去的波瞬間返回。

2.3 壓力波動對測量影響

異常工況描述 ：執(zhí)行安注箱降壓排氣，從安注箱排氮氣至 RCDT，再排向放射性氣體廢物系統(tǒng)側，在整個排氣過程中，RCDT 壓力由0波動至70kPa，RCDT 液位計在壓力剛剛升高時，劇烈波動，在壓力升高期間，液位也在波動，在執(zhí)行完成安注箱排氣操作后，RCDT 壓力恢復正常值，液位計也穩(wěn)定到之前顯示值。工況分析 ：RCDT 正常運行時，低液位至罐頂?shù)臍饪臻g僅有2.4m3，氮氣排入流量，設計文件并未做限制，壓力變化屬正常設計工況。

基于超聲波傳播與介質密度有關的原理，排氣瞬間造成了 RCDT 上部氮氣密度驟增影響了波的傳播速度，同時排氣的初始階段液位出現(xiàn)劇烈跳動，是由于排氣瞬間，RCDT 氣體密度不均勻，超聲波出現(xiàn)折射，造成液體計出現(xiàn)失波現(xiàn)象。

3 結論

1）超聲波液位計探頭安裝時需要深入罐體內部，且不與罐體直接接觸。若安裝到管嘴，管嘴越短、越粗，液位計測量越精準。

2）超聲波液位計不能用于存在蒸汽相的罐體液位測量中。設計和采購選型時應當對罐體的運行工況有全面的了解，對于存在蒸汽相的罐體液位計可用選雷達式液位計。

3）上海上儀股份公司壓力對超聲波液位計測量的非常主要影響是造成失波，引起液位跳動，這一點可以通過在數(shù)據(jù)處理端加入濾波來屏蔽，避免液位波動。