導波雷達液位計在福清核電的應用及改進

液位測量是核電站自動控制系統(tǒng)中的重要組成部分。上海自動化儀表導波雷達液位計基于電磁波時域反射( TDＲ) 原理，具有受環(huán)境影響小、測量精度高等特點。導波雷達液位計作為一種新型的液位測量手段，已經(jīng)在核電領域有了廣泛的應用，但是在其應用過程中也遇到了一定的問題。針對福清核電汽水分離再熱系統(tǒng)疏水箱液位計頻繁出現(xiàn)的支撐件破碎、密封失效以及蒸汽補償漂移等問題，進行了原因分析并給出了解決措施。通過對導波雷達液位計的改造，使得導波雷達液位計在核電高溫蒸汽系統(tǒng)中得到了應用，提高了汽水分離再熱疏水液位測量的可靠性，保障了機組運行安全。該研究對推動導波雷達液位計在蒸汽系統(tǒng)中應用提供有力支持，對導波雷達這種新型液位計未來在更多測量環(huán)境中的應用起到了積極作用。

引言

導波雷達液位計作為一種新興的液位測量儀表，克服了傳統(tǒng)儀表的不足，在核電廠的應用逐漸增多。但智能雷達液位計在高溫高壓蒸汽系統(tǒng)使用時，還存在一些不足，導致系統(tǒng)液位測量失真［1］。汽水分離再熱系統(tǒng)是核電廠汽輪機的重要輔助系統(tǒng)，主要應用于汽輪機運行期間，通過控制進入二級再熱管束的蒸汽量，對高壓缸排氣進行除濕和再熱，使進入低壓缸的蒸汽有一定的過熱度。其應用改善了汽輪機低壓缸的工作條件，提高了汽輪機的相對內(nèi)效率，減少了濕蒸汽對汽輪機零部件的刷蝕。在福清 1 ～ 4 號機組調(diào)試及運行期間，汽水分離再熱系統(tǒng)二級疏水箱液位計多次出現(xiàn)故障，如液位計探桿泄漏、測量失效等。針對二級疏水箱液位計問題，采用新型測量方案，對汽水分析再熱系統(tǒng)二級疏水液位測量作優(yōu)化改進。

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電磁波時域反射原理［2］，由電磁波發(fā)生器發(fā)射一個電磁脈沖信號發(fā)射到導波體上，以導波體作為信號的傳輸載體。當遇到被測介質(zhì)表面時，部分信號被反射形成回波并沿相同路徑返回脈沖發(fā)射裝置。發(fā)射裝置與被測介質(zhì)表面的距離同脈沖在其間的傳播時間成正比，測量發(fā)射與反射脈沖［3］。

導波雷達液位計測量原理圖

( 2) 導波雷達液位計的測量特點。

①電磁波信號沿導波桿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(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、高壓的物位測量。

2 現(xiàn)有設計缺陷導致測量不穩(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，無法通過自身技術的改進來消除誤差。故本文采用了導波雷達液位計［4］。但在機組運行過程中，汽水分離再熱系統(tǒng)原有導波雷達液位計導波桿的支撐件會破碎，支撐件碎片會進入到二回路系統(tǒng)中，形成異物，危及機組安全［5］。同時，導波桿內(nèi)支撐件破碎后，因振動、沖擊等因素會導致導波桿觸碰到水位測量筒，使液位測量產(chǎn)生跳變，存在汽水分離再熱系統(tǒng)二級隔離風險。受制于現(xiàn)場使用條件，汽水分離再熱器二級疏水箱內(nèi)充滿飽和蒸汽。蒸汽是極性氣體，即蒸汽的介電常數(shù)會根據(jù)環(huán)境的壓力、溫度而改變。介電常數(shù)的變化會影響電磁波的傳播速度。波速度公式為由式( 1) 可見，當介質(zhì)的介電常數(shù)變化，則波速度會隨之變化。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) 二級疏水箱液位計選用的都是蒸汽型導波雷達液位計［7］。

經(jīng)統(tǒng)計，在功率運行期間，汽水分離再熱系統(tǒng)二級液位計共計出現(xiàn)缺陷 91 項。其中，導波雷達液位計漏汽缺陷共計 38項，二級疏水箱液位計偏差大共計 46項，因儀表故障導致通道測量不可用共計 7 項。

根據(jù)現(xiàn)場液位計缺陷情況來看，目前汽水分離再熱系統(tǒng)二級液位計主要存在以下故障。

①液位計探桿支撐桿破碎。經(jīng)分析，原汽水分離再熱系統(tǒng)二級液位計所用的高溫型導波雷達液位計，其探桿支撐件采用聚醚醚酮( PEEK) ［8］高分子合成材料。在運行過程中，該支撐件會逐漸脆化，在系統(tǒng)沖擊工況下破裂。處理方式: 在測量系統(tǒng)改進前，機組只能通過每次大修期間，對探桿進行定期更換。

②液位計探桿密封失效。液位計探桿內(nèi)部密封件采用 PEEK 材料進行隔熱，靠近連接部位采用 2 個 O型圈進行密封。O 型圈耐溫范圍為 150 ℃ 。因汽水分離再熱系統(tǒng)二級疏水箱內(nèi)部溫度達 280 ℃ ，探桿隔熱材料失效，進而使 O 型圈失效，探桿密封泄漏，測量閃發(fā)質(zhì)量位。處理方式: 目前出現(xiàn)探桿密封失效后，無法進行更換。

③液位計冷熱態(tài)工況，液位測量出現(xiàn)偏差。液位計大修冷態(tài)調(diào)試時，3 支液位計偏差小于 20 mm。但汽輪機沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)后，因系統(tǒng)溫度上升，3 支液位計偏差會達到 100 mm。在機組運行時間長后，液位計偏差也會逐漸增加，導致偏差超過 100mm。處理方式: 目前只能在熱態(tài)后，對偏差大液位計進行修正。機組功率運行后，每周定期巡檢方式，檢查液位計偏差，并及時進行修正。

3 改進方案

3． 1 導波雷達液位計支撐件改進

原汽水分離再熱系統(tǒng)二級導波雷達液位計采用PEEK 支撐件，同時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 ℃ ，其熔點為 334 ℃ 。這種材料耐抗有機和水環(huán)境，具有優(yōu)良的化學性、熱穩(wěn)定性和抗氧化性。目前，應用汽水分離再熱系統(tǒng)二級疏水箱實際運行溫度為 280 ℃ ，儀表的設計溫度為350 ℃ ，而 PEEK 物理特性耐溫只有 250 ℃ ，因此運行時間過長會產(chǎn)生變形或碎裂。為應對導波雷達液位計支撐件破碎及密封失效情況，此次支撐件設計采用 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。其熔點在 2 000 ℃ 以上，具有良好的導熱性、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波雷達液位計測量原理。

改進后探桿內(nèi)部結(jié)構精密。防止蒸汽部分主元件采用氧化鋁陶瓷，不會因為溫度增高而變形、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。其物理性能遠遠優(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)構整體密封結(jié)合緊密，可杜絕蒸汽進入。

3． 2 導波雷達液位計高溫補償改進

原汽水分離再熱系統(tǒng)二級導波雷達液位計采用點補償方式，補償點到電磁波發(fā)射口距離為 125 mm。如果測量點以上或者測量點位置有凝露或者誤差，會放大傳導到下方實際液位測量。為了更好地說明上述結(jié)論，定義系數(shù) K。K=測量量程 / 蒸汽目標式中:K越大，說明儀表抗蒸汽目標干擾的性能越差;K越小，水位高過蒸汽目標后，將無蒸汽補償功能，使液位計精度受到影響。

改進前后液位計性能如表2所示。

改進后液位計采用參考段式補償方式，蒸汽目標距離變長，整個測量段的補償數(shù)據(jù)更加精確有效，不會因為某個點位的凝結(jié)等傳導誤差。改進后導波雷達液位計探桿密封結(jié)構如圖2所示。

3．3福清核電導波雷達液位計整體改造技術方案

原二級疏水箱采用頂裝磁性浮子液位計頂部直插式安裝。此次技術改造方案，不僅對原導波雷達液位計進行換型技術改進，還需對導波雷達液位計進行外移變更［9］。在汽水分離再熱系統(tǒng)二級疏水箱外部靠近水側(cè)取壓口處，安裝3個測量筒，用于導波雷達液位計的安裝以及液位測量。每個測量筒的汽側(cè)取壓口仍選用原導波雷達液位計接口，而水側(cè)取壓口引用原水汽取樣口、磁翻板液位計取壓口。汽水分離再熱系統(tǒng)二級疏水液位計改造整體方案如圖4所示。

(1)外移管道布置要求。由于疏水箱熱膨脹會產(chǎn)生熱位移及熱應力，施工單位布置管道時需考慮熱補償。同時，應保證導波雷達液位計上方留有2．5m的空間，以便設備的維護和檢修。上部汽側(cè)連接管要注意設置一定坡度，使冷凝水回流至疏水罐內(nèi)。

(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(nèi)、外壁)的油、漆、垢、銹等清理干凈，直至發(fā)出金屬光澤。焊接過程中，應進行逐層檢查，經(jīng)自檢合格后方可焊接次層焊縫。完成焊接后，按DL/T1118-2009核電廠常規(guī)島焊接技術規(guī)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:材料選用硅酸鋁纖維繩，厚度70mm;保護層材料選用鋁皮，厚度0．5mm。

(4)隔離閥選型要求。為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(xiàn)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。為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(zhuǎn)接箱。轉(zhuǎn)接箱位置布置在便于檢修位置。

3．4改造后效果

福清核電相關導波雷達液位計改造后，汽水分離再熱系統(tǒng)二級疏水箱液位計測量穩(wěn)定性大大提高。改造后，在機組啟動升功率階段(原液位計頻繁閃發(fā)質(zhì)量為及液位計漂移缺陷)，液位測量穩(wěn)定，偏差在30mm以內(nèi)，未出現(xiàn)漂移情況。改進前后機組功率升至相同平臺液位計測量趨勢如圖5所示。

4、結(jié)束語

通過對福清核電汽水分離再熱系統(tǒng)導波雷達水液位測量設計優(yōu)化與改進，解決了原系統(tǒng)液位測量頻發(fā)泄漏、失效，使液位測量可靠性得到大幅提升。上海自動化儀表能解決核電廠高溫型液位測量問題，對于新型測量方式推進有著重要意義。