本文引言
差壓液位變送器是一種在工業(yè)生產(chǎn)測量領(lǐng)域中常見的液位測量儀表，利用的是差壓變送器對于壓力差所進行的間接式測量，差壓變送器應(yīng)用于液位測量中就稱為差壓液位變送器，比如單法蘭液位變送器和雙法蘭液位變送器。差壓變送器應(yīng)用于流量測量過程中就被稱為差壓式流量計，比如孔板流量計和v錐流量計等截流式流量測量儀表。本文是針對于核電站生產(chǎn)中的差壓液位變送器的使用情況所作的介紹，在生產(chǎn)過程中差壓液位變器易出現(xiàn)的常見故障現(xiàn)象所作的分析。
首先介紹了差壓液位變送器的測量原理，以及差壓變送器測量過程中的遷移情況，對照于核電站中差壓變送器在測量中產(chǎn)生信號顯示不正常的現(xiàn)象提出分析結(jié)論，找出造成故障的原因，并提出了相應(yīng)的解決方案。方案的實施對于解決差壓液位變送器故障的*解決提供了有力的保障，為核電站的安全穩(wěn)定運行提供了有力保障。
撰文背景
秦山三廠重水堆核電站采用加拿大坎杜6重水堆核電技術(shù)，電站自運營以來產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。核電站是一個龐大的系統(tǒng)，為了保證反應(yīng)堆能夠安全、穩(wěn)定地運行，需要保證各個系統(tǒng)都按照設(shè)定的要求工作，這就要通過各種探測器來收集各種信號，把這些信號送到主控室進行控制， 1153 系列的非智能核級差壓變送器就是秦山三廠核島系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛、重要的信號探測器之一。差壓液位變送器由于其性能穩(wěn)定、精度高、性能價格比高等特點，故在秦山三廠核島各系統(tǒng)需要檢測液位場合中，使用非常廣泛。目前差壓液位變送器工藝成熟、技術(shù)*，并由原來的非智能性現(xiàn)已逐漸向智能型發(fā)展，但目前考慮到核島系統(tǒng)*的抗輻射性、抗振性等要求，智能型核級變送器還沒有在核島系統(tǒng)廣泛使用。
一個核電廠變送器測量信號的的失效可導(dǎo)致邊界閥門的開關(guān)失效從而會給核電廠帶來嚴(yán)重的安全事故和經(jīng)濟損失。為保證電廠的安全停堆，在緊急情況下一些電動閥門必須開啟，另一些必須關(guān)閉來保證系統(tǒng)隔斷或防止放射性物質(zhì)外泄，因此首先要保證變送器測量信號的準(zhǔn)確性進而保證這些閥門的可用性［1］。本研究通過對秦山三廠核島系統(tǒng)差壓液位變送器測量易出現(xiàn)的故障進行分析并給出解決方案，從而保證變送器測量信號的準(zhǔn)確性，進而為核反應(yīng)堆和核電廠安全經(jīng)濟穩(wěn)定運行提供有力保障。
１ 差壓液位變送器的工作原理
壓差檢測中通常是采用彈性式壓差儀表，要對壓力和壓差信號進行遠距離傳遞的好、有效的方法是采用電變送的方法，電變送方法就是通過電氣位移變換器將壓力和壓差產(chǎn)生的彈性元件的機械位移量轉(zhuǎn)換成某種電氣量，然后加以傳送，秦山三廠采用的電容式壓差變送器。電容式壓差變送器由感測部分和測量電路兩部分組成，電容器的電容量由其兩個極板的大小、形狀、相對位置以及極板之間的電介質(zhì)的介電系數(shù)所決定。若一個極板固定不動，而另一個極板隨壓差而變化其位置，電容器的電容量隨著壓差的變化而變化，通過測量電路將電容量的變化轉(zhuǎn)換成電流或電壓輸出信號，送至有關(guān)單元實現(xiàn)顯示和控制［2］。為了提高電容式壓差傳感器的靈敏度和改善其輸出特性，實際采用的常是差動的形式，也就是將可動極板放置于兩塊固定極之間，當(dāng)壓差變化時，一個電容的電量增大而另一個電容的電容量則減小，因此其靈敏度可提高一倍而非線性又可大大降低。電容式壓差變送器的測量電路如圖 1 所示，變送器的輸出可以轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等信號，然后放大。圖 1（a）的交流電橋法是將兩個電容器接于交流電橋的兩個相鄰臂上，交流電橋的輸出經(jīng)放大與相敏檢波后進行測量［3］。圖1（b）的雙t網(wǎng)絡(luò)法壓差引起的電容變化轉(zhuǎn)換成電壓變化輸出。在交流電源正半周時，通過二極管 d1對電流器 c1進行充電，在負(fù)半周時，電容器 c1經(jīng)電阻 r1與 r3進行對地放電；而電容器c2則在電源的負(fù)半周充電、正半周對 r3與 r2反向放電。因此 r3上兩端的電壓輸出是由 c1與 c2的平均放電電流之差所決定的。當(dāng)壓差為零時，c1、d1、r1與c2、d2、r2的參數(shù)相同，則通過 r3的平均放電電流之差為零。當(dāng)壓差不等于零時，差動電容c1與c2一個增大一個減小，使兩者的平均放電電流不相等，因此 r3兩端的電壓輸出也就有了相應(yīng)的變化。
2.1 變送器的無遷移
當(dāng)差壓液位變送器安裝在敞口容器上測量液位時，正壓側(cè)與容器低部（液位基準(zhǔn)面）取壓點在同一水平高度時；或差壓液位變送器的負(fù)壓側(cè)采用“干腿”系統(tǒng)，同時正壓側(cè)與容器低部（液位基準(zhǔn)面）取壓點在同一水平高度時，變送器的零點一般不需遷移［5］。變送器得到的差壓就是 p = ρg h ，差壓液位變送器的標(biāo)定范圍為 0~ρg hmax（單位為k pa）。變送器的差壓與液位高度成正比關(guān)系，液位為零時變送器的壓差也為零。液位達到滿量程時，變送器的壓差也達到滿量程。
2.2 變送器的正遷移
秦山三廠的核島系統(tǒng)的液位變送器較多的安裝在容器小液位面的下部幾米處。當(dāng)變送器的負(fù)壓側(cè)采用“干腿”系統(tǒng)或直接對空時，需要對差壓液位變送器的零點進行正遷移。此時作用在變送器的壓差為：δp = ρ1h1g + ρg h （1）式中:h1—變送器正側(cè)至小液位面的距離；h—被測容器液體高度；ρ ，ρ1—被測液體的密度、取壓管線里液體的密度。當(dāng)h=0時，δp = ρ1h1g > 0 ，對于無遷移的變送器，此時輸出為高于下限值4 m a；當(dāng)容器液位達到滿量程即h為上*，變送器的輸出高于20 m a。為了維持變送器在h為0時輸出4 m a，h為上*儀表輸出20 m a，需要同時增大變送器出入的上、下限。下限為 ρ1h1g（單位為k pa），上限 (ρ1h1g + ρg h max)（單位為k pa），變送器的標(biāo)定范圍為 [ρ1h1g -(ρ1h1g + ρg h max)]（單位為k pa）。
2.3 變送器的負(fù)遷移
秦山三廠的核島系統(tǒng)的液位變送器較多的采用“濕腿”系統(tǒng)測量液位，正壓側(cè)取壓管接至容器的小液位面處，負(fù)壓側(cè)取壓管接至容器的頂部并沖滿液體，變送器安裝在設(shè)備小液位面的下部幾米處，這樣的安裝和測量方式需要對差壓液位變送器的零點進行負(fù)遷移。此時正負(fù)壓側(cè)的壓力分別為［6］：ìíîp正= ρ1h1g + ρg h + pg+ ρ2h3gp負(fù)= ρ1h2g + pg（2）變送器的壓差為：δp = p正- p負(fù)= ρ2h3g + ρg h - ρ1g(h2- h1) （3）式中：ρ ，ρ1，ρ2—被測液體的密度、取壓管線里液體的密度和容器頂部氣（汽）相的密度；h1，h2—變送器正負(fù)壓側(cè)到容器的小液位面處和容器頂部的高度；h，h3—容器液體高度和容器頂部氣（汽）相的高度，pg—容器中氣相（汽相）的壓力。從 變 送 器 計 算 公 式 可 看 出 ，當(dāng) h=0 時δp = ρ2g(h3+ hmax)- ρ1g(h2- h1)，由于 ρ2遠小于 ρ1，h2＞h1，所以δp < 0，對于無遷移變送器的輸出低于其下限值4 m a，而且在實際工作中，往往ρ1> ρ ，h3一般也不為零，所以即使h為上限值，變送器的輸出仍會低于其下限值4 m a，這樣變送器就無法正常工作。因此要在變送器上調(diào)整遷移量，即在維持原來量程不變的條件下，同時減少變送器的輸入的上、下限，使變送器的輸出與液位成比例關(guān)系［7］。下限為：[ρ2g(h3+ hmax)- ρ1g(h2- h1)]（單位為k pa）；上限為: [ρg hmax+ ρ3h3g - ρ1g(h2- h1)]（單位為k pa）；變送器的標(biāo)定范圍為：[ρ2g(h3+ hmax)- ρ1g(h2- h1)]-[ρg hmax+ ρ3h3g - ρ1g(h2- h1)]（單位為k pa）。
３ 秦山三廠差壓液位變送器的常見故障分析和處理方法
差壓液位變送器的故障種類很多，秦山三廠的核島系統(tǒng)中差壓式變送器均采用rosemount1152，1153型變送器性能比較穩(wěn)定，很少出現(xiàn)變送器本身故障現(xiàn)象，主要是取壓管線產(chǎn)生的問題較多，這里主要介紹秦山三廠的核島系統(tǒng)中的液位變送器測量中常見故障和處理方法。
3.1液位變送器指示偏高
秦山三廠核島的液位變送器指示偏高問題主要出現(xiàn)在采用濕腿方式測量的液位變送器上，由于變器的負(fù)壓側(cè)取壓管安裝在被測容器的頂部，并且取壓關(guān)充滿液體，而一般情況下容器的實際液位均與容器頂部有一定的距離，頂部為氣（汽）體。在剛完成變送器反沖水時，變送器的負(fù)壓側(cè)充滿液體，負(fù)壓側(cè)產(chǎn)生的靜壓為設(shè)計壓力，液位變送器測量準(zhǔn)確。但由于運行工況的變化（如容器壓力突然下降，甚至產(chǎn)生負(fù)壓）導(dǎo)致負(fù)壓側(cè)取樣管內(nèi)的液體少量被吸走或由于取壓口附近環(huán)境溫度的升高導(dǎo)致負(fù)壓側(cè)取樣管內(nèi)的液體少量蒸發(fā)等原因，導(dǎo)致負(fù)壓側(cè)產(chǎn)生的靜壓低于設(shè)計壓力，使液位變送器的差壓升高導(dǎo)致指示偏高。出現(xiàn)這類問題后，首先要對負(fù)壓側(cè)進行反沖水，保證變送器的負(fù)壓側(cè)滿水［8］。再采用在液位變送器的負(fù)壓側(cè)取壓管引一根補水管，通過維持微小的負(fù)壓側(cè)補水流量保證液位變送器的負(fù)壓側(cè)不跑水來*解決該問題。
3.2 液位變送器指示偏低或穩(wěn)定緩慢
該現(xiàn)象主要出現(xiàn)在液位變送器采用“干腿”方式測量，變送器的負(fù)壓側(cè)取壓管安裝在被測容器的頂部且為氣體。在機組長時間運行后，由于個別液位變送器的負(fù)壓側(cè)取壓管氣相濕度較高，使液位變送器的負(fù)壓側(cè)有小量的凝結(jié)水，導(dǎo)致負(fù)壓側(cè)的壓力升高，使變送器的壓差減少，液位指示偏低［9］。個別變送器的低壓側(cè)取壓管線布置不合理，管線在布置過程中產(chǎn)生 u型管段，當(dāng)變送器的低壓側(cè)的取壓管線有凝結(jié)水時，容易在u型管段產(chǎn)生水封，導(dǎo)致變送器的低壓側(cè)不能及時地反映被測設(shè)備氣相壓力，使液位變送器反映緩慢或指示失效。通過打開變送器的低壓側(cè)的疏水閥對低壓側(cè)進行疏水來恢復(fù)變送器的正常指示，當(dāng)液位變送器的低壓側(cè)的取壓管線有u型管段產(chǎn)生水封時，通過對其取壓管線反沖氣并修改其管線的布置位置［10］消除u型管段就可以使差壓液位變送器指示正常。
3.3 差壓液位變送器指示波動較大
差壓式液位變送的標(biāo)定量程一般比較小，從幾個千帕到十幾個千帕，一般不超過一百千帕，液位變送器的取壓管線沖滿液體。但由于變送器需要定期拆下標(biāo)定，在完成變送器的標(biāo)定回裝時，稍有疏忽導(dǎo)致變送器的取壓管或變送器的腔室內(nèi)有少量氣泡，由于氣體的壓縮性強、穩(wěn)定性差，容易造成液位變送器指示波動較大。一般在出現(xiàn)液位變送器指示波動較大問題后，關(guān)閉變送器的取壓隔離閥或拆下變送器先確認(rèn)變送器本身是否存在波動。如變送器本身沒有波動現(xiàn)象，則對變送器的腔室和取壓管線進行反沖水［11］（由于 candu-6 型核電站的特點，不能直接放水，同時放水容易造成取壓管線堵塞），保證變送器的腔室和取壓管線的水沒有氣泡就可以消除缺陷。
4結(jié)束語 差壓液位變送器被廣泛應(yīng)用于秦山三廠核島系統(tǒng)中，經(jīng)過多年的運行表明差壓式液位測量變送器測量方式具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、便于操作維護、工作可靠、對被測容器破壞少等特點，有效地保證了測量信號的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，在秦山三廠從沒有因變送器信號失效而發(fā)生安全事故，為核電站安全穩(wěn)定運行提供了有力的保障。