摘要：介紹秦山第三核電廠（簡稱秦三廠）重水堆機(jī)組71700放射性排水系統(tǒng)用浮球液位開關(guān)的改造過程，包括故障分析、設(shè)備選型、安裝使用，為其他電廠同類問題解決提供借鑒。

1 背景

    系統(tǒng)71700承擔(dān)著反應(yīng)堆廠房內(nèi)各系統(tǒng)正常疏水、異常泄漏放射性水的收集、處理和排放功能。各類水先匯集到相應(yīng)區(qū)域的地坑，到達(dá)一定量后坑內(nèi)的液位開關(guān)動作啟動疏水泵將水排出。71700系統(tǒng)使用的是 FQ* 型浮球液位開關(guān)，靠自身重力懸掛于地坑壁附近，一個開關(guān)對應(yīng)一個液位控制點，當(dāng)水位上升到該高度，開關(guān)浮起翻轉(zhuǎn)，里面的觸點動作。單個地坑zui多有低 / 低、低、高、高 / 高、超高液位控制 / 報警五個浮球，吊放于不同高度。因71700系統(tǒng)地坑收集的水質(zhì)較臟，浮球開關(guān)工作環(huán)境惡劣，故障率高。據(jù)不完全統(tǒng)計，2000~2007年間，秦三廠兩臺機(jī)組71700系統(tǒng)共發(fā)生因浮球開關(guān)故障引起的缺陷132次，廠房和設(shè)備被水淹33次，更換浮球105個。

    浮球開關(guān)故障原因有 ：球體與導(dǎo)線結(jié)合處密封不好，球體進(jìn)水，導(dǎo)致內(nèi)部開關(guān)機(jī)構(gòu)浸泡、污損 ；不同高度液位開關(guān)導(dǎo)線相互纏繞，球體無法翻轉(zhuǎn) ；球體被導(dǎo)線與地坑壁夾住無法翻轉(zhuǎn) ；球體內(nèi)開關(guān)機(jī)構(gòu)失效，無法觸發(fā)或復(fù)位 ；開關(guān)接線盒位于地面上，內(nèi)部端子易銹蝕，導(dǎo)致開關(guān)虛假信號。FQ300型浮球液位開關(guān)可靠性低，影響了71700系統(tǒng)功能，須進(jìn)行改造。

2 方案選擇

2.1 靜壓式液位計

    工作原理見圖1。靜壓式也稱為投入式，將測量元件放入容器底部，介質(zhì)產(chǎn)生的靜壓造成測量元件內(nèi)的電容變化，電容值傳輸?shù)街鳈C(jī)（變送器），被轉(zhuǎn)換為4-20mA、0-5Vdc 等輸出信號。

    可行性分析。靜壓式液計安裝方便，不受安裝空間大小影響，但由于測量元件長期埋在底部，對其密封性和耐腐蝕性要求高，且測量膜片要保持清潔，如果被泥沙掩埋則無法正確測量靜壓。71700系統(tǒng)大部分地坑水中含有放射性或酸堿性泥沙淤積，測量元件易被掩埋 ；同時在地坑進(jìn)水和排水過程中測量元件在水中搖晃，會導(dǎo)致連接纜磨損或者膜片碎裂。

    結(jié)論 ：靜壓式液位計適合較干凈、整體較平穩(wěn)的介質(zhì)液位測量，不適合71700系統(tǒng)使用。

2.2 超聲波液位計

    工作原理見圖2。非接觸式，探頭從被測介質(zhì)頂部發(fā)射超聲波脈沖（35~70kHz），達(dá)到被測介質(zhì)表面后被反射回來，探頭予以接收。超聲波脈沖傳播速度一定，從發(fā)射到接收回波時間與探頭到被測介質(zhì)表面的距離成正比，經(jīng)處理后液位計輸出相應(yīng)電信號。

    可行性分析。超聲波液位計采用非接觸式測量，安裝 / 調(diào)試簡單、維修方便，但聲波是以一定波束角發(fā)射，傳導(dǎo)發(fā)射區(qū)域內(nèi)需沒有障礙。71700系統(tǒng)地坑中有金屬格柵板、排水管、潛水泵及線纜，且地坑邊 / 徑通常不大，地坑壁的回波會干擾正常的測量。超聲波探頭還有一共性不足 ：當(dāng)氣溫、濕度變化時，水汽會在探頭表面凝結(jié)，造成聲波無法正常發(fā)射、接收而影響測量。

    結(jié)論 ：超聲波液位計適用于敞口池、水處理等液位測量，不適合71700系統(tǒng)使用。

2.3 導(dǎo)波雷達(dá)液位計

    工作原理見圖3。探頭發(fā)射的電磁脈沖以光速沿鋼纜、棒或包含一根棒的同軸套管傳播，接觸到被測介質(zhì)后，部分脈沖被反射，回波沿原路徑返到發(fā)射探頭。電磁脈沖傳播速度一定，從發(fā)射到接收回波時間與探頭到被測介質(zhì)表面的距離成正比，經(jīng)處理后液位計輸出相應(yīng)電信號。

    可行性分析。導(dǎo)波雷達(dá)液位計具有以下優(yōu)點 ：發(fā)射、測量、傳感元件全都在表頭中，鋼纜只作為天線傳導(dǎo)雷達(dá)波，不存在如靜壓式液位計因泥沙掩埋損壞元件、儀表的問題 ；微波沿著鋼纜發(fā)射，絕對精度可以達(dá)到5mm，不會發(fā)生如超聲波液位計由于虛假回波引起測量錯誤 ；鋼纜全部采用不銹鋼316L 材質(zhì)，耐腐蝕 ；電磁波具有良好的穿透性，鋼纜上黏附的泥沙、雜物不影響測量。

    結(jié)論 ：導(dǎo)波雷達(dá)液位計測量原理成熟、適應(yīng)性廣，且可以不帶料調(diào)整，安裝、調(diào)試成本低，適合71700系統(tǒng)使用。

3 儀表選型

    擬選用的導(dǎo)波雷達(dá)液位計須滿足現(xiàn)場控制需要，同時工作電源、安裝方式應(yīng)就地取材，盡可能不改變原有設(shè)計和布置，具體要求 ：實現(xiàn)五個液位設(shè)定點測量和報警 ；開關(guān)信號直接接入原電路 ；儀表工作電源為110Vac ；使用地坑蓋板上原有安裝孔 ；儀表性能維護(hù)方便、可靠性高。經(jīng)對比，zui終選用某品牌智能儀表，由液位測量探頭、信號處理器（帶顯示，輸出低 / 低、低、高、高 / 高液位開關(guān)量）和報警模塊（輸出超高液位報警），安裝示意見圖4。

4 安裝與調(diào)試

4.1 安裝

    探頭 ：安裝于原浮球開關(guān)線纜貫穿孔位置 - 地坑蓋板中央（見圖5），通過法蘭固定。為穩(wěn)定探頭下方的導(dǎo)波鋼纜，將原配吊錘更換為不銹鋼配種盤。頭輸出接線套管均采用不銹鋼密封接頭，提高防水性。探頭工作電源由信號處理器提供，輸出4-20mA電流信號。

    信號處理器 ：就地儀表箱如有空間，則將信號處理器安裝其中 ；若沒有空間，則加裝單獨的儀表箱，進(jìn)出線纜均走保護(hù)套管。110Vac 工作電源取自控制回路，未額外增加。處理器接收探頭的測量信號，輸出的四路開關(guān)信號接入控制回路的相應(yīng)位置。

    報警模塊 ：與信號處理器串聯(lián)安裝在同一儀表箱里（見圖6），將探頭的輸出信號轉(zhuǎn)換為開關(guān)量，送主控室實現(xiàn)超高液位報警功能。

4.2 調(diào)試

    探頭見圖7。探頭安裝在地坑頂端蓋板上，距底部高度 h（已知常數(shù)），通過測量探頭與水面距離 D，換算出積水深度 L=h-D ；s 為滿液位深度，已知常數(shù)；就探頭測量距離 D：當(dāng)0液位時，即 L=0，D（0）=h；當(dāng)滿液位時，即 L=s，D（100%）=h-s。將 D（0）和 D（100%）兩個數(shù)值用 HART 通訊器設(shè)置到探頭中即可，確認(rèn)探頭輸出4～20mA 信號。

    信號處理器帶顯示及四路開關(guān)輸出功能 ：顯示設(shè)置。輸入4～20mA 信號，將顯示設(shè)置為相應(yīng)的地坑液位深度，如0～5米 ；開關(guān)設(shè)置。將原液位報警值折算成相應(yīng)百分比，如30%。

    以上設(shè)置通過處理器上按鍵操作即可。

報警模塊 ：模擬輸入超高報警液位相應(yīng)的電流信號，調(diào)節(jié)設(shè)定值旋鈕。

5 效果評測

    導(dǎo)波雷達(dá)液位計集成化、模塊化程度高，安裝、設(shè)定簡單 ；探頭外殼為不銹鋼，全密封設(shè)計，抗腐蝕、防潮防水，可以在廢水、海水等惡劣水質(zhì)下使用。71700系統(tǒng)浮球液位開關(guān)于2008年完成改造，至今導(dǎo)波雷達(dá)液位計未發(fā)生過因自身問題導(dǎo)致的故障，大大減輕了維修人員工作量和維修材料成本。

    因地坑內(nèi)環(huán)境惡劣，排水泵停電 / 故障或進(jìn)水過多，地坑積水可能會漫到 / 過探頭，探頭被掛上雜質(zhì)，發(fā)生后對探頭進(jìn)行清理即可。另，探頭可連接計算機(jī)，通過組態(tài)軟件檢查反射波曲線，對判斷干擾源提供了有效手段。在日常維護(hù)中，可以用裝有組態(tài)軟件的 PC 機(jī)遠(yuǎn)程觀察反射波曲線圖，定期檢查反射波是否存在被干擾的現(xiàn)象。如果存在，檢查探頭安裝位置附近是否有金屬物或固體雜質(zhì)?；谠O(shè)備可靠性高、免維護(hù)等特點，導(dǎo)波雷達(dá)液位計在方家山、三門、大亞灣等核電機(jī)組中都有較廣泛應(yīng)用。