循環(huán)水過濾系統(tǒng)是核電站重要的輔助系統(tǒng)，功能是對(duì)核電站使用的海水進(jìn)行過濾預(yù)處理。過濾后的海水提供給重要廠用水系統(tǒng)和循環(huán)水系統(tǒng)，對(duì)核電站的安全運(yùn)行具有重要的意義。循環(huán)水過濾系統(tǒng)主要由閘門、細(xì)格柵、格柵除污機(jī)、鼓形濾網(wǎng)、濾網(wǎng)沖洗裝置等設(shè)備組成。每個(gè)格柵除污機(jī)和鼓形濾網(wǎng)都設(shè)有液位差計(jì)，用于格柵除污機(jī)和鼓形濾網(wǎng)電機(jī)的自動(dòng)啟停控制和液位報(bào)警。

 

1 系統(tǒng)功能要求

液位差計(jì)由設(shè)備前后液位計(jì)和數(shù)顯儀組成，格柵除污機(jī)和鼓形濾網(wǎng)前后的液位計(jì)在數(shù)顯儀內(nèi)做差值后送控制系統(tǒng)（格柵除污機(jī)液位差計(jì)送PLC，鼓形濾網(wǎng)液位差計(jì)送DCS）。格柵除污機(jī)和鼓形濾網(wǎng)在自動(dòng)控制模式下，聯(lián)鎖液位差信號(hào)自動(dòng)啟停。以華龍一號(hào)核電機(jī)組為例：

（1）格柵除污機(jī)控制要求：當(dāng)液位差值≥0.12m時(shí)，格柵除污機(jī)執(zhí)行自動(dòng)運(yùn)行程序；當(dāng)液位差值≥0.25m水柱時(shí)，發(fā)送報(bào)警信號(hào)至主控室；

（2）鼓形濾網(wǎng)控制要求：當(dāng)液位差值≥0.1m水柱時(shí)，自動(dòng)切換到中速電機(jī)運(yùn)行；當(dāng)液位差值≥0.2m水柱時(shí)，自動(dòng)切換到高速電機(jī)運(yùn)行；當(dāng)液位差值≥0.3m水柱時(shí)，發(fā)送報(bào)警信號(hào)至主控室；當(dāng)液位差計(jì)信號(hào)≥0.8m水柱時(shí)，發(fā)送第二次報(bào)警信號(hào)至主控室，循環(huán)水泵自動(dòng)脫扣。循環(huán)水過濾系統(tǒng)是核安全相關(guān)系統(tǒng)，為增加系統(tǒng)的可靠性，液位差計(jì)采用冗余設(shè)置。

 

2 儀表安裝環(huán)境

格柵除污機(jī)位于進(jìn)水渠道的細(xì)格柵和格柵除污機(jī)間，用于去除細(xì)格柵攔截到的雜物，液位測(cè)點(diǎn)位于細(xì)格柵的兩側(cè)；布置剖面圖，如圖1所示。

鼓形濾網(wǎng)位于鼓網(wǎng)腔室，用于過濾海水中直徑3mm以上的雜物，鼓形濾網(wǎng)為雙側(cè)布置，網(wǎng)內(nèi)進(jìn)水，液位測(cè)點(diǎn)位于鼓形濾網(wǎng)的側(cè)面和濾網(wǎng)外側(cè)；布置剖面圖，如圖2所示。

 

細(xì)格柵和格柵除污機(jī)間和鼓網(wǎng)腔室頂板位于0m層，頂板厚度1.2m以上，房間深20m左右，介質(zhì)為海水，常溫常壓。由圖2可以看出，液位測(cè)量范圍較大，空間內(nèi)有格柵除污機(jī)和鼓形濾網(wǎng)這些動(dòng)設(shè)備，安裝空間相對(duì)有限，在選型時(shí)需考慮液位計(jì)的安裝方式。

 

3 儀表選型

遠(yuǎn)傳式液位計(jì)類型有差壓式液位計(jì)、投入式液位計(jì)、浮子式液位計(jì)、浮筒式液位計(jì)、電容式液位計(jì)、磁致伸縮式液位計(jì)、超聲波液位計(jì)和雷達(dá)液位計(jì)等。儀表選型原則是儀表測(cè)量范圍、測(cè)量精度和安裝技術(shù)是否符合測(cè)量要求，其測(cè)量原理能否適應(yīng)使用環(huán)境。

在循環(huán)水過濾系統(tǒng)中，液位測(cè)量范圍大，液位差報(bào)警設(shè)定值間只差10cm，故量程為25m的液位計(jì)誤差不能>0.2%FS，zui好≤0.1% FS。液位測(cè)點(diǎn)位于0m以下，水平空間結(jié)構(gòu)只有2.5m左右，數(shù)顯儀和儀表變送器部分只能位于頂板上，安裝維護(hù)空間有限。測(cè)量介質(zhì)為海水，有強(qiáng)腐蝕性，不銹鋼等金屬材料容易被腐蝕，對(duì)接液材料的選擇和處理有較高要求。

 

3.1 投入式液位計(jì)

在秦山和方家山核電站項(xiàng)目中，格柵除污機(jī)和鼓形濾網(wǎng)前后液位計(jì)均為投入式液位計(jì)，但采用不同型號(hào)和不同廠家，分別為博德LMK系列和E+HFMX系列，傳感器為陶瓷電容式。投入式液位計(jì)是基于所測(cè)液體靜壓與該液體高度成正比的原理，通過壓力測(cè)量元件將靜壓轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再換算為液位高度，一般采用擴(kuò)散硅或陶瓷電容等壓力傳感器作為壓力測(cè)量元件。投入式液位計(jì)廣泛應(yīng)用于各種原型水位的測(cè)量。

 

投入式液位計(jì)由內(nèi)置毛細(xì)軟管的特殊導(dǎo)氣提攜電纜、壓力傳感器和轉(zhuǎn)換電路組成。液位測(cè)量實(shí)際上就是在測(cè)探頭上的液體靜壓與大氣壓之差，然后再由壓力測(cè)量元件和電子元件將該壓差轉(zhuǎn)換成4~20mA輸出信號(hào)。投入式液位計(jì)的提攜電纜應(yīng)安裝在一個(gè)安靜的區(qū)域或一個(gè)合適的護(hù)管內(nèi)，以避免探頭的側(cè)面運(yùn)動(dòng)以及虛假測(cè)量值。投入式液位計(jì)總體結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

投入式液位計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）不受被測(cè)介質(zhì)起泡、沉積、電氣特性的影響；

（2）固態(tài)結(jié)構(gòu)，無可動(dòng)部件，其機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)過載及腐蝕性介質(zhì)具有高抵抗性；

（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便，探頭部分可直接投入到液體中。

 

投入式液位計(jì)具有以下缺點(diǎn)：

（1）不適用壓力容器和高溫介質(zhì)的液位測(cè)量，測(cè)量介質(zhì)密度須均勻一致；

（2）介質(zhì)中雜質(zhì)過多時(shí)易堵塞測(cè)量孔。循環(huán)水過濾系統(tǒng)中投入式液位計(jì)安裝于0m層頂板，在房間側(cè)壁預(yù)埋φ200mm玻璃鋼管，玻璃鋼管底部與房間相通，形成連通器，探頭直接投入玻璃鋼管中，避免了由于介質(zhì)波動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響。靜壓式液位差計(jì)測(cè)量值是由兩個(gè)投入式液位計(jì)做差值而來，所以兩個(gè)投入式液位計(jì)探頭需等高安裝。由于探頭接觸海水，探頭涂裝防腐涂層抵抗海水腐蝕。其精度和測(cè)量范圍可滿足功能要求。投入式液位計(jì)安裝示意圖，如圖4所示。

雖然使用不同型號(hào)和廠家的液位計(jì)在一定程度上增加了測(cè)量的可靠性，但由于其安裝方式和測(cè)量原理相同，有較大概率發(fā)生共模故障。海水中可能存在泥沙和海生物，投入式液位計(jì)的探頭測(cè)量孔有被堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，影響測(cè)量值得可靠性和穩(wěn)定性。

 

3.2 超聲波液位計(jì)

在海南、福清和田灣核電站項(xiàng)目中，考慮到可能的共模故障，對(duì)循環(huán)水過濾系統(tǒng)液位計(jì)選型明確提出了冗余液位計(jì)需使用不同測(cè)量原理的要求。超聲波液位計(jì)技術(shù)是比較成熟和實(shí)用的測(cè)量方式之一，其非接觸式測(cè)量原理也是未來測(cè)量技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。故在之后的核電項(xiàng)目中每系列的格柵除污機(jī)配置一套超聲波液位差計(jì)和1套靜壓式液位差計(jì)，鼓形濾網(wǎng)配置1套超聲波液位差計(jì)和兩套靜壓式液位差計(jì)。

 

超聲波液位是基于時(shí)域反射原理，由傳感器向液位表面發(fā)射超聲波脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)在介質(zhì)表面發(fā)生反射，反射信號(hào)被傳感器接收，變送器測(cè)量發(fā)射與接收脈沖信號(hào)的時(shí)間差T。聲波的傳播時(shí)間與聲波的發(fā)出到介質(zhì)表面的距離成正比，傳感器至介質(zhì)表面距離S與聲速C和聲傳輸時(shí)間T的關(guān)系可用公式表示：S=C×T/2。再由空罐高度E減去S，即為介質(zhì)物位L。如圖5所示。

超聲波液位計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）非接觸式測(cè)量原理，可適用于有毒、腐蝕性、高粘度和低溫介質(zhì)的物位和界面測(cè)量；

（2）超聲波為機(jī)械波，不受介質(zhì)的介電常數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等特性的影響；

（3）無機(jī)械可動(dòng)部件，傳感器的壓電晶片雖振動(dòng)，但振幅很小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)；

（4）可測(cè)范圍廣，液體、粉末、固體顆粒的物位都可測(cè)量。

 

超聲波液位計(jì)具有以下缺點(diǎn)：

（1）超聲波液位計(jì)測(cè)量有盲區(qū)，量程越大，盲區(qū)越大，選型時(shí)需注意測(cè)量范圍；

（2）超聲波的傳播速度受傳播介質(zhì)溫度、密度、壓力等因素影響影響，不適用壓力容器和易揮發(fā)性介質(zhì)液位測(cè)量；

（3）超聲波的傳播介質(zhì)中若存在某些介質(zhì)對(duì)超聲波有強(qiáng)烈吸收作用，會(huì)使超聲波衰減明顯，降低回波質(zhì)量，影響測(cè)量效果。

 

循環(huán)水過濾系統(tǒng)中超聲波液位計(jì)安裝于0m層頂板，位于安裝空間中間位置，使超聲波發(fā)射角內(nèi)無過多障礙物，在頂板預(yù)留φ400mm孔洞。由于超聲波為非接觸式測(cè)量，可很好地避免海水的腐蝕。且與靜壓式完全不同的測(cè)量原理和安裝方式，也避免了共模故障的發(fā)生，其精度與測(cè)量范圍可滿足功能要求。超聲波液位計(jì)安裝示意圖，如圖6所示。

根據(jù)福清、海南核電項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)反饋以及田灣業(yè)主提供的嶺澳一二期、陽江、寧德等多基地的反饋數(shù)據(jù)，循環(huán)水過濾系統(tǒng)的超聲波液位計(jì)經(jīng)常有測(cè)量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，液位波動(dòng)和死機(jī)等現(xiàn)象，造成液位信號(hào)誤報(bào)，即液位差計(jì)發(fā)出液位差高信號(hào)，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際液位差在正常范圍內(nèi)。

 

超聲波液位計(jì)液位差高信號(hào)誤報(bào)的產(chǎn)生原因分析如下：

（1）所測(cè)海水表面存在泡沫和漂浮物，會(huì)吸收和擴(kuò)散超聲波，導(dǎo)致回波減弱且不穩(wěn)定，而且儀表安裝環(huán)境水蒸氣含量高，超聲波探頭凝露，會(huì)產(chǎn)生虛假回波或者回波消失，造成測(cè)量值跳變或死機(jī)；

（2）超聲波液位計(jì)探頭安裝位置水泥預(yù)制板非常厚，安裝留洞約深1.2m，探頭與留洞上表面齊平，由于機(jī)械波具有可壓縮性，過長(zhǎng)的留洞會(huì)增加回波噪聲，超聲波的發(fā)射和接收受到很大阻礙，會(huì)造成超聲波液位計(jì)原始噪音線過高，而液位越高，有效回波與回波噪聲越強(qiáng)，有效回波越容易丟失。圖7為超聲波液位計(jì)實(shí)際回波曲線。

如果循環(huán)水過濾系統(tǒng)的超聲波液位計(jì)誤報(bào)將會(huì)造成：

（1）鼓形濾網(wǎng)會(huì)誤切至中速運(yùn)行并在中速電機(jī)及低速電機(jī)之間頻繁切換，格柵除污機(jī)頻繁啟動(dòng)，增加設(shè)備磨損、縮短設(shè)備壽命；

（2）頻繁觸發(fā)報(bào)警信號(hào)至主控室，須有工作人員到現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)，增加人力成本；

（3）在“超聲波液位計(jì)測(cè)得的鼓網(wǎng)前后液位差≥0.8m”誤報(bào)期間，只要有一套投入式液位計(jì)測(cè)得的鼓網(wǎng)前后水位差信號(hào)≥0.8m水柱，將會(huì)直接觸發(fā)循環(huán)水泵脫扣，循環(huán)水量減少，機(jī)組需降功率運(yùn)行甚至停堆。

 

        由于上述原因，需要將超聲波液位計(jì)更換為適應(yīng)此測(cè)量環(huán)境的其他類型液位計(jì)。為了防止共模故障，仍然需要配置兩種不同測(cè)量原理的液位計(jì)，不能將超聲波液位計(jì)簡(jiǎn)單更換為投入式液位計(jì)。而雷達(dá)式液位計(jì)精度高，功率較大，對(duì)于水汽凝露有更好的測(cè)量效果且能應(yīng)用于上述測(cè)量環(huán)境，能夠滿足循環(huán)水過濾系統(tǒng)液位測(cè)量要求。

 

3.3 雷達(dá)液位計(jì)

        雷達(dá)物位計(jì)原理與超聲波液位計(jì)類似，都是基于時(shí)域反射原理，區(qū)別是超聲波液位計(jì)發(fā)射的是超聲波，雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射的是電磁波。雷達(dá)液位計(jì)的天線發(fā)射的電磁波以光速傳播，當(dāng)遇到被測(cè)介質(zhì)表面時(shí)，電磁波被反射形成回波并沿相同路徑返回到脈沖發(fā)射裝置，發(fā)射裝置與被測(cè)介質(zhì)表面的距離同電磁波在其間的傳播時(shí)間成正比，經(jīng)計(jì)算得出液位高度。

 

雷達(dá)液位計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）電磁波可在真空中傳播，電磁波隨距離衰減小，穿透力強(qiáng)，不受大氣、蒸汽、介質(zhì)揮發(fā)的影響；

（2）非接觸式測(cè)量，可適用于有毒、腐蝕性、高粘度和低溫介質(zhì)的液位測(cè)量；

（3）無可動(dòng)部件，可靠性高，安裝維護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)；

（4）測(cè)量范圍大，精度高，量程zui大可達(dá)70m，精度可達(dá)±2mm。

 

雷達(dá)液位計(jì)具有以下缺點(diǎn)：

（1）當(dāng)空氣中存在高介電性的粉塵粉末（石墨，鐵合金等）時(shí)，對(duì)電磁波有衰減作用，測(cè)量距離和效果受影響；

（2）被測(cè)介質(zhì)介電常數(shù)不能太小，<1.5時(shí)不能測(cè)量。

 

循環(huán)水過濾系統(tǒng)中采用80GHz高頻雷達(dá)液位計(jì)，可穿透泡沫、凝露，測(cè)量無盲區(qū)，兩線制儀表，方便安裝，無需現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。高聚焦的雷達(dá)波束不受安裝高度限制，發(fā)射角zui小可達(dá)3°，能適應(yīng)1.2m深φ100mm孔洞，無需下沉安裝。但泡沫過多時(shí)依然會(huì)影響測(cè)量精度，需要定期清理泡沫，改善測(cè)量環(huán)境。圖8為雷達(dá)液位計(jì)實(shí)際回波曲線。雷達(dá)液位計(jì)的回波曲線平滑、穩(wěn)定，能夠很好地適應(yīng)安裝環(huán)境。

 

4、結(jié)束語

       液位計(jì)是循環(huán)水過濾系統(tǒng)正常運(yùn)行不可或缺的一部分，測(cè)量的穩(wěn)定性關(guān)乎核電站的平穩(wěn)運(yùn)行。在儀表設(shè)計(jì)選型中需充分考慮儀表的測(cè)量原理和測(cè)量特性，避免環(huán)境因素帶來的測(cè)量誤差和故障。由于雷達(dá)式液位計(jì)和超聲波液位計(jì)的測(cè)量原理的不同，對(duì)于測(cè)量環(huán)境也有不同的要求，在儀表選型中要考慮各種可能的影響因素，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的各種問題更換儀表選型。液位計(jì)種類繁多，唯有與測(cè)量環(huán)境相匹配的才是zui好的液位計(jì)。