核電廠放射性排水系統液位開關改造

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

1 背景

    系統71700承擔著反應堆廠房內各系統正常疏水、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區域的地坑，到達一定量后坑內的液位開關動作啟動疏水泵將水排出。71700系統使用的是 FQ* 型浮球液位開關，靠自身重力懸掛于地坑壁附近，一個開關對應一個液位控制點，當水位上升到該高度，開關浮起翻轉，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系統地坑收集的水質較臟，浮球開關工作環境惡劣，故障率高。據不完全統計，2000~2007年間，秦三廠兩臺機組71700系統共發生因浮球開關故障引起的缺陷132次，廠房和設備被水淹33次，更換浮球105個。

    浮球開關故障原因有 ：球體與導線結合處密封不好，球體進水，導致內部開關機構浸泡、污損 ；不同高度液位開關導線相互纏繞，球體無法翻轉 ；球體被導線與地坑壁夾住無法翻轉 ；球體內開關機構失效，無法觸發或復位 ；開關接線盒位于地面上，內部端子易銹蝕，導致開關虛假信號。FQ300型浮球液位開關可靠性低，影響了71700系統功能，須進行改造。

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，介質產生的靜壓造成測量元件內的電容變化，電容值傳輸到主機（變送器），被轉換為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 ；同時在地坑進水和排水過程中測量元件在水中搖晃，會導致連接纜磨損或者膜片碎裂。

    結論 ：靜壓式液位計適合較干凈、整體較平穩的介質液位測量，不適合71700系統使用。

2.2 超聲波液位計

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

    可行性分析。超聲波液位計采用非接觸式測量，安裝 / 調試簡單、維修方便，但聲波是以一定波束角發射，傳導發射區域內需沒有障礙。71700系統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 ：當氣溫、濕度變化時，水汽會在探頭表面凝結，造成聲波無法正常發射、接收而影響測量。

    結論 ：超聲波液位計適用于敞口池、水處理等液位測量，不適合71700系統使用。

2.3 導波雷達液位計

    工作原理見圖3。探頭發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，接觸到被測介質后，部分脈沖被反射，回波沿原路徑返到發射探頭。電磁脈沖傳播速度一定，從發射到接收回波時間與探頭到被測介質表面的距離成正比，經處理后液位計輸出相應電信號。

    可行性分析。導波雷達液位計具有以下優點 ：發射、測量、傳感元件全都在表頭中，鋼纜只作為天線傳導雷達波，不存在如靜壓式液位計因泥沙掩埋損壞元件、儀表的問題 ；微波沿著鋼纜發射，絕對精度可以達到5mm，不會發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，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。

    結論 ：導波雷達液位計測量原理成熟、適應性廣，且可以不帶料調整，安裝、調試成本低，適合71700系統使用。

3 儀表選型

    擬選用的導波雷達液位計須滿足現場控制需要，同時工作電源、安裝方式應就地取材，盡可能不改變原有設計和布置，具體要求 ：實現五個液位設定點測量和報警 ；開關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 ；儀表性能維護方便、可靠性高。經對比，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 安裝與調試

4.1 安裝

    探頭 ：安裝于原浮球開關線纜貫穿孔位置 - 地坑蓋板中央（見圖5），通過法蘭固定。為穩定探頭下方的導波鋼纜，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，進出線纜均走保護套管。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，輸出的四路開關信號接入控制回路的相應位置。

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

4.2 調試

    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），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；就探頭測量距離 D：當0液位時，即 L=0，D（0）=h；當滿液位時，即 L=s，D（100%）=h-s。將 D（0）和 D（100%）兩個數值用 HART 通訊器設置到探頭中即可，確認探頭輸出4～20mA 信號。

    信號處理器帶顯示及四路開關輸出功能 ：顯示設置。輸入4～20mA 信號，將顯示設置為相應的地坑液位深度，如0～5米 ；開關設置。將原液位報警值折算成相應百分比，如30%。

    以上設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的電流信號，調節設定值旋鈕。

5 效果評測

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

    因地坑內環境惡劣，排水泵停電 / 故障或進水過多，地坑積水可能會漫到 / 過探頭，探頭被掛上雜質，發生后對探頭進行清理即可。另，探頭可連接計算機，通過組態軟件檢查反射波曲線，對判斷干擾源提供了有效手段。在日常維護中，可以用裝有組態軟件的 PC 機遠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。基于設備可靠性高、免維護等特點，導波雷達液位計在方家山、三門、大亞灣等核電機組中都有較廣泛應用。