放射性廢液儲存罐液位計(jì)選型
摘要：該文介紹了某三代核電廠放射性廢液儲存罐中液位計(jì)的選型過程, 基于超聲波液位計(jì)和雷達(dá)式液位計(jì)的測量原理, 結(jié)合超聲波液位計(jì)和雷達(dá)液位計(jì)在廢液儲存罐液位監(jiān)測中遇到的問題, 對影響超聲波液位計(jì)和雷達(dá)液位計(jì)液位測量的具體因素做了闡述, 并對核電廠放射性廢液儲存罐液位計(jì)的設(shè)計(jì)、選型、安裝具有一定的參考意義。
1、概述：
1.1、超聲波液位計(jì)原理：
通過液位計(jì)探頭振動(dòng), 發(fā)出脈沖波, 遇被測水面被反射, 折回的反射回波被同一探頭接收, 測出波返回的時(shí)間, 即可探測出液位高度。測量示意圖如圖1。[1]
圖1 超聲波液位計(jì)原理圖
圖2 現(xiàn)場罐頂液位計(jì)管嘴
超聲波液位計(jì)具有廣泛的應(yīng)用, [2]在某三代核電廠放射性廢液系統(tǒng)中選用了該類型的液位計(jì), 該系統(tǒng)用來收集核電廠啟動(dòng)及功率運(yùn)行期間產(chǎn)生了液體廢物, 分別安裝在安全殼地坑, RCDT (反應(yīng)堆冷卻劑疏水箱) , 脫氣塔分離器, 化學(xué)廢液箱液位計(jì), 監(jiān)測箱液位計(jì), 廢液暫存箱。在這些液位計(jì)投運(yùn)期間, 發(fā)生了多起液位計(jì)跳變及測量不準(zhǔn)現(xiàn)象, 造成的泵誤啟動(dòng), 泵跳閘, 罐體溢流等異常事件, 下文將對這些事件進(jìn)行產(chǎn)生分類闡述。
1.2、雷達(dá)液位計(jì)測量原理：
雷達(dá)式液位計(jì)采用帶天線方式安裝, 天線以波束的形式發(fā)射雷達(dá)信號, 同時(shí)接受反射回來的信號, 雷達(dá)的脈沖信號感知從發(fā)出到接受的時(shí)間, 經(jīng)信號處理換算為液體表面到液位計(jì)探頭的距離。
該文論述的核電廠采用了喇叭口形天線, 材料為不銹鋼, 被測量介質(zhì)壓力可達(dá)6Mpa, 溫度可達(dá)1000℃。
2、影響超聲波液位計(jì)測量的因素：
2.1、安裝位置對測量影響：
放射性廢液系統(tǒng)的超聲波液位計(jì)中, 實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn), 罐體注排水過程中會(huì)有偶發(fā)性液位跳變。
從圖1看出, 超聲波發(fā)出后有單邊距中心有12℃的發(fā)散角度。這就要求超聲波液位計(jì)探頭***好能夠深入到所測罐體中;若沒有深入罐體內(nèi)部, 而是安裝到罐頂?shù)囊何挥?jì)管嘴, 則要求這個(gè)管嘴直徑比探頭直徑越粗越好, 管嘴長度越短越好, 這樣可以避免波打到罐體壁面, 或者探頭受到擠壓, 探頭振動(dòng)受阻。放射性廢液系統(tǒng)中的所有超聲波液位計(jì)均沒有深入罐體內(nèi)部, 而是安裝到了罐體頂部的管嘴上。如圖2。
另外三臺放射性廢液儲存罐體液位計(jì), 采用尺寸較小的探頭。同時(shí)將探頭深入到罐體內(nèi)部, 由于液位計(jì)探頭尺寸1.97″, 深入罐體時(shí)未與切割后的管嘴接觸, 如圖3。采用這種安裝方式后, 液位計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定。
造成這些常溫常壓工做環(huán)境下的液位計(jì)失準(zhǔn)的直接原因是液位計(jì)探頭振動(dòng)受阻和超聲波打到了管嘴壁面。
圖3 液位計(jì)廠家文件安裝要求示意
2.2、蒸汽對測量影響：
異常情況描述:操作員執(zhí)行了穩(wěn)壓器向放射性廢液系統(tǒng)向RCDT排氣操作, RCDT壓力范圍在表壓0到0.04MPa之間在這過程中RCDT至放射性氣體廢物系統(tǒng)閥門保持開啟。排氣后, RCDT的顯示一直為滿量程, 液位計(jì)異常波動(dòng)。從穩(wěn)壓器至RCDT排氣時(shí), 閥門打開瞬間即發(fā)現(xiàn)RCDT壓力上漲, 說明雖然管線較長, 但用時(shí)較短, 可以認(rèn)為排氣過程是絕熱過程。查詢水和蒸汽性質(zhì)表, 221℃, 2.36MPa對應(yīng)的比熵6.27KJ/ (kg·℃) , 比焓2801 KJ/kg, 取RCDT背壓0.1-0.14MPa, 假設(shè)排氣過程可逆, 且排氣過程穩(wěn)定查詢水和蒸汽性質(zhì)表, 根據(jù)等熵過程計(jì)算得出, 排向RCDT介質(zhì)對應(yīng)的溫度在99-109℃, 介質(zhì)處于濕蒸汽區(qū), 即RCDT此時(shí)含有蒸汽。將超聲波液位計(jì)更換為雷達(dá)式液位計(jì), 補(bǔ)充熱態(tài)功能測試期間, 相同工況下, 執(zhí)行排氣操作, 液位計(jì)顯示正常, 無波動(dòng)。
2.3、壓力波動(dòng)對測量影響：
異常工況描述:執(zhí)行脫氣塔真空泵啟動(dòng)試驗(yàn), 真空泵啟動(dòng)后, 脫氣塔分離器液位開始波動(dòng), 造成下游閥門自動(dòng)打開排水, 實(shí)際液位并未偏高, 這就造成了脫氣塔分離泵汽蝕和真空泵喪失液環(huán)。
工況分析:脫氣塔分離器正常運(yùn)行時(shí), 低液位至罐頂?shù)臍饪臻g0.1m3, 真空泵啟動(dòng)造成的壓力變化屬正常設(shè)計(jì)工況。
基于超聲波傳播與介質(zhì)的密度有關(guān)的原理, 排氣瞬間造成了脫氣塔分離器上部氣相密度驟增影響了波的傳播速度, 同時(shí)排氣的初始階段液位出現(xiàn)劇烈跳動(dòng), 是由于排氣瞬間, 分離器氣體密度不均勻, 超聲波出現(xiàn)折射失波現(xiàn)象。更換為雷達(dá)液位計(jì)后, 在真空泵啟動(dòng)過程和正常脫氣過程均未出現(xiàn)波動(dòng)。
3、結(jié)論：
(1) 放射性廢液系統(tǒng)選用的超聲波液位計(jì)探頭安裝時(shí), 不能與罐體直接接觸, 并且需要深入罐體內(nèi)部。
(2) 超聲波液位計(jì)安裝到罐體的管嘴, 需要管嘴盡量短, 盡量粗。
(3) 對于存在蒸汽相的罐體液位測量, 不能選用超聲波液位計(jì), 可用選用雷達(dá)式液位計(jì)。
(4) 通過數(shù)據(jù)處理端加入濾波來屏蔽, 一定程度上可以解決壓力波動(dòng)對超聲波液位計(jì)測量的影響。
(5) 雷達(dá)式液位計(jì)可以適應(yīng)蒸汽環(huán)境、壓力波動(dòng)環(huán)境, 放射性廢液系統(tǒng)中的反應(yīng)堆冷卻劑疏水箱, 脫氣塔分離器適合選用此類型液位計(jì)。