超聲波液位計在壓水堆核電廠中的應(yīng)用
摘要：介紹了超聲波液位計在某壓水堆核電廠放射性廢液系統(tǒng)、放射性固體廢物中的應(yīng)用?；诔暡ㄒ何挥嫷臏y量原理, 依據(jù)工程現(xiàn)場實際發(fā)生的具有代表性異常事件, 分析了影響超聲波液位測量的主要因素, 并提出了相應(yīng)的解決措施, 對壓水堆核電廠放射性廢液、放射性固體廢物超聲波液位計的設(shè)計、選型、安裝具有一定的參考意義。
1、超聲波液位計原理：
通過液位計探頭振動, 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, 測出波返回的時間, 即可探測出液位高度。超聲波液位計在工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用, 在某壓水堆核電廠放射性廢液系統(tǒng)和放射性固體廢物系統(tǒng)中就大量選用了該類型的液位計, 其中放射性廢液系統(tǒng)用來收集核電廠啟動及運行期間產(chǎn)生的放射性液體廢物, 收集罐體上均安裝了超聲波液位計, 罐體分別為安全殼地坑, 化學(xué)廢液箱液位計, RCDT (反應(yīng)堆冷卻劑疏水箱) , 真空脫氣塔的分離器, 廢液監(jiān)測箱液位計, 廢液暫存箱;放射性固體廢物主要應(yīng)用于廢樹脂儲存罐液位監(jiān)測。在這些液位計投運期間, 發(fā)生了多起液位計跳變及測量不準(zhǔn)現(xiàn)象, 造成的泵誤啟動, 泵跳閘, 樹脂罐體溢流等異常事件, 本文將對這些事件進(jìn)行分類闡述。
2、超聲波液位計測量過程中缺陷及影響因素：
2.1、安裝位置對測量影響：
放射性廢液系統(tǒng)的14臺超聲波液位計中, 有11臺在完成單體調(diào)試后, 實際使用過程中發(fā)現(xiàn), 罐體中無水, 液位計顯示滿水, 或者液位計顯示壞點, 罐體注排水過程中會有偶發(fā)性液位跳變, 放射性固體廢物系統(tǒng)中有2臺也出現(xiàn)相同缺陷。
超聲波液位計在發(fā)出超聲波后, 單邊波距離中心有約12℃的發(fā)散角度。從工程應(yīng)用角度, 這就要求超聲波液位計探頭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)囊何挥嫻茏? 則要求這個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, 造成探頭振動受阻。在熱試過程中, 這些液位計均發(fā)生了不同程度的測量偏差及跳變現(xiàn)象, 原因是與這些罐體相連的隔膜泵啟動后, 罐體有不同程度的振動現(xiàn)象, 導(dǎo)致探頭再次傾斜或者與管嘴內(nèi)壁相碰。
化學(xué)廢液監(jiān)測箱液位計, 也出現(xiàn)上述缺陷, 雖然與上述液位計均是同一數(shù)據(jù)表, 但是這三臺液位計選用了另一廠家的液位計。該廠家文件中有明確說明, 探頭至少應(yīng)該深入罐體10cm, 現(xiàn)場將罐頂長管嘴截短, 將探頭深入到罐體內(nèi)部, 由于液位計探頭尺寸1.97英寸, 深入罐體時未與切割后的管嘴接觸, 改變安裝方式后, 液位計運行穩(wěn)定。在壓水堆核電廠其他大型罐體, 如硼酸儲存箱、設(shè)備冷卻水波動箱也裝有超聲波液位計, 均沒有存在上述安裝問題, 測量監(jiān)視結(jié)果一直較為穩(wěn)定。液位計探頭振動受阻和超聲波打到了管嘴壁面, 是造成這些常溫常壓工作環(huán)境下的液位計失準(zhǔn)的直接原因。
2.2、蒸汽對測量影響：
異常情況描述:穩(wěn)壓器窄量程液位37.5%, 液相溫度226.9℃, 汽相溫度221.9℃, 壓力2.36MPa, 在此工況下, 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, 在這過程中RCDT至放射性氣體廢物系統(tǒng)閥門保持開啟, RCDT壓力在0~0.04MPa (G) 。穩(wěn)壓器共排氣兩次。排氣后, RCDT液位計異常波動, 且顯示為滿量程。
從穩(wěn)壓器至RCDT排氣時, 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, 根據(jù)等熵過程計算得出, 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), 由于沿線閥門的節(jié)流作用, 實際過程會產(chǎn)生不可逆熵增, 實際排至RCDT的介質(zhì)溫度高于99~109℃, 含蒸汽量更多 (蒸汽干度更大) 。蒸汽將影響波的傳播速度, 并且蒸汽會在探頭上結(jié)露, 造成測量發(fā)出去的波瞬間返回。
2.3、壓力波動對測量影響：
異常工況描述:執(zhí)行安注箱降壓排氣, 從安注箱排氮氣至RCDT, 再排向放射性氣體廢物系統(tǒng)側(cè), 在整個排氣過程中, RCDT壓力由0波動至70kPa, RCDT液位計在壓力剛剛升高時, 劇烈波動, 在壓力升高期間, 液位也在波動, 在執(zhí)行完成安注箱排氣操作后, RCDT壓力恢復(fù)正常值, 液位計也穩(wěn)定到之前顯示值。
工況分析:RCDT正常運行時, 低液位至罐頂?shù)臍饪臻g2.4m3, 氮氣排入流量, 設(shè)計文件并未做限制, 壓力變化屬正常設(shè)計工況。
基于超聲波傳播與介質(zhì)密度有關(guān)的原理, 排氣瞬間造成了RCDT上部氮氣密度驟增影響了波的傳播速度, 同時排氣的初始階段液位出現(xiàn)劇烈跳動, 是由于排氣瞬間, RCDT氣體密度不均勻, 超聲波出現(xiàn)折射, 造成液體計出現(xiàn)失波現(xiàn)象。
3、結(jié)論：
1) 超聲波液位計探頭安裝時需要深入罐體內(nèi)部, 且不與罐體直接接觸。若安裝到管嘴, 管嘴越短、越粗, 液位計測量越精準(zhǔn)。
2) 超聲波液位計不能用于存在蒸汽相的罐體液位測量中。設(shè)計和采購選型時應(yīng)當(dāng)對罐體的運行工況有全面的了解, 對于存在蒸汽相的罐體液位計可用選雷達(dá)式液位計。
3) 壓力對超聲波液位計測量的***主要影響是造成失波, 引起液位跳動, 這一點可以通過在數(shù)據(jù)處理端加入濾波來屏蔽, 避免液位波動。