一回路測量儀表應用方面的三個問題

蔡云達，董世友

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

一回路測量儀表應用方面的三個問題

蔡云達，董世友

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

結合田灣核電站一期工程項目調試和運行經驗，介紹了WWER-1000機組一回路測量儀表應用與維護方面的3個問題，即快速響應溫度計的原理和性能、ROSEMOUNT電容式差壓變送器高靜壓修正和含硼介質工藝參數測量，以及利用數字化控制系統提供的實時顯示、數據記錄和回路診斷功能處理測量問題的經驗和效果評估。

一回路；快速響應溫度計；高靜壓修正；含硼介質工藝參數測量

1 概述

田灣核電站一期WWER-1000堆型為四環路設計，采用全數字化控制系統，常規測量儀表主要包括溫度計、Ⅲ型變送器。其中，溫度計按照功能分為常規用途的普通Pt100溫度計、K型熱偶，以及用于保護系統的快速響應溫度計等。Ⅲ型變送器實現全部的壓力、差壓、液位、流量等測量，包括智能和非智能型兩種。用于保護的信號測量在變送器設備選型方面考慮了多樣性，防止共模故障，變送器感應單元分別采用擴散硅橋感應式和電容式。

測量方式包括兩種:直接測量和間接測量。其中，一、二回路壓力邊界內、大流速的溫度測量全部采用熱阱間接測量方式，其他對象測量則直接插入測量。常規非強腐蝕性介質的差壓、液位、流量等測量，則全部采用直接測量方式。液位測量采用的是帶參考液柱的差壓法測量方式。

工程調試和生產運行階段，利用全數字化控制系統固有的通道穩定性和友好的人機界面，可以對就地測量設備的運行狀態，如偏差、斷線等硬件故障等做出快速判斷。控制系統采集通道的穩定性大大減少了信號回路的檢修任務，為工程技術人員診斷故障提供了強有力的輔助手段和驗證措施，大大縮短了故障診斷時間。下面針對一期儀表選型特點，介紹調試至運行期間出現的一些看似簡單的測量問題，通過數字化控制系統判斷和解決的方法。

2 一回路快速響應溫度計

田灣核電站冷卻劑溫度測量元件是帶熱阱直接垂直安裝在主管道上的，保護管端部流速15 m/s左右，普通帶熱阱的溫度計測量遲延約10 s。

由于一回路冷卻劑溫度是反應堆超溫保護、蒸汽發生器破管（SGTR）隔離和停堆保護的重要參數，因此，設計選型為兩種型號:一種為普通型Pt100，如圖1所示；另一種為具有快速響應特性的溫度元件，專門用于反應堆超溫保護，原理如圖2所示。

圖1 普通型Pt100元件示意圖 Fig.1 Sketch of regular Pt1000 element

圖2 快速響應溫度元件示意圖Fig.2 Sketch of rapid response temperature element

現場溫度信號經過溫度變送器實現信號類型轉換，輸出4～20mADC信號到反應堆保護系統（TXS）和正常運行儀控系統，用于反應堆超溫保護、參與SGTR保護邏輯運算和參與穩壓器液位定值計算。

2.1 快速響應溫度計原理介紹

2.1.1 元件結構

快速響應溫度元件分為兩部分，第一部分為快速感應變化的熱電偶（TC）測量端，第二部分為熱電阻和補償熱電偶，即RTD+TC，其中的熱電偶TC與第一部分熱偶反向連接。穩態工況下溫度變化不劇烈或溫度緩慢變化，反向連接的TC影響可以忽略不計，見圖2。

2.1.2 快速響應溫度元件動態特性

快速響應溫度元件內部結構示意圖及響應曲線見圖3和圖4。

當溫度發生快速變化時，位于測量元件前端的T C（見圖3中上面的熱電偶）起到“導前微分”作用，溫變端口采集電壓Us=URTD+UTC（TOP）。

圖3 元件內部原理圖Fig.3 Interior schematic of element

圖4 快速溫度計響應趨勢Fig. 4 Rapid temperature gauge response tendency

當溫度動態過程結束，或變化非常緩慢后，UTC（TOP）與UTC（PT100）電勢差為0，兩部分TC作用相互抵消，即Us=URTD+UTC（TOP）-UTC（Pt100）=URTD，實際測量值為熱電阻URTD的值。

2.2 調試問題

2007年7月15日，田灣核電站2號機組在進行100%功率平臺下手動停堆試驗時，試驗人員在分析瞬態數據過程中，發現在機組動態過程的開始，穩壓器液位的實際值與設定值相比有很大的偏差。經分析，確認穩壓器液位定值較實際液位變化的慢，通過對OM690（操作與監視系統）的歷史記錄進一步分析，并與1號機組做對比，確認是參與液位定值計算的一回路快速響應溫度計的測量結果存在遲延，造成液位定值計算不準確。如圖5所示為OM690歷史趨勢記錄，當反應堆快速降功率時，快速響應溫度計測量值（TW105）下降較普通溫度計（TW102）遲延約4 s。

圖5 100%負荷工況下瞬態試驗時的趨勢Fig.5 Tendency of transient test at 100% load conditions

按照設備鑒定文件的描述:快速響應溫度計（TW105）在水介質、0.4 m/s流速、帶熱阱安裝情況下，t0.5≤3.6 s。因此，可以確定測量遲延是由于現場安裝不正確而產生的。

2.3 滯后原因分析

由于設計方對元件廠商遞交的元件資料圖紙理解錯誤，造成后續元件信號連接設計文件的錯誤。按照錯誤的設計圖紙實施的接線，存在兩種可能的情況出現:Us中將不含UTC，即無“導前微分”作用效果；或包含UTC，但作用相反。用熱水對兩種型號的熱電阻TW105和TW102進行試驗驗證，因接線錯誤，兩種響應趨勢分別見圖6和圖7。由此可以分析、推斷圖5所示的響應遲延問題是因為接線錯誤造成的。

2.4 問題的解決與試驗

經過認真的分析和現場測量，重新接線，正確的試驗趨勢如圖8所示，確認快速響應溫度計的響應時間比普通溫度計快1～4 s，快速響應功能正常。

圖6 無導前微分作用的趨勢Fig. 6 Tendency without leading derivative action

圖7 導前微分作用相反的趨勢Fig. 7 Counter-tendency with leading derivative action

圖8 正確接線的對比趨勢Fig. 8 The contrast tendency of correct wiring

2.5 效果評估

通過對快速響應溫度計內部接線的分析和現場接線試驗驗證，消除了導致一回路超溫等主保護拒動的安全隱患。提醒從事設計和調試的人員，對于重要信號，尤其是特殊元件測量回路的調試，不能僅依賴制造商提供的資料設計和觀察性的測量回路單體調試，對于特殊測量方式，如這類溫度元件，還必須進行實際的模擬工況動態試驗驗證，才能真正掌握一種新型元件的特性。

快速響應溫度計通過元件結構、功能來消除壓力邊界內溫度帶熱阱測量的固有遲延，目前流速下，延遲時間要低于鑒定報告試驗數據，為保護定值設置裕量計算等設計工作提供依據。

3 ROSEMOUNT電容式差壓變送器高靜壓修正

用于反應堆保護系統的壓力、液位信號在變送器設計選型上考慮了多樣性，分別選用了E+H和ROSEMOUNT兩公司的產品。E+H公司產品感應單元為擴散硅感壓橋，而ROSEMOUNT感壓單元則為純電容式，因此，兩者受高靜壓的影響不相同。其中，E+H擴散硅感壓橋變送器廠家沒有給出高靜壓環境下的儀表固定偏差值，理解為可以自動補償；而ROSEMOUNT公司產品（1152/1153系列）則給出明確的高靜壓影響數值，可以理解為機械式感應單元無法自動補償。

3.1 調試中發現的問題

變送器初裝調試到機組熱試階段，通過OM690畫面顯示，發現穩壓器和蒸汽發生器液位信號所選用的兩種類型變送器測量結果顯示不一致。仔細檢查變送器設置的基礎參數和控制系統軟件修正算法都沒有問題，在考慮各種可能因素的情況下，仍無法解釋測量結果不一致的原因。后經查找設備的技術手冊，找出是因為兩種感應單元特性差異所致。

3.2 高靜壓修正

變送器校驗一般是在實驗室或現場的大氣環境壓力下進行的，通常采用單側外加變送器工作環境量程壓力，沒有考慮兩側同時施加工作環境壓力和量程壓力，而且實施起來相當困難。因此，當常壓下校驗準確的變送器，現場安裝后，用于高壓力介質參數測量，如主泵進出口差壓、穩壓器液位測量等，就會產生較大偏差。

以1152DP/HP為例，按照廠家提供的數據，每1 000 psi（6.89 MPa）靜壓對不同量程范圍的變送器產生的矯正因子如表1所示。

表 1 不同量程對應的矯正因子Table 1 Rectification factors corresponding to different ranges

從表1可以看出，最大的矯正因子為1.75%，在額定工況下（系統壓力為15.7 MPa)產生的偏差會更大，必須要實施修正。

3.3 修正的實施

差壓式高靜壓修正嚴格意義上講，需要對量程兩端進行修正。而工程實際應用中，則一般只進行一端修正即可滿足生產控制需要。根據被測信號類型只進行零點或量程上端遷移。矯正包括量程計算和零點修正。

3.3.1 矯正量程計算

廠家給出了1152/1153型變送器不同的量程范圍下對應的矯正因子，可以據此計算出修正后的電流值。以型號1152HP-7N22-T1862變送器為例，量程為0～1 M P a，工作壓力為15.7 MPa，《手冊》中給出的矯正因子為1.05% of input/1 000 psi。計算步驟如下:

步驟1:計算修正因子

1.05 %×15.7/6.89=2.39%

步驟2:計算滿點調整值

2.39 %×1/1×16 mA=0.383 mA

步驟3:計算滿量程輸出20.00+0.383=20.383 mA修正后的量程為:0～1.0 MPa對應變送器的輸出為4～20.383 mA。

3.3.2 零點現場調整

變送器現場安裝后，在額定工況壓力下打開平衡閥，使變送器膜盒兩側壓力相等，調整零點電位器，至零點輸出為4 mA即可。

3.4 正壓側作為參考端的液位計修正

田灣核電站差壓式液位測量設計正壓側作為參考端，即正壓側注滿介質，負壓側連接所測箱體或罐體的介質，通過負壓側壓力變化計算液位值，差壓值與變送器電流實際輸出成反向對應關系。因此，實施高靜壓量程修正則為調整量程低端值。以穩壓器寬量程液位為例（計算方法同上)，修正后的量程為:116.24～0 kPa，對應變送器輸出為3.705～20 mA。相應的，零點調整時應調整20 mA。

3.5 實驗室高靜壓調整

按修正后的量程對變送器校驗后，需要在工作靜壓下調整零點，如果要等到機組狀態起來后再調整，一是作業風險增大；二是由于變送器的偏差可能影響機組啟動期間操縱員的判斷。于是我們在校完表后，直接打開平衡閥給變送器加15.7 MPa的壓力，然后調整零點。這樣，就完成了整個修正過程。

3.6 效果評估

由于受測量原理的限制，電容式差壓變送器的測量精度在高靜壓下都會受到影響，靜壓越高，測量誤差越大，是否需要修正，應根據工藝測量品質要求來確定。例如，用于田灣核電站的穩壓器液位、主泵進出口差壓、蒸發器液位等工藝參數測量的1152電容式差壓變送器，都根據此方法進行了高靜壓修正，有效地恢復了儀表在高靜壓下的測量精度，很好地解決了與擴散硅式差壓變送器之間的測量偏差問題。

4 含硼介質工藝參數測量問題

4.1 概述

田灣核電站低濃度硼酸溶液為16 g/kg，高濃度硼酸為40 g/kg。含硼介質液位和壓力測量都是采用直接取壓測量，其中，液位為帶參考液柱的差壓法測量。

4.2 環室流量測量

4.2.1 存在的問題

在用環室取壓法測量含硼介質的流量時，因儀表根閥、儀表管、閥組和變送器工作環境溫度是常溫，在含硼水進入測量系統后由于溫度低于硼結晶溫度，必然造成硼的析出并產生結晶，引起儀表根閥、儀表管、閥組的堵塞影響流量的測量。此外，部分安全系統停運后，安裝孔板的管段未充滿介質，在對空檢修時，勢必會造成孔板處硼晶體析出，影響環室狹縫的取壓阻尼。

4.2.2 措施

鑒于存在的測量問題，可以采用濕吹掃的辦法，即在工藝管線退出運行前，對安裝孔板管線段立即進行吹掃。具體的過程如下:在管線的介質剛斷流不久，用除鹽水向節流件對象連續沖洗，使有腐蝕性、黏稠性、結晶性、熔融性、沉淀性等介質不停留在孔板環室內部以及儀表測量部件中，達到保護儀表和節流裝置的目的。

預防性維修期間，當在孔板對空后立即實施濕態吹掃和預防性濕態吹掃，是降低常溫布置的含硼管線測量孔板堵塞風險最有效的辦法。

4.3 參考端液柱

4.3.1 存在的問題

為防止結晶影響，工程調試和生產運行階段濃硼容器測量的脈沖管線注入的全部為除鹽水，但是長期運行，存在硼滲入問題，引起的誤差是可以察覺的。分別以20 ℃和40 ℃的硼酸和凝結水為例，硼酸密度分別為998.3 kg/m3、992.3 kg/m3；而純凝結水的密度為994.7 kg/m3、990.5 kg/m3，由于介質不同造成的偏差最大為0.36%。可見，這種參考端介質的不同對液位測量的影響是客觀存在的，但從工藝的要求來說，影響是在可接受的范圍內的。

4.3.2 措施

針對存在的客觀問題，兩種措施可以彌補:一是參考液柱注除鹽水，對應的差壓按照脈沖管線所處環境溫度的除鹽水密度計算。通過數字化顯示系統，對多測點設計的（用于保護的信號全部為多測點設計）采用交叉比較方式，快速診斷個別變送器的異常偏差。通過歷史記錄，分析趨勢變化，確定共性偏差的存在。利用檢修窗口沖洗或更換發生堵塞等異常的脈沖管線，消除滲入介質影響。二是脈沖管線直接注入硼水，對于流量測量的取樣管線也同樣，利用定期檢修機會進行沖洗、注重維護，消除可能發生的影響。

5 結束語

田灣核電站儀控系統外圍測量設備是先進的，儀表型號種類繁多，其中快速響應溫度元件是目前國內首次使用的，在機組動態試驗期間已經體現出其獨特的優勢，尤其是數字化系統應用后，從上至下的速度匹配是十分重要的，尤其是保護系統。

用于保護系統的一回路溫度測量信號在設備選型、安裝調試和性能測試驗證的每個環節都是十分重要的。先進的設備，如快速響應溫度計，如果回路設計、安裝錯誤，就不能夠發揮真正的作用，有時甚至會起反作用。由于設計變送器設備考慮了多樣性，通過數字化顯示系統的記錄趨勢，對比發現電容式差壓變送器應用方面的疏忽，及時予以了糾正。

數字化系統強大的通道處理功能，包括實時顯示與歷史數據追憶、高精度的數據處理通道，以及回路診斷功能，為測點狀態評估，尤其是參數變化趨勢的長期跟蹤等，提供了有力的工具。通過T101、T201大修項目，可以看到測量儀表的檢修，已經逐步轉向純儀表的校驗和控制室品質鑒定工作，取消了非法規要求的通道校驗檢修等項目，明確了現代化儀控檢修重點，優化了檢修項目，合理利用檢修資源，提高了檢修質量。

[1] 蔡云達.一回路快速響應溫度計延遲問題處理［J］，TNPS一期工程論文.

[2] SIEMENS. Tianwan NPP，Time delay of the primary circuit temperature sensors MTJBJ［J］，JBAE-M-02817-JCAL.

[3] 洪遠進，王耿騫.電容式差壓變送器的高靜壓修正［J］，TNPS一期工程論文.

[4] RNII. MODEL 1152/1153 Series D Alphaline Nuclear Pressure Transmitter［J］.

Three issues related to application of measuring instruments in the primary loop

CAI Yun-da，DONG Shi-you
（Jiangsu Nuclear Power Corporation，No.28 Haitang Middle Road，Lianyun District，Lianyungang of Jiangsu Prov. 222042，China)

Based on the experience of commissioning and operation of TNPS Phase I，this paper present three issues related to application and maintenance of measuring instruments in the primary loop of WWER-1000 reactors: the principle and performance of rapid response temperature gauges，the high line pressure correction of ROSEMOUNT capacitance differential pressure transmitters and the boric water technical parameter measurement，as well as the experience and effect evaluation of dealing with the measuring problems using the real time indication，data recording and circuit diagnosis function provided by the digital control systems.

primary loop； rapid response temperature gauge；high line pressure correction；boric water technical parameter measurement

TL99

A

1674-1617（2009)04-0324-06

2009-02-01

蔡云達（1968—），男，安徽人，研究員級高級工程師。