導波雷達液位計在福清核電的應用及改進

張 磊，李德銀

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

0 引言

導波雷達液位計作為一種新興的液位測量儀表，克服了傳統儀表的不足，在核電廠的應用逐漸增多。但導波雷達液位計在高溫高壓蒸汽系統使用時，還存在一些不足，導致系統液位測量失真[1]。

汽水分離再熱系統是核電廠汽輪機的重要輔助系統，主要應用于汽輪機運行期間，通過控制進入二級再熱管束的蒸汽量，對高壓缸排氣進行除濕和再熱，使進入低壓缸的蒸汽有一定的過熱度。其應用改善了汽輪機低壓缸的工作條件，提高了汽輪機的相對內效率，減少了濕蒸汽對汽輪機零部件的刷蝕。在福清1～4號機組調試及運行期間，汽水分離再熱系統二級疏水箱液位計多次出現故障，如液位計探桿泄漏、測量失效等。針對二級疏水箱液位計問題，采用新型測量方案，對汽水分析再熱系統二級疏水液位測量作優化改進。

1 導波雷達液位計測量原理及特點

(1)導波雷達液位計的工作原理。

導波雷達液位計基于電磁波時域反射原理[2]，由電磁波發生器發射一個電磁脈沖信號發射到導波體上，以導波體作為信號的傳輸載體。當遇到被測介質表面時，部分信號被反射形成回波并沿相同路徑返回脈沖發射裝置。發射裝置與被測介質表面的距離同脈沖在其間的傳播時間成正比，測量發射與反射脈沖[3]。導波雷達液位計測量原理如圖1所示。

圖1 導波雷達液位計測量原理圖

(2)導波雷達液位計的測量特點。

①電磁波信號沿導波桿傳輸可消除假回波信號，減少信號丟失。

②整個測量裝置無活動部件，無機械磨損。

③安裝調試方便。

④不受介質密度變化的影響(但是需要單一介質)。

⑤使用與高溫、高壓的物位測量。

2 現有設計缺陷導致測量不穩定的原因分析

核電廠二回路液位控制是核電廠重要的控制系統之一，其測量環境需考慮真空、高溫、泡沫等多方面因素。傳統液位儀表因其固有原理，無法通過自身技術的改進來消除誤差。故本文采用了導波雷達液位計[4]。

但在機組運行過程中，汽水分離再熱系統原有導波雷達液位計導波桿的支撐件會破碎，支撐件碎片會進入到二回路系統中，形成異物，危及機組安全[5]。同時，導波桿內支撐件破碎后，因振動、沖擊等因素會導致導波桿觸碰到水位測量筒，使液位測量產生跳變，存在汽水分離再熱系統二級隔離風險。

受制于現場使用條件，汽水分離再熱器二級疏水箱內充滿飽和蒸汽。蒸汽是極性氣體，即蒸汽的介電常數會根據環境的壓力、溫度而改變。介電常數的變化會影響電磁波的傳播速度。波速度公式為[6]：

(1)

式中：C為光在真空中的傳播速度(3.0×108m/s)；εr為介質的相對介電常數;μr為相對磁導率。

由式(1)可見，當介質的介電常數變化，則波速度會隨之變化。由于電磁波在不同介質中的傳輸速度不同，比如在空氣中的傳輸速度比在蒸汽中傳輸速度大，因此汽水分離再熱系統(gas-liquid seperate system,GSS)二級疏水箱液位計選用的都是蒸汽型導波雷達液位計[7]。

經統計，在功率運行期間，汽水分離再熱系統二級液位計共計出現缺陷91項。其中，導波雷達液位計漏汽缺陷共計38項，二級疏水箱液位計偏差大共計46項，因儀表故障導致通道測量不可用共計7項。

根據現場液位計缺陷情況來看，目前汽水分離再熱系統二級液位計主要存在以下故障。

①液位計探桿支撐桿破碎。經分析，原汽水分離再熱系統二級液位計所用的高溫型導波雷達液位計，其探桿支撐件采用聚醚醚酮(PEEK)[8]高分子合成材料。在運行過程中，該支撐件會逐漸脆化，在系統沖擊工況下破裂。處理方式：在測量系統改進前，機組只能通過每次大修期間，對探桿進行定期更換。

②液位計探桿密封失效。液位計探桿內部密封件采用PEEK材料進行隔熱，靠近連接部位采用2個O型圈進行密封。O型圈耐溫范圍為150 ℃。因汽水分離再熱系統二級疏水箱內部溫度達280 ℃，探桿隔熱材料失效，進而使O型圈失效，探桿密封泄漏，測量閃發質量位。處理方式：目前出現探桿密封失效后，無法進行更換。

③液位計冷熱態工況，液位測量出現偏差。液位計大修冷態調試時，3支液位計偏差小于20 mm。但汽輪機沖轉并網后，因系統溫度上升，3支液位計偏差會達到100 mm。在機組運行時間長后，液位計偏差也會逐漸增加，導致偏差超過100 mm。處理方式：目前只能在熱態后，對偏差大液位計進行修正。機組功率運行后，每周定期巡檢方式，檢查液位計偏差，并及時進行修正。

3 改進方案

3.1 導波雷達液位計支撐件改進

原汽水分離再熱系統二級導波雷達液位計采用PEEK支撐件，同時也作為探桿隔熱材料。PEEK是芳香族結晶型熱塑性高分子材料。PEEK玻璃化轉變溫度為143 ℃，其熔點為334 ℃。這種材料耐抗有機和水環境，具有優良的化學性、熱穩定性和抗氧化性。目前，應用汽水分離再熱系統二級疏水箱實際運行溫度為280 ℃，儀表的設計溫度為350 ℃，而PEEK物理特性耐溫只有250 ℃，因此運行時間過長會產生變形或碎裂。

為應對導波雷達液位計支撐件破碎及密封失效情況，此次支撐件設計采用99.7%純度的Al2O3陶瓷材料[8]。該材料具有硬度大、耐磨性能極好、質量輕等特點。其熔點在2 000 ℃以上，具有良好的導熱性、絕緣性以及透光性，介電常數為9.0左右，適用于高溫蒸汽型導波雷達液位計測量原理。Al2O3陶瓷的物理和力學特性如表1所示。

表1 Al2O3陶瓷的物理和力學特性

改進后探桿內部結構精密。防止蒸汽部分主元件采用氧化鋁陶瓷，不會因為溫度增高而變形、滲漏。密封元件采用耐高溫的石墨密封Graphite，是目前儀表產品在防止高溫蒸汽方面的理想材料。其物理性能遠遠優于以前使用的PF128、PEEK、鋁礬土等材質，十分穩定可靠。該結構整體密封結合緊密，可杜絕蒸汽進入。

3.2 導波雷達液位計高溫補償改進

原汽水分離再熱系統二級導波雷達液位計采用點補償方式，補償點到電磁波發射口距離為125 mm。如果測量點以上或者測量點位置有凝露或者誤差，會放大傳導到下方實際液位測量。為了更好地說明上述結論，定義系數K。

式中：K越大，說明儀表抗蒸汽目標干擾的性能越差;K越小，水位高過蒸汽目標后，將無蒸汽補償功能，使液位計精度受到影響。

改進前后液位計性能如表2所示。

表2 改進前后液位計性能

改進后液位計采用參考段式補償方式，蒸汽目標距離變長，整個測量段的補償數據更加精確有效，不會因為某個點位的凝結等傳導誤差。改進后導波雷達液位計探桿密封結構如圖2所示。

圖2 改進后液位計探桿密封結構圖

改進后液位計探桿蒸汽補償測量原理圖如圖3所示。

圖3 改進后液位計測量原理圖

3.3 福清核電導波雷達液位計整體改造技術方案

原二級疏水箱采用直插式安裝。此次技術改造方案，不僅對原導波雷達液位計進行換型技術改進，還需對導波雷達液位計進行外移變更[9]。在汽水分離再熱系統二級疏水箱外部靠近水側取壓口處，安裝3個測量筒，用于導波雷達液位計的安裝以及液位測量。每個測量筒的汽側取壓口仍選用原導波雷達液位計接口，而水側取壓口引用原水汽取樣口、磁翻板液位計取壓口。汽水分離再熱系統二級疏水液位計改造整體方案如圖4所示。

圖4 液位計改造整體方案

(1)外移管道布置要求。由于疏水箱熱膨脹會產生熱位移及熱應力，施工單位布置管道時需考慮熱補償。同時，應保證導波雷達液位計上方留有2.5 m的空間，以便設備的維護和檢修。上部汽側連接管要注意設置一定坡度，使冷凝水回流至疏水罐內。

(2)焊機技術要求。浮筒組件、閥門、DN25管道連接采用承插焊形式。焊件組對前，應將坡口表面及附近母材(內、外壁)的油、漆、垢、銹等清理干凈，直至發出金屬光澤。焊接過程中，應進行逐層檢查，經自檢合格后方可焊接次層焊縫。完成焊接后，按DL/T1118-2009核電廠常規島焊接技術規程進行相應無損檢測。

(3)管道保溫要求。上下部均需要進行保溫，浮筒組件需保溫至法蘭接口處。保溫安裝要求：材料選用硅酸鋁纖維繩，厚度70 mm；保護層材料選用鋁皮，厚度0.5 mm。

(4)隔離閥選型要求。為保證上下流通管線具備足夠的流通能力，考慮到二級疏水箱擴孔現場不具備實施條件，在此基礎上隔離閥需選用DN25全通徑閥門。

(5)敷設電纜要求。為減少敷設電纜的工作量，此次技術改造不再重新敷設到DCS的電纜。因原DCS電纜長度不夠，此次技術改造增加BC轉接箱。轉接箱位置布置在便于檢修位置。

3.4 改造后效果

福清核電相關導波雷達液位計改造后，汽水分離再熱系統二級疏水箱液位計測量穩定性大大提高。改造后，在機組啟動升功率階段(原液位計頻繁閃發質量為及液位計漂移缺陷)，液位測量穩定，偏差在30 mm以內，未出現漂移情況。改進前后機組功率升至相同平臺液位計測量趨勢如圖5所示。

圖5 改進前后液位計測量趨勢

4 結束語

通過對福清核電汽水分離再熱系統導波雷達水液位測量設計優化與改進，解決了原系統液位測量頻發泄漏、失效，使液位測量可靠性得到大幅提升。該方案能解決核電廠高溫型液位測量問題，對于新型測量方式推進有著重要意義。