核電廠儀控系統電磁流量計集成控制柜改造

鄒明偉，周 兵，楊 熙，李向華

(1.重慶川儀自動化股份有限公司，重慶 401121；2.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518120)

0 引言

核能發電作為一種新型發電方式，近年來得到廣泛應用[1-2]。同時，核電由于其特殊性、危險性，對核電設備的安全穩定運行、準確高效監測提出了更高要求[3-4]。核電站核取樣系統原采用渦輪流量計對核取樣介質進行流量測量，其1、2、3、4號機組運行的系統相關流量計出現故障的頻率較高[5]。核電站與重慶川儀合作進行了流量計換型改造，采用電磁流量計替代渦輪流量計，測量核取樣介質流量。

本文主要針對換型改造過程中出現的流量計流量顯示異常、電極信號擾動較大等問題，通過原理分析和現場驗證，對可能造成該問題的因素進行逐一排查，進而提出改進措施，并進行現場驗證。

1 電磁流量計工作原理

電磁流量計的工作原理是基于法拉第電磁感應定律，即：導電性液體在垂直于磁場的測量管內流動，在與液體流動方向、磁場方向均垂直的方向上產生感應電動勢[6-7]。感應電動勢的方向按電磁學中的右手定則確定[8]，其大小與磁感應強度、流束和流速的大小成比例。流束的大小即測量管的內直徑。電磁流量計測量原理如圖1所示。

圖1 電磁流量計測量原理圖

感應電動勢的計算參見式(1)。

E=KBDv

(1)

式中：E為感應電動勢，V；K為常數，無量綱；B為磁感應強度，又可稱為磁通密度，T；D為測量管的內直徑，m；v為測量管截面內的平均流速，m/s。

由式(1)可知，一旦B和D確定，E就只與v有關，與流體的其他物理參數(如壓力、黏度等)均無關。

電磁流量計的測量介質一般為電導率≥5 μS/cm的導電液體。電導率雖不參與電磁流量計的流量計算，但因電磁流量計工作原理為導電流體切割磁感線得到感應電動勢進而換算出流量。流體電導率的高低對采集的信號強度有直接影響。在介質電導率接近電磁流量計工作最低電導率要求時，流量計主板采樣得到的信號數據較弱。而當電導率低于其工作特性時，可能無法測出準確數據；加上信號干擾等問題，信噪比差，可能導致流量數據波動較大，甚至不可用[9-10]。

電磁流量計主要由傳感器和轉換器兩部分組成。傳感器安裝在工業過程管道上，其作用是將通過管道內的導電液體體積流量值線性變換成感應電動勢信號，并通過信號導線將此信號傳輸到轉換器。轉換器安裝在傳感器上或離傳感器不太遠的地方，將傳感器傳輸過來的流量信號進行放大、運算和處理，轉換成與流量信號成正比的標準信號輸出，從而進行顯示、累積和調節控制。

2 現狀與問題

2.1 改造前的集成控制柜

二次儀表采用盤裝結構。多臺二次儀表安裝在集成控制柜中。每臺二次儀表獨立顯示和操作，所有二次儀表均與流量記錄儀連接，其流量信息全部存儲于記錄儀上。二次儀表所需供電電源開關、流量顯示、信號輸出均在集成柜面板上。

一次傳感器和轉換器之間采用電纜連接。電纜采用核級雙屏蔽電纜，其結構如圖2所示。

圖2 電纜結構示意圖

電纜和一次傳感器之間采用接插件連接。電纜上的接插件插針如圖3所示。

圖3 接插件插針示意圖

電纜線頭與接插件的插針焊接對應表如表1所示。

表1 電纜線頭與接插件的插針焊接對應表

電纜上連接二次儀表控制柜的一端，剝出線頭，接入控制柜的相應位置。二次儀表集成控制柜接線如圖4所示。

圖4 二次儀表集成控制柜接線圖

2.2 問題描述

Y1/9系統改造的電磁流量計已完成現場安裝，并上電調試。此時的流量計管線中：只有信號Y1020MD(以下簡稱020MD)流量計管道充滿介質，可調試；其余流量計不具備調試條件。其中，007MD/020MD直接影響硼表可用性。

在硼表標定前，020MD所在管線已充滿電導率約為8.0 μS/cm的硼酸液，且管道內流量穩定；但發現流量顯示異常，擾動過大，無法正確測量。020MD運行曲線如圖5所示。

圖5 020MD運行曲線

接入示波器觀察勵磁信號和電極反饋信號，發現020MD勵磁波形穩定，但采集的電極信號有較大干擾，被高頻信號淹沒。電極信號曲線如圖6所示。

圖6 電極信號曲線

3 故障原因分析

對已發現的電極信號擾動較大問題進行干擾源排查驗證。首先，對各接線回路、電磁流量計傳感器及主板進行了故障排查，發現接線均按設計圖紙正確接線、傳感器阻值及絕緣測試正常、更換主板后流量顯示異常情況仍未改善。

查看電纜線束接線，發現采用了勵磁線圈的屏蔽層作為信號地線，而勵磁為25 Hz的交流信號，對流量信號的采集有干擾。

查看控制柜發現，一次傳感器與主板間的電極反饋信號線經過了一次端子排的中轉，且020MD電極反饋信號接線在線槽內露出屏蔽層10 cm左右。此處的屏蔽不夠，信號受到干擾，導致流量顯示異常波動。另外，控制柜內主板之間沒有任何的保護和隔離，需驗證主板間是否存在干擾，以致流量測量異常。

3.1 信號地線排查

改造前的電纜線束接線如圖7所示。采用勵磁線圈的屏蔽層作為信號地線的信號地線可能設計不當，因此需要重新鋪設信號地電纜。

圖7 改造前的電纜線束接線示意圖

因NA298房間劑量率高，16臺MD都要從就地傳感器側重新鋪設信號地線較為困難，且現場當時沒有足夠長地線。為了繼續驗證，臨時將主板信號地接到系統地(即傳感器外殼)。將所有流量計主板的信號地均接到系統地銅牌后，觀察020MD流量顯示情況。可以觀察到:020MD單臺運行平穩，其運行曲線如圖8所示。但整柜流量計上電運行時，020MD流量仍有較小波動，其運行曲線如圖9所示。

圖8 020MD單臺運行曲線

圖9 整柜MD上電時020MD運行曲線

圖8、圖9驗證了此種信號地設計方式是020MD流量異常的影響因素之一，需改進。

3.2 端子排處接線干擾的排查

控制柜內020MD電極反饋信號在線槽內露出屏蔽層10 cm左右，作剪短處理后，屏蔽層覆蓋到接線端子排處。管線中充滿電導率約為8.0 μS/cm的硼溶液時，整柜上電時020MD流量測量較穩定，運行曲線如圖10所示。由圖10驗證了此處的信號線屏蔽不足也是流量不穩的影響因素之一。

圖10 整柜上電時的020MD運行曲線(8.0 μS/cm)

由前述可知，流體電導率的高低對采集的信號強度有直接影響。當電導率低時，電極反饋的信號較弱，受到干擾的影響越明顯，低電導率的流量測量對信號采集的要求更高。壽期末的測量介質電導率約為4.0 μS/cm。對此，將電導率降至4.0 μS/cm，運行一段時間后，觀測到020MD單臺運行穩定，運行曲線如圖11所示。

圖11 020MD單臺運行曲線(4.0 μS/cm)

但當各臺流量計依次上電至整柜運行時，020MD的流量測量受到影響，運行曲線如圖12所示。

圖12 各臺MD依次上電或斷電時020MD運行曲線

同時，為驗證主板間是否存在較大干擾，在整柜上電020MD出現大幅擾動期間，對020MD機柜內卡件兩側增加金屬板隔離主板間干擾，觀察流量擾動情況并無改善，從而判定主板間干擾較小。但從保護主板和減小干擾角度考慮，后期需定制封裝的機籠隔離主板。

由圖12可知，各臺流量計依次斷電至020MD單臺運行時，020MD流量顯示穩定。

判定在測量介質電導率較小(如4.0 μS/cm)時，僅對接線作屏蔽處理還不夠，或造成屏蔽不足。于是依次對各流量計停送電，排查出021MD/022MD的停送電對020MD運行影響最大。但021MD/022MD上電運行時，控制柜中021/022MD主板均離020MD主板較遠，主板空間干擾弱；而傳感器進線側端子排相鄰，因端子排側勵磁線圈存在幾十伏交流電壓，每個流量計存在一組勵磁線圈且無屏蔽，對相鄰電極信號干擾可能性更大。因此，還需排查端子排處干擾源。

前期工作：①對端子排側流量計的勵磁線套金屬屏蔽層，并接地；②對端子排側流量計的每組電極反饋信號線套金屬屏蔽層并接地；③再次確認傳感器側新鋪設的信號地及主板側接地接觸良好、接線無誤。

在電導率4.0 μS/cm條件下，對整柜流量計進行上電試驗。觀察0.5 h，020MD流量未出現擾動，但有上漲至136 L/h趨勢，未平穩，說明干擾仍沒有消失。其原因可能是后設的屏蔽沒有電纜原有的屏蔽效果好。對此，將020MD信號線及勵磁線從端子排處抽出，單獨引線至主板且做好屏蔽，不再經過端子排。整柜流量計重新上電，持續觀察1 h，020MD流量計穩定在130～134 L/h，沒有出現大幅擾動情況。端子排處理后的整柜上電020MD運行曲線如圖13所示。

圖13 端子排處理后的整柜上電020MD運行曲線

由圖13可知，一次傳感器至主板之間的端子排中轉接線方式屏蔽不足，干擾較大，對020MD低電導率流量測量有較大影響，需作重點改進。

4 集成控制柜改造及驗證

Y1/9系統流量計主板集成在同一控制箱內，020MD測量異常。分析排查結果為：①傳感器排查無故障；②主板無故障；③信號回路接線無誤，但屏蔽不全面；④信號回路的信號地廠家設計不當；⑤主板間干擾用自制金屬板隔離后效果不明顯，需采用機籠進行專門封裝；⑥線槽空間局促，動力和信號電纜未分開，因信號電纜有屏蔽，干擾不明顯；⑦勵磁線干擾為主因；⑧低電導率工況下電極信號弱疊加信號干擾因素，導致流量測量不穩定。

4.1 主要原因

①控制柜內流量計勵磁線與電極信號線無屏蔽，存在勵磁干擾。

②流量計信號地采用勵磁線圈屏蔽線的設計不當。

4.2 次要原因

①動力電纜與信號電纜未完全分開。

②控制柜內部信號線屏蔽層未完全覆蓋接線處，露出部分過長。

③主板間干擾。

4.3 改造措施

①取消604AR控制柜內一次儀表到信號處理板件之間的信號端子排，改為直接使用整根電纜從一次儀表接到信號處理的板件上。

②取消勵磁線圈的屏蔽層作為信號地線。選取電極信號中的白線并接作為信號地線；原勵磁屏蔽層需接地。

③信號線的屏蔽層剝開部分的長度不能超過5 cm。

④在信號處理板件之間加裝金屬屏蔽罩。屏蔽罩需接地、可單獨抽出并預留測試端子和散熱孔。為保證增加金屬屏蔽罩之后散熱良好，對機柜增加一進一出兩個散熱風扇，并布置在合理位置。需要注意的是，其220 V供電電纜不能與信號電纜布置在一起。風扇采用拔插式電源，與記錄儀一路并接供電，中間設置風扇熔斷器。

⑤將220 V以上的供電電纜和信號電纜分開布置，柜內220 V采用帶屏蔽層的電纜，屏蔽接到機柜接地排。

4.4 試驗驗證

改造集成控制柜后，采用重慶川儀研制的低電導率標定裝置對低電導率情況下的電磁流量計測量準確度進行了驗證。測量介質為純凈水(電導率為2 μS/cm)和自來水配制的電導率分別3.5 μS/cm、5 μS/cm、7 μS/cm的三種混合液，混合液電導率由檢驗合格的電導率儀測得。經檢測，三種電導率情況下的電磁流量計測量精度均滿足現場測量要求。

改造后的集成控制柜已在核電站2、5、6號機組進行了運行驗證。其中，在5號機組已穩定運行一年多，沒有出現異常狀況。

5 結論

本文針對用于核電廠核取樣介質流量測量換型改造的電磁流量計流量顯示異常問題，從電磁流量計原理出發，測試勵磁信號及電極反饋信號。由于觀測到電極信號受到較大干擾，在確認各接線回路、電磁流量計傳感器及主板均無問題的前提下，對電極信號的干擾源進行了逐一排查驗證，并采取相對應措施對干擾

源進行消除，最終對安裝電磁流量計二次儀表的集成控制柜作整體改造。經測試，改造后的控制柜現場運行穩定，無異常。