核電廠通風儀表選型研究

王 朋，張 婧，何 靜

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

通風系統是核電站重要的輔助系統，肩負著電站安全、穩定運行的重大責任，為設備運行和人員作業提供適宜的工作條件，并對氣態污染物進行控制和凈化。通風儀表是通風系統運行的先決條件，選擇、使用良好的儀表對核島通風系統正常運行起到至關重要的作用。以往項目中，參與控制的儀表多數選用開關量類型儀表，這類儀表數量較多，同時也暴露出較多問題。相較于開關量儀表，模擬量信號具有控制更精準，對設備狀態監控更全面、故障率更低的優點。因此，亟需對現有通風系統儀表重新開展選型與優化工作，以期能夠改善現有通風系統開關量儀表的各類缺陷，提高通風系統參數監測的總體性能。本文對通風系統中常用的溫度、壓力兩種儀表類型，從通風儀表的分類、原理、結構、選型、應用及其參與控制的實現等方面進行分析、探討和研究，并最終總結出各類通風儀表在選型過程中需要注意的關鍵問題，以期為后續項目中通風系統儀表選型提供借鑒和指導。

圖1 鉑熱電阻結構Fig.1 Structure of platinum thermistor

1 溫度儀表

1.1 原理及結構[1,2]

1）溫度開關

溫度開關通過給溫包充惰性氣體，氣體壓力隨溫度變化而變化，觸發微動開關動作。以往核電項目使用數量很多。

2）熱電阻

熱電阻主要分為金屬熱電阻和半導體熱電阻。

金屬熱電阻是利用金屬導體的電阻值隨著溫度變化而發生改變這一特性來測量溫度的。金屬鉑是熱電阻儀表較常采用的一種測溫元件，電廠使用多是鎧裝鉑熱電阻。鎧裝鉑熱電阻是將感溫元件封焊在由金屬套管、絕緣材料和金屬導線三者組合加工而成的鎧裝電纜內。

NTC 熱敏電阻是半導體熱敏電阻的一類，NTC 熱敏電阻是負溫度系數熱敏電阻，以錳、銅等金屬氧化物為材料，電阻值隨溫度增大而減小。這類儀表最主要的特點是：非線性關系、穩定性較差、測量范圍窄、靈敏度高。

1.2 儀表特點對比分析

目前，溫度開關儀表、NTC 熱敏電阻、PT100 鉑熱電阻在核電廠中應用均很廣泛，本節對3 種儀表的原理、特性、安裝及運行維護要求等不同方面展開對比，總結出3種儀表各自的優勢和缺點，為溫度儀表選型提供建議。

從儀表的原理角度考慮：溫度開關是通過壓力測溫度，由機械結構組成，強度大；NTC 熱敏電阻通過半導體電阻值測溫度，由金屬氧化物構成感溫元件，精確度高，但易被氧化；Pt100 鉑熱電阻通過金屬電阻測溫度，由鉑構成感溫元件，精確度高，性質穩定[3]。

圖2 鉑電阻和熱敏電阻線性對比Fig.2 Linear comparison of platinum resistance and thermistor

從儀表的特性方面考慮：溫度開關遠距離傳輸需要配置毛細管，但毛細管不宜過長，讀數容易滯后，對毛細管需要采取保護措施，防止損壞；NTC 熱敏電阻的阻值和溫度成反比關系，僅在25℃和50℃電阻具有最佳線性，超出這個范圍應由供貨商提供溫度/阻值表來查詢。但每個供貨商提供的NTC 溫度/阻值不盡相同，應用中會帶來更多的復雜性；Pt100 鉑熱電阻，測量范圍廣，若選用三線制測溫可消除電阻產生的誤差，精度高，響應速度快，不需要冷端補償 。

從儀表的安裝角度考慮：由于溫包內充惰性氣體，溫度開關不可以側裝，側裝會影響溫包的形變，影響儀表本體的機械結構，導致測量不精確，甚至會折彎、氣體泄漏。NTC 熱敏電阻和Pt100 鉑熱電阻垂直安裝和側裝兩種方式都可以測量。

從儀表的運行及維護角度考慮：溫度開關都是國外進口產品，價格昂貴，后期產品的維護、更換周期長，售后服務不便。熱敏電阻和鉑熱電阻都可以采用國內成熟產品，價格相對低，后期維護、更換及時、便捷。

從工藝要求溫度范圍考慮：通風系統極限溫度要求，低溫-15℃，高溫100℃。溫度開關不同量程儀表分別可以滿足低溫和高溫要求。NTC 熱敏電阻僅在25℃～50℃精度準確，Pt100 鉑熱電阻可以滿足全量程要求，精度高。

鉑熱電阻的電阻信號直接被采集進DCS 機柜或者就地箱調節器，轉變為4mA ～20mA 的標準信號進行輸出。信號可以根據工藝需求在不同地點進行控制、報警、顯示。

國內廠家也具備良好的技術和工藝生產鉑熱電阻，部分廠家的常用型號通過了抗震及耐輻照鑒定。

圖3 電容式壓力變送器原理圖Fig.3 Schematic diagram of capacitive pressure transmitter

2 壓力儀表

2.1 原理及結構[1,2]

1）微差壓開關

微差壓開關的工作原理是開關中的膜片響應壓力的變化而移動，驅動觸點致使開關在兩個預設點動作。預設點的斷開、閉合驅動設備達到控制目的，以往核電項目使用數量較多。

2）模擬量壓力變送器

壓力變送器主要有電容式和擴散硅式壓力變送器。

電容式微差壓變送器是根據變電容原理工作的，它的傳感器是電容，利用彈性元件受壓變形來改變可變電容器的電容量，從而實現壓力-電容的轉換。

用數學公式更簡潔地說明工作原理：

當P1=P2 時，C1=C2=K2/d0，K2=εS/4π。

其中，ε 為絕對介電常數；S 為兩極板正對面積；4π為計算常數。

當P1 ＞P2 時，Ci1=εA/d1。

測量膜片新移動距離：d1=Δd+d0，Δd=K1ΔP。其中，K1 是彈力系數；ε 是電極板間介質的介電常數；A 為板面積；P2 為大氣壓。

3）擴散硅式壓力變送器

擴散硅式壓力變送器工作原理：介質壓力作用于波紋膜片上，使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，從而使傳感器膜片表面的硅壓敏電阻的電阻值發生變化。擴散硅式壓力變送器的傳感元件是擴散硅壓阻芯片，同樣可以將電阻信號轉變為4mA ～20mA 的標準信號進行輸出。

擴散硅式壓力變送器利用半導體壓阻效應實現阻值變化，特點是敏感度高，產品一致性差。

2.2 儀表特點對比分析

微差壓開關儀表在核電廠通風系統中應用很廣泛，但其問題也比較明顯：回差較大，導致報警無法正常消報，甚至無法滿足設備運行和控制聯鎖要求，需要人員手動去現場消報；回差過小，又會導致信號抖動，頻繁報警，或頻繁啟停設備。由于這類情況屢次發生，考慮用其他微差壓變送器替代差壓開關。

目前，電容式微差壓變送器、擴散硅式壓力變送器在核電廠其他系統有著普遍的應用，本節對微差壓開關和這兩種變送器的原理、特性、安裝及運行維護要求等不同方面展開對比，總結出3 種儀表各自的優勢和缺點，為微差壓儀表選型提供建議。

從儀表的原理角度考慮：微差壓開關是通過位移來測量壓力的，觸點的通斷由驅動開關控制，由機械部件組成；擴散硅式壓力變送器是通過電阻值的改變來測量壓力的，由硅及膜片構成測量元件，靈敏度高、但膜片易受損；電容式差壓變送器是通過電容的改變來測量壓力的，由中心膜片構成測量元件，測量精度高，性能穩定[4]。

從儀表的特性方面考慮：微差壓開關儀表微差壓值可以做到2.5Pa。擴散硅式壓力變送器差壓值不能承受動態過載壓力，低于0℃，溫度穩定性大幅降低，一般不用于測量差壓。電容式差壓變送器含有δ 室，處于密閉結構，耐腐蝕，抗干擾能力強、穩定性好，中心膜片為不銹鋼金屬材質，承壓好、不變形。

從儀表的安裝角度考慮：開關量儀表中心膜片要求絕對豎直，現場是垂直安裝，避免因為重力影響測量精度。變送器可以側裝，膜片受重力影響，可以通過在線遷移調整“0”位。

從工藝要求范圍考慮：通風系統一般測量的是電加熱器或風機前后進出口的壓力差，監測的差值較小，有的甚至只有10Pa。如某些通風系統的部分微差壓檢測儀表，差壓值僅10Pa。部分通風系統處于放射性環境中，要保證接觸元件性質穩定。微差壓開關可以滿足上述工藝，擴散硅式壓力變送器針對微差壓值較低的量程供貨商難以滿足，電容式差壓變送器微差壓量程范圍可達到0Pa ～160Pa，精度保證全量程的0.5%。當測點低至10Pa 時，精度達到10%。

電容式差壓變送器分為檢測環節和變送環節，檢測環節由被測壓力的變化轉換成電容量的變化；變送環節則將電容變化量轉換成4mA ～20mA 的標準信號進行輸出。信號可以直接被采集進DCS 機柜或者就地箱調節器，根據工藝需求在不同地點進行控制、報警、顯示。差壓變送器信號框圖如圖4 所示。

圖4 差壓變送器框圖Fig.4 Block diagram of differential pressure transmitter

國內供貨商的電容式微差壓變送器具備良好的設計和工藝技術，部分廠家的常用型號通過了抗震及耐輻照鑒定。

3 結論

基于以上分析結果，Pt100 鉑熱電阻具有精度高、測量范圍廣、穩定性高，且阻值和溫度具有良好的線性關系，安裝方式沒有限制等優點，能夠滿足核電廠通風系統溫度采集的特點；電容式微差壓變送器具有低測量值、穩定性高、承壓范圍廣等優點，能夠滿足核電廠通風系統微差壓采集的多數需求，但是在差壓值非常低的情況下，電容式微差壓變送器精度降低，不具備明顯優勢。因此，在核電廠通風系統儀表優化設計方案中，統一考慮采用Pt100 鉑熱電阻進行溫度測量，考慮差壓值極低時仍使用微差壓開關或者采集風機狀態聯鎖控制差壓表所監測設備，普通的微差壓值測點可以采用電容式微差壓變送器進行差壓測量。