磁翻板液位计等液位计在核电厂疏水罐液位测量中安装和应用

本文概述：田湾核电3#、4#机组蒸汽管道的部分疏水罐液位计穿越楼板安装，如果要维护该液位计，需要在下层厂房搭建很高的脚手架到房顶，不仅维护困难且工作风险较高。为解决上述问题，改变了测量杆安装方式，同时更改了液位计内部接线，使液位计维护问题得到解决，提高了液位计维护便利性，降低了工业安全风险。
 
在核电厂的蒸汽管路中，为去除凝结水，要设置一些疏水罐，使凝结水由于重力下降并存储在疏水罐中，进而保证蒸汽质量。然而疏水罐容量有限，当液位达到一定高度时，需要对其排水。那么怎么知道疏水罐的水位呢？这就需要通过液位计时刻监视水位，通过DCS系统判断水位是否超过限值。当水位达到定义的高液位时，发出信号，打开疏水阀；当水位低于定义的低液位时，关闭疏水阀。田湾核电3#、4#机组采用了柯普乐公司BNA-S型的远传磁浮子液位计进行疏水罐液位的测量。该液位计安装时，变送器和接线盒位于下部。由于设计原因，部分疏水罐穿越楼板布置，进而液位计也要穿越楼板安装，这就使安装后的变送器和接线盒位于下层厂房的房顶部位，给日常维护、调试带来了极大的不便，在进行维护、调试工作时也会存在较高的工业安全风险。对比田湾核电1#、2#机组和其他核电、火电机组，目前不存在穿越楼板安装的疏水罐液位计，因此需要采取某种新措施来改变液位计维护的便利性，同时降低作业风险。
 
　　1 核电厂液位测量原理
在核电厂液位测量采用的液位计主要有磁翻板液位计、远传磁浮子液位计、差压液位计、静压式液位计、超声波液位计、雷达液位计。下面分别简要介绍各种液位计的测量原理。
 
　　1.1 磁翻板液位计
磁翻板液位计主要用于就地显示，是根据浮力原理和磁性耦合作用研制而成。当被测容器中的液位升降时，液位计本体管中的磁性浮子也随之升降，浮子内的**磁钢通过磁耦合传递到磁翻柱指示器，驱动红、白翻柱翻转180°，当液位上升时翻柱由白色转变为红色，当液位下降时翻柱由红色转变为白色，指示器的红白交界处为容器内部液位的实际高度，从而实现液位清晰的指示。
 
　　1.2 远传磁浮子液位计
该液位计的测量原理与磁翻板液位计类似，增加了检测磁浮子位置的传感器和变送器，进而把液位转化成4~20mA电流输出。
 
　　1.3 差压液位计
差压液位计是测量实际液位与参考液位的压力差值，进而换算出液位差值。由于参考液位高度恒定不变，通过参考液位减去液位差值即可得到实际液位值，实际液位值终通过仪表就地显示或转化成电流信号输出。
 
1.4 静压式液位计静压式液位计是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理进行液位测量，依据的计算公式为P=ρgH。
 
　　1.5 超声波液位计
超声波物位计工作原理是由超声波探头发出高频脉冲声波，声波遇到被测物位（物料）表面被反射，回波再被探头接收转换成电信号。声波的传播时间与声波的发出到物体表面的距离成正比。测量声波发出与接收到回波的时间，即可得到液位值。
 
　　1.6 雷达液位计
雷达液位计的测量原理与超声波物位计类似。它们的区别是：雷达液位计发出的是电磁波，超声波液位计发出的是机械波。
 
　　2 田湾核电厂疏水罐液位计安装测量方式及遇到的问题
田湾核电3#和4#机组采用柯普乐公司BNA-S型的远传磁浮子液位计进行疏水罐液位的测量，液位计量程是0~600mm，传感器检测磁浮子位置，通过变送器转化成4~20mA电流信号输出。
 
　　2.1 疏水罐液位计安装测量方式
田湾核电3#、4#机组现场疏水罐液位测量*先采用两个连通管把液位计测量筒与疏水罐连通，测量筒内部含有磁浮子，磁浮子高度随疏水罐内液位变化，测量筒外部安装测量杆，感受磁浮子高度，再通过下部变送器转化成电流信号输出到DCS系统。一些蒸汽管道安装布置贴近地面，疏水罐穿越楼板，这样就使液位计安装后变送器位于楼板下部，即下一层厂房的房顶；如图1所示。


 
图1 穿越楼板安装的疏水罐液位计（优化前）
 
2.2 液位计维护遇到的问题
采用上述方式安装的疏水罐液位计，要进行维护时，需要在下一层厂房搭建较高的脚手架到房顶，极大地增加了作业难度和作业风险，工作流程也比较复杂。所以需要采取某种措施来简化工作流程、降低工作难度、减小作业风险。
 
　　3 疏水罐液位计安装和测量的*先步改进方案
由于设计缺陷，穿越楼板安装的疏水罐液位计维护难度较大，作业风险较高，工作流程相对复杂。为解决上述问题，拟采取以下两个方案。
 
　　3.1 反向安装液位计测量杆
液位计测量杆反向安装后，变送器和接线盒位于楼板上部，反装后示意图如图2所示。



维护时变送器位于接近地面的位置，易于到达，不存在高处作业风险，不需要搭建脚手架，工作流程也能得到简化。
 
采取如上措施后，以前的问题得到了解决；但是又出现了新的问题：原来的液位测量关系是0mm水对应输出4mA电流，600mm水对应输出20mA电流。反向安装测量杆后，0mm水对应输出20mA电流，600mm水对应输出4mA电流，电流输出也被反向了。为解决这个问题，还需要进一步改进。图2 穿越楼板安装的疏水罐液位计（优化后）
 
　　3.2 对DCS中软件量程进行反向设置
由于就地实际液位和逻辑中识别的液位是通过电流信号进行联络的，原来安装方式，实际液位正比于电流信号，电流信号正比于逻辑中识别的液位值。反向安装测量杆后，实际液位与电流信号的关系反向，因此逻辑中识别的液位值与实际液位也反向。如果此时反向设置逻辑中的软件量程，将原来的下限0mm、上限600mm，改成下限是600mm、上限是0mm，那么电流信号和逻辑中识别的液位值也会反向。根据负负得正的原则，此时就地实际液位与逻辑中识别的液位值一致。
 
　　4 疏水罐磁翻板液位计安装和测量的二步改进方案
*先步方案实施后，解决了之前存在的诸多问题，逻辑中的液位值也能够与就地液位一一对应，实现正常的液位测量。但是由于逻辑中反向设置量程的上下限，导致操纵员画面中液柱刻度也反向，即600mm在下面、0mm在上面；这不符合人们的日常习惯，容易形成误导，造成失误事件。同时软件反向设置后，系统不允许在对该测点进行数值仿真，如果现场要进行液位计维修，将会影响现场维修工作的开展，因此还需要进一步改进液位计的安装和测量方式。4.1 深入研究疏水罐磁翻板液位计测量原理为寻求更好的改进方案，对疏水罐液位计的测量原理进行了深入研究。液位计测量杆中是由等间距排布的干簧管和电阻元件组成，当磁浮子达到某一高度时，对应的干簧管闭合，如果能识别出哪个干簧管闭合，即可获得当前液位值。那么变送器又是如何识别出哪个干簧管闭合的呢？再次探究测量杆内部电路，绘制液位计内部原理图，如图3所示。测量杆内部电阻串联连接，每两个电阻的连接处连接干簧管的一端，干簧管的另一端并联连接，终引出兰、棕、黑三根信号线。
 
根据原理图可以清晰的分析出测量原理：兰色线和黑色线施加恒定电压，棕色线作为反馈信号线。当磁浮子处于不同高度时，相应的开关（干簧管）闭合，输出一个电阻分压信号。测量棕色线电压，即可获得闭合的干簧管位置，经过变送器模块即可转化为4~20mA信号，进而得到当前液位。


 
图3 液位计内部原理图
 
4.2 更改液位计内部传感器接线
 
如图3所示，假定1号端子（蓝色线）连接测量杆顶部电阻，3号端子（黑色线）连接测量杆底部电阻，按照*先步优化中提到的反向安装测量杆的措施实施后，顶部电阻和底部电阻调换位置，此时3号端子连接测量杆顶部电阻，1号端子连接测量杆底部电阻。变送器与液位成正比、输出4~20mA的条件是1号端子连接顶部电阻、3号端子连接底部电阻。反向安装测量杆后，此时调换蓝色线和黑色线的端接位置，即1号端子接黑色线、3号端子接蓝色线，就可以仍然满足变送器正向输出的条件，此时不再需要逻辑中对软件进行反向设置。
 
　　4.3 恢复逻辑中软件量程设置
　　由于反向安装测量杆并更改液位计内部传感器接线后，实际液位与电流输出成正比关系，需要把原来反向设置的软件量程恢复到原来的正常状态，即下限是0mm、上限是600mm。
二步优化后，能够在液位计测量杆反装情况下获得正向的信号输出，既解决了原来的维护便利性问题，也消除了后来产生的操纵员画面不符合习惯、逻辑中不能仿真的问题。
 
　　5 结束语
　　核电厂在设计、建设、调试、检修过程中会遇到很多设计不够完善的地方。本文把笔者亲身经历的疏水罐液位计安装和测量方式改进过程与各位读者分享。对于如何避免疏水罐磁翻板液位计出现类似问题，在此提出个人的一些建议：*先在设计时尽量避免存在厂房顶部或穿越楼板安装的仪表。如果不能避免此情况，应考虑厂房顶部或穿越楼板安装的仪表怎样安装更方便维护，或者设计专门的检修平台；业主方审查设计文件时也需要考虑这一点。笔者通过深入研究疏水罐液位计测量原理后，经过两步优化方案，终才使得所有问题得到有效解决。这说明对于仪表的理解不应仅仅停留在应用层面，理解仪表的本质对于处理现场问题还是大有帮助。


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