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超声波液位计在压水堆核电厂中的应用



摘要:介绍了超声波液位计在某压水堆核电厂放射性废液系统•●、放射性固体废物中的应用。基于超声波液位计的测量原理, 依据工程现场实际发生的具有代表性异常事件, 分析了影响超声波液位测量的主要因素, 并提出了相应的解决措施, 对压水堆核电厂放射性废液•●、放射性固体废物超声波液位计的设计•●、选型•●、安装具有一定的参考意义。

超声波液位计在压水堆核电厂中的应用

1•●、超声波液位计原理:

  通过液位计探头振动, 发出脉冲波, 遇被测水面被反射, 折回的反射回波被同一探头接收, 测出波返回的时间, 即可探测出液位高度。超声波液位计在工程领域具有广泛的应用, 在某压水堆核电厂放射性废液系统和放射性固体废物系统中就大量选用了该类型的液位计, 其中放射性废液系统用来收集核电厂启动及运行期间产生的放射性液体废物, 收集罐体上均安装了超声波液位计, 罐体分别为安全壳地坑, 化学废液箱液位计, RCDT (反应堆冷却剂疏水箱) , 真空脱气塔的分离器, 废液监测箱液位计, 废液暂存箱;放射性固体废物主要应用于废树脂储存罐液位监测。在这些液位计投运期间, 发生了多起液位计跳变及测量不准现象, 造成的泵误启动, 泵跳闸, 树脂罐体溢流等异常事件, 本文将对这些事件进行分类阐述。

2•●、超声波液位计测量过程中缺陷及影响因素:

2.1•●、安装位置对测量影响:

  放射性废液系统的14台超声波液位计中, 有11台在完成单体调试后, 实际使用过程中发现, 罐体中无水, 液位计显示满水, 或者液位计显示坏点, 罐体注排水过程中会有偶发性液位跳变, 放射性固体废物系统中有2台也出现相同缺陷。

  超声波液位计在发出超声波后, 单边波距离中心有约12℃的发散角度。从工程应用角度, 这就要求超声波液位计探头能够深入到所测罐体中;若没有深入罐体内部, 而是安装到罐顶的液位计管嘴, 则要求这个管嘴直径比探头直径越粗越好, 管嘴长度越短越好, 这样可以避免波打到罐体壁面, 或者探头受到挤压, 造成探头振动受阻。在热试过程中, 这些液位计均发生了不同程度的测量偏差及跳变现象, 原因是与这些罐体相连的隔膜泵启动后, 罐体有不同程度的振动现象, 导致探头再次倾斜或者与管嘴内壁相碰。

  化学废液监测箱液位计, 也出现上述缺陷, 虽然与上述液位计均是同一数据表, 但是这三台液位计选用了另一厂家的液位计。该厂家文件中有明确说明, 探头至少应该深入罐体10cm, 现场将罐顶长管嘴截短, 将探头深入到罐体内部, 由于液位计探头尺寸仅有1.97英寸, 深入罐体时未与切割后的管嘴接触, 改变安装方式后, 液位计运行稳定。在压水堆核电厂其他大型罐体, 如硼酸储存箱•●、设备冷却水波动箱也装有超声波液位计, 均没有存在上述安装问题, 测量监视结果一直较为稳定。液位计探头振动受阻和超声波打到了管嘴壁面, 是造成这些常温常压工作环境下的液位计失准的直接原因。

2.2•●、蒸汽对测量影响:

  异常情况描述:稳压器窄量程液位37.5%, 液相温度226.9℃, 汽相温度221.9℃, 压力2.36MPa, 在此工况下, 操作员执行了稳压器向放射性废液系统向RCDT排气操作, 在这过程中RCDT至放射性气体废物系统阀门保持开启, RCDT压力在0~0.04MPa (G) 。稳压器共排气两次。排气后, RCDT液位计异常波动, 且显示为满量程。

  从稳压器至RCDT排气时, 阀门打开瞬间即发现RCDT压力上涨, 说明虽然管线较长, 但用时较短, 可以认为排气过程是绝热过程。查询水和蒸汽性质表, 根据等熵过程计算得出, 排向RCDT介质对应的温度在99~109℃, 介质处于湿蒸汽区, 由于沿线阀门的节流作用, 实际过程会产生不可逆熵增, 实际排至RCDT的介质温度高于99~109℃, 含蒸汽量更多 (蒸汽干度更大) 。蒸汽将影响波的传播速度, 并且蒸汽会在探头上结露, 造成测量发出去的波瞬间返回。

2.3•●、压力波动对测量影响:

  异常工况描述:执行安注箱降压排气, 从安注箱排氮气至RCDT, 再排向放射性气体废物系统侧, 在整个排气过程中, RCDT压力由0波动至70kPa, RCDT液位计在压力刚刚升高时, 剧烈波动, 在压力升高期间, 液位也在波动, 在执行完成安注箱排气操作后, RCDT压力恢复正常值, 液位计也稳定到之前显示值。

  工况分析:RCDT正常运行时, 低液位至罐顶的气空间仅有2.4m3, 氮气排入流量, 设计文件并未做限制, 压力变化属正常设计工况。

  基于超声波传播与介质密度有关的原理, 排气瞬间造成了RCDT上部氮气密度骤增影响了波的传播速度, 同时排气的初始阶段液位出现剧烈跳动, 是由于排气瞬间, RCDT气体密度不均匀, 超声波出现折射, 造成液体计出现失波现象。

3•●、结论:

1) 超声波液位计探头安装时需要深入罐体内部, 且不与罐体直接接触。若安装到管嘴, 管嘴越短•●、越粗, 液位计测量越精准。

2) 超声波液位计不能用于存在蒸汽相的罐体液位测量中。设计和采购选型时应当对罐体的运行工况有全面的了解, 对于存在蒸汽相的罐体液位计可用选雷达式液位计。

3) 压力对超声波液位计测量的最主要影响是造成失波, 引起液位跳动, 这一点可以通过在数据处理端加入滤波来屏蔽, 避免液位波动。



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