核电厂放射性排水系统液位开关改造

    摘要：介绍秦山第三核电厂（简称秦三厂）重水堆机组71700放射性排水系统用浮球液位开关的改造过程，包括故障分析、设备选型、安装使用，为其他电厂同类问题解决提供借鉴。

1 背景

    系统71700承担着反应堆厂房内各系统正常疏水、异常泄漏放射性水的收集、处理和排放功能。各类水先汇集到相应区域的地坑，到达一定量后坑内的液位开关动作启动疏水泵将水排出。71700系统使用的是 FQ* 型浮球液位开关，靠自身重力悬挂于地坑壁附近，一个开关对应一个液位控制点，当水位上升到该高度，开关浮起翻转，里面的触点动作。单个地坑zui多有低 / 低、低、高、高 / 高、超高液位控制 / 报警五个浮球，吊放于不同高度。因71700系统地坑收集的水质较脏，浮球开关工作环境恶劣，故障率高。据不完全统计，2000~2007年间，秦三厂两台机组71700系统共发生因浮球开关故障引起的缺陷132次，厂房和设备被水淹33次，更换浮球105个。

    浮球开关故障原因有 ：球体与导线结合处密封不好，球体进水，导致内部开关机构浸泡、污损 ；不同高度液位开关导线相互缠绕，球体无法翻转 ；球体被导线与地坑壁夹住无法翻转 ；球体内开关机构失效，无法触发或复位 ；开关接线盒位于地面上，内部端子易锈蚀，导致开关虚假信号。FQ300型浮球液位开关可靠性低，影响了71700系统功能，须进行改造。

2 方案选择

2.1 静压式液位计

    工作原理见图1。静压式也称为投入式，将测量元件放入容器底部，介质产生的静压造成测量元件内的电容变化，电容值传输到主机（变送器），被转换为4-20mA、0-5Vdc 等输出信号。

    可行性分析。静压式液计安装方便，不受安装空间大小影响，但由于测量元件长期埋在底部，对其密封性和耐腐蚀性要求高，且测量膜片要保持清洁，如果被泥沙掩埋则无法正确测量静压。71700系统大部分地坑水中含有放射性或酸碱性泥沙淤积，测量元件易被掩埋 ；同时在地坑进水和排水过程中测量元件在水中摇晃，会导致连接缆磨损或者膜片碎裂。

    结论 ：静压式液位计适合较干净、整体较平稳的介质液位测量，不适合71700系统使用。

2.2 超声波液位计

    工作原理见图2。非接触式，探头从被测介质顶部发射超声波脉冲（35~70kHz），达到被测介质表面后被反射回来，探头予以接收。超声波脉冲传播速度一定，从发射到接收回波时间与探头到被测介质表面的距离成正比，经处理后液位计输出相应电信号。

    可行性分析。超声波液位计采用非接触式测量，安装 / 调试简单、维修方便，但声波是以一定波束角发射，传导发射区域内需没有障碍。71700系统地坑中有金属格栅板、排水管、潜水泵及线缆，且地坑边 / 径通常不大，地坑壁的回波会干扰正常的测量。超声波探头还有一共性不足 ：当气温、湿度变化时，水汽会在探头表面凝结，造成声波无法正常发射、接收而影响测量。

    结论 ：超声波液位计适用于敞口池、水处理等液位测量，不适合71700系统使用。

2.3 导波雷达液位计

    工作原理见图3。探头发射的电磁脉冲以光速沿钢缆、棒或包含一根棒的同轴套管传播，接触到被测介质后，部分脉冲被反射，回波沿原路径返到发射探头。电磁脉冲传播速度一定，从发射到接收回波时间与探头到被测介质表面的距离成正比，经处理后液位计输出相应电信号。

    可行性分析。导波雷达液位计具有以下优点 ：发射、测量、传感元件全都在表头中，钢缆只作为天线传导雷达波，不存在如静压式液位计因泥沙掩埋损坏元件、仪表的问题 ；微波沿着钢缆发射，绝对精度可以达到5mm，不会发生如超声波液位计由于虚假回波引起测量错误 ；钢缆全部采用不锈钢316L 材质，耐腐蚀 ；电磁波具有良好的穿透性，钢缆上黏附的泥沙、杂物不影响测量。

    结论 ：导波雷达液位计测量原理成熟、适应性广，且可以不带料调整，安装、调试成本低，适合71700系统使用。

3 仪表选型

    拟选用的导波雷达液位计须满足现场控制需要，同时工作电源、安装方式应就地取材，尽可能不改变原有设计和布置，具体要求 ：实现五个液位设定点测量和报警 ；开关信号直接接入原电路 ；仪表工作电源为110Vac ；使用地坑盖板上原有安装孔 ；仪表性能维护方便、可靠性高。经对比，zui终选用某品牌智能仪表，由液位测量探头、信号处理器（带显示，输出低 / 低、低、高、高 / 高液位开关量）和报警模块（输出超高液位报警），安装示意见图4。

4 安装与调试

4.1 安装

    探头 ：安装于原浮球开关线缆贯穿孔位置 - 地坑盖板中央（见图5），通过法兰固定。为稳定探头下方的导波钢缆，将原配吊锤更换为不锈钢配种盘。头输出接线套管均采用不锈钢密封接头，提高防水性。探头工作电源由信号处理器提供，输出4-20mA电流信号。

    信号处理器 ：就地仪表箱如有空间，则将信号处理器安装其中 ；若没有空间，则加装单独的仪表箱，进出线缆均走保护套管。110Vac 工作电源取自控制回路，未额外增加。处理器接收探头的测量信号，输出的四路开关信号接入控制回路的相应位置。

    报警模块 ：与信号处理器串联安装在同一仪表箱里（见图6），将探头的输出信号转换为开关量，送主控室实现超高液位报警功能。

4.2 调试

    探头见图7。探头安装在地坑顶端盖板上，距底部高度 h（已知常数），通过测量探头与水面距离 D，换算出积水深度 L=h-D ；s 为满液位深度，已知常数；就探头测量距离 D：当0液位时，即 L=0，D（0）=h；当满液位时，即 L=s，D（100%）=h-s。将 D（0）和 D（100%）两个数值用 HART 通讯器设置到探头中即可，确认探头输出4～20mA 信号。

    信号处理器带显示及四路开关输出功能 ：显示设置。输入4～20mA 信号，将显示设置为相应的地坑液位深度，如0～5米 ；开关设置。将原液位报警值折算成相应百分比，如30%。

    以上设置通过处理器上按键操作即可。

报警模块 ：模拟输入超高报警液位相应的电流信号，调节设定值旋钮。

5 效果评测

    导波雷达液位计集成化、模块化程度高，安装、设定简单 ；探头外壳为不锈钢，全密封设计，抗腐蚀、防潮防水，可以在废水、海水等恶劣水质下使用。71700系统浮球液位开关于2008年完成改造，至今导波雷达液位计未发生过因自身问题导致的故障，大大减轻了维修人员工作量和维修材料成本。

    因地坑内环境恶劣，排水泵停电 / 故障或进水过多，地坑积水可能会漫到 / 过探头，探头被挂上杂质，发生后对探头进行清理即可。另，探头可连接计算机，通过组态软件检查反射波曲线，对判断干扰源提供了有效手段。在日常维护中，可以用装有组态软件的 PC 机远程观察反射波曲线图，定期检查反射波是否存在被干扰的现象。如果存在，检查探头安装位置附近是否有金属物或固体杂质。基于设备可靠性高、免维护等特点，导波雷达液位计在方家山、三门、大亚湾等核电机组中都有较广泛应用。