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循环水过滤系统液位计选型分析

日期：2019-04-03 来源：作者：

摘　要：根据循环水过滤系统的功能要求和现场条件，简要说明了液位计的选型方法。介绍了循环水过滤系统选用的几种液位计的测量原理、安装要求及优缺点，包括投入式液位计、超声波液位计和雷达液位计。通过分析液位计在应用中遇到的问题，变更了液位计的选型，由雷达液位计代替超声波液位计。

循环水过滤系统是核电站重要的辅助系统，功能是对核电站使用的海水进行过滤预处理。过滤后的海水提供给重要厂用水系统和循环水系统，对核电站的安全运行具有重要的意义。循环水过滤系统主要由闸门、细格栅、格栅除污机、鼓形滤网、滤网冲洗装置等设备组成。每个格栅除污机和鼓形滤网都设有液位差计，用于格栅除污机和鼓形滤网电机的自动启停控制和液位报警。

1 系统功能要求

液位差计由设备前后液位计和数显仪组成，格栅除污机和鼓形滤网前后的液位计在数显仪内做差值后送控制系统（格栅除污机液位差计送PLC，鼓形滤网液位差计送DCS）。格栅除污机和鼓形滤网在自动控制模式下，联锁液位差信号自动启停。以华龙一号核电机组为例：

（1）格栅除污机控制要求：当液位差值≥0.12m时，格栅除污机执行自动运行程序；当液位差值≥0.25m水柱时，发送报警信号至主控室；

（2）鼓形滤网控制要求：当液位差值≥0.1m水柱时，自动切换到中速电机运行；当液位差值≥0.2m水柱时，自动切换到高速电机运行；当液位差值≥0.3m水柱时，发送报警信号至主控室；当液位差计信号≥0.8m水柱时，发送第二次报警信号至主控室，循环水泵自动脱扣。循环水过滤系统是核安全相关系统，为增加系统的可靠性，液位差计采用冗余设置。

2 仪表安装环境

格栅除污机位于进水渠道的细格栅和格栅除污机间，用于去除细格栅拦截到的杂物，液位测点位于细格栅的两侧；布置剖面图，如图1所示。

鼓形滤网位于鼓网腔室，用于过滤海水中直径3mm以上的杂物，鼓形滤网为双侧布置，网内进水，液位测点位于鼓形滤网的侧面和滤网外侧；布置剖面图，如图2所示。

细格栅和格栅除污机间和鼓网腔室顶板位于0m层，顶板厚度1.2m以上，房间深20m左右，介质为海水，常温常压。由图2可以看出，液位测量范围较大，空间内有格栅除污机和鼓形滤网这些动设备，安装空间相对有限，在选型时需考虑液位计的安装方式。

3 仪表选型

远传式液位计类型有差压式液位计、投入式液位计、浮子式液位计、浮筒式液位计、电容式液位计、磁致伸缩式液位计、超声波液位计和雷达液位计等。仪表选型原则是仪表测量范围、测量精度和安装技术是否符合测量要求，其测量原理能否适应使用环境。

在循环水过滤系统中，液位测量范围大，液位差报警设定值间只差10cm，故量程为25m的液位计误差不能>0.2%FS，zui好≤0.1% FS。液位测点位于0m以下，水平空间结构只有2.5m左右，数显仪和仪表变送器部分只能位于顶板上，安装维护空间有限。测量介质为海水，有强腐蚀性，不锈钢等金属材料容易被腐蚀，对接液材料的选择和处理有较高要求。

3.1 投入式液位计

在秦山和方家山核电站项目中，格栅除污机和鼓形滤网前后液位计均为投入式液位计，但采用不同型号和不同厂家，分别为博德LMK系列和E+HFMX系列，传感器为陶瓷电容式。投入式液位计是基于所测液体静压与该液体高度成正比的原理，通过压力测量元件将静压转换成电信号，再换算为液位高度，一般采用扩散硅或陶瓷电容等压力传感器作为压力测量元件。投入式液位计广泛应用于各种原型水位的测量。

投入式液位计由内置毛细软管的特殊导气提携电缆、压力传感器和转换电路组成。液位测量实际上就是在测探头上的液体静压与大气压之差，然后再由压力测量元件和电子元件将该压差转换成4~20mA输出信号。投入式液位计的提携电缆应安装在一个安静的区域或一个合适的护管内，以避免探头的侧面运动以及虚假测量值。投入式液位计总体结构，如图3所示。

投入式液位计具有以下优点：

（1）不受被测介质起泡、沉积、电气特性的影响；

（2）固态结构，无可动部件，其机械结构对过载及腐蚀性介质具有高抵抗性；

（3）结构简单、安装维护方便，探头部分可直接投入到液体中。

投入式液位计具有以下缺点：

（1）不适用压力容器和高温介质的液位测量，测量介质密度须均匀一致；

（2）介质中杂质过多时易堵塞测量孔。循环水过滤系统中投入式液位计安装于0m层顶板，在房间侧壁预埋φ200mm玻璃钢管，玻璃钢管底部与房间相通，形成连通器，探头直接投入玻璃钢管中，避免了由于介质波动对测量的影响。静压式液位差计测量值是由两个投入式液位计做差值而来，所以两个投入式液位计探头需等高安装。由于探头接触海水，探头涂装防腐涂层抵抗海水腐蚀。其精度和测量范围可满足功能要求。投入式液位计安装示意图，如图4所示。

虽然使用不同型号和厂家的液位计在一定程度上增加了测量的可靠性，但由于其安装方式和测量原理相同，有较大概率发生共模故障。海水中可能存在泥沙和海生物，投入式液位计的探头测量孔有被堵塞的风险，影响测量值得可靠性和稳定性。

3.2 超声波液位计

在海南、福清和田湾核电站项目中，考虑到可能的共模故障，对循环水过滤系统液位计选型明确提出了冗余液位计需使用不同测量原理的要求。超声波液位计技术是比较成熟和实用的测量方式之一，其非接触式测量原理也是未来测量技术发展的主要趋势。故在之后的核电项目中每系列的格栅除污机配置一套超声波液位差计和1套静压式液位差计，鼓形滤网配置1套超声波液位差计和两套静压式液位差计。

超声波液位是基于时域反射原理，由传感器向液位表面发射超声波脉冲信号，脉冲信号在介质表面发生反射，反射信号被传感器接收，变送器测量发射与接收脉冲信号的时间差T。声波的传播时间与声波的发出到介质表面的距离成正比，传感器至介质表面距离S与声速C和声传输时间T的关系可用公式表示：S=C×T/2。再由空罐高度E减去S，即为介质物位L。如图5所示。

超声波液位计具有以下优点：

（1）非接触式测量原理，可适用于有毒、腐蚀性、高粘度和低温介质的物位和界面测量；

（2）超声波为机械波，不受介质的介电常数、电导率、热导率等特性的影响；

（3）无机械可动部件，传感器的压电晶片虽振动，但振幅很小，结构简单，寿命长；

（4）可测范围广，液体、粉末、固体颗粒的物位都可测量。

超声波液位计具有以下缺点：

（1）超声波液位计测量有盲区，量程越大，盲区越大，选型时需注意测量范围；

（2）超声波的传播速度受传播介质温度、密度、压力等因素影响影响，不适用压力容器和易挥发性介质液位测量；

（3）超声波的传播介质中若存在某些介质对超声波有强烈吸收作用，会使超声波衰减明显，降低回波质量，影响测量效果。

循环水过滤系统中超声波液位计安装于0m层顶板，位于安装空间中间位置，使超声波发射角内无过多障碍物，在顶板预留φ400mm孔洞。由于超声波为非接触式测量，可很好地避免海水的腐蚀。且与静压式完全不同的测量原理和安装方式，也避免了共模故障的发生，其精度与测量范围可满足功能要求。超声波液位计安装示意图，如图6所示。

根据福清、海南核电项目的经验反馈以及田湾业主提供的岭澳一二期、阳江、宁德等多基地的反馈数据，循环水过滤系统的超声波液位计经常有测量数据不稳定，液位波动和死机等现象，造成液位信号误报，即液位差计发出液位差高信号，而现场实际液位差在正常范围内。

超声波液位计液位差高信号误报的产生原因分析如下：

（1）所测海水表面存在泡沫和漂浮物，会吸收和扩散超声波，导致回波减弱且不稳定，而且仪表安装环境水蒸气含量高，超声波探头凝露，会产生虚假回波或者回波消失，造成测量值跳变或死机；

（2）超声波液位计探头安装位置水泥预制板非常厚，安装留洞约深1.2m，探头与留洞上表面齐平，由于机械波具有可压缩性，过长的留洞会增加回波噪声，超声波的发射和接收受到很大阻碍，会造成超声波液位计原始噪音线过高，而液位越高，有效回波与回波噪声越强，有效回波越容易丢失。图7为超声波液位计实际回波曲线。

如果循环水过滤系统的超声波液位计误报将会造成：

（1）鼓形滤网会误切至中速运行并在中速电机及低速电机之间频繁切换，格栅除污机频繁启动，增加设备磨损、缩短设备寿命；

（2）频繁触发报警信号至主控室，须有工作人员到现场检查确认，增加人力成本；

（3）在“超声波液位计测得的鼓网前后液位差≥0.8m”误报期间，只要有一套投入式液位计测得的鼓网前后水位差信号≥0.8m水柱，将会直接触发循环水泵脱扣，循环水量减少，机组需降功率运行甚至停堆。

由于上述原因，需要将超声波液位计更换为适应此测量环境的其他类型液位计。为了防止共模故障，仍然需要配置两种不同测量原理的液位计，不能将超声波液位计简单更换为投入式液位计。而雷达式液位计精度高，功率较大，对于水汽凝露有更好的测量效果且能应用于上述测量环境，能够满足循环水过滤系统液位测量要求。

3.3 雷达液位计

雷达物位计原理与超声波液位计类似，都是基于时域反射原理，区别是超声波液位计发射的是超声波，雷达液位计发射的是电磁波。雷达液位计的天线发射的电磁波以光速传播，当遇到被测介质表面时，电磁波被反射形成回波并沿相同路径返回到脉冲发射装置，发射装置与被测介质表面的距离同电磁波在其间的传播时间成正比，经计算得出液位高度。

雷达液位计具有以下优点：

（1）电磁波可在真空中传播，电磁波随距离衰减小，穿透力强，不受大气、蒸汽、介质挥发的影响；

（2）非接触式测量，可适用于有毒、腐蚀性、高粘度和低温介质的液位测量；

（3）无可动部件，可靠性高，安装维护方便，使用寿命长；

（4）测量范围大，精度高，量程zui大可达70m，精度可达±2mm。

雷达液位计具有以下缺点：

（1）当空气中存在高介电性的粉尘粉末（石墨，铁合金等）时，对电磁波有衰减作用，测量距离和效果受影响；

（2）被测介质介电常数不能太小，<1.5时不能测量。

循环水过滤系统中采用80GHz高频雷达液位计，可穿透泡沫、凝露，测量无盲区，两线制仪表，方便安装，无需现场维护。高聚焦的雷达波束不受安装高度限制，发射角zui小可达3°，能适应1.2m深φ100mm孔洞，无需下沉安装。但泡沫过多时依然会影响测量精度，需要定期清理泡沫，改善测量环境。图8为雷达液位计实际回波曲线。雷达液位计的回波曲线平滑、稳定，能够很好地适应安装环境。

4、结束语

液位计是循环水过滤系统正常运行不可或缺的一部分，测量的稳定性关乎核电站的平稳运行。在仪表设计选型中需充分考虑仪表的测量原理和测量特性，避免环境因素带来的测量误差和故障。由于雷达式液位计和超声波液位计的测量原理的不同，对于测量环境也有不同的要求，在仪表选型中要考虑各种可能的影响因素，并根据实际应用中的各种问题更换仪表选型。液位计种类繁多，唯有与测量环境相匹配的才是zui好的液位计。

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