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核電廠蒸汽夾套型磁翻板液位計安裝和測量的優化
摘要：田灣核電3#、4#機組蒸汽管道的部分蒸汽夾套型磁翻板液位計穿越樓板安裝，如果要維護該液位計，需要在下層廠房搭建很高的腳手架到房頂，不僅維護困難且工作風險較高。為解決上述問題，改變了測量桿安裝方式，同時更改了液位計內部接線，使液位計維護問題得到解決，提高了液位計維護便利性，降低了工業安全風險。
在核電廠的蒸汽管路中，為去除凝結水，要設置一些疏水罐，使凝結水由于重力下降并存儲在疏水罐中，進而保證蒸汽質量。然而疏水罐容量有限，當液位達到一定高度時，需要對其排水。那么怎么知道疏水罐的水位呢？這就需要通過液位計時刻監視水位，通過DCS系統判斷水位是否超過限值。當水位達到定義的高液位時，發出信號，打開疏水閥；當水位低于定義的低液位時，關閉疏水閥。田灣核電3#、4#機組采用了柯普樂公司BNA-S型的遠傳磁浮子液位計進行疏水罐液位的測量。該液位計安裝時，變送器和接線盒位于下部。由于設計原因，部分疏水罐穿越樓板布置，進而液位計也要穿越樓板安裝，這就使安裝后的變送器和接線盒位于下層廠房的房頂部位，給日常維護、調試帶來了*大的不便，在進行維護、調試工作時也會存在較高的工業安全風險。對比田灣核電1#、2#機組和其他核電、火電機組，目前不存在穿越樓板安裝的蒸汽夾套型磁翻板液位計，因此需要采取某種新措施來改變液位計維護的便利性，同時降低作業風險。
1 核電廠液位測量原理
在核電廠液位測量采用的液位計主要有磁翻板液位計、遠傳磁浮子液位計、差壓液位計、靜壓式液位計、超聲波液位計、雷達液位計。下面分別簡要介紹各種液位計的測量原理。
1.1 磁翻板液位計
磁翻板液位計主要用于就地顯示，是根據浮力原理和磁性耦合作用研制而成。當被測容器中的液位升降時，液位計本體管中的磁性浮子也隨之升降，浮子內的永久磁鋼通過磁耦合傳遞到磁翻柱指示器，驅動紅、白翻柱翻轉180°，當液位上升時翻柱由白色轉變為紅色，當液位下降時翻柱由紅色轉變為白色，指示器的紅白交界處為容器內部液位的實際高度，從而實現液位清晰的指示。
1.2 遠傳磁浮子液位計
該液位計的測量原理與磁翻板液位計類似，增加了檢測磁浮子位置的傳感器和變送器，進而把液位轉化成4~20mA電流輸出。
1.3 差壓液位計
差壓液位計是測量實際液位與參考液位的壓力差值，進而換算出液位差值。由于參考液位高度恒定不變，通過參考液位減去液位差值即可得到實際液位值，實際液位值*終通過儀表就地顯示或轉化成電流信號輸出。
1.4 靜壓式液位計
靜壓式液位計是基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理進行液位測量，依據的計算公式為P=ρgH。
1.5 超聲波液位計
超聲波物位計工作原理是由超聲波探頭發出高頻脈沖聲波，聲波遇到被測物位（物料）表面被反射，回波再被探頭接收轉換成電信號。聲波的傳播時間與聲波的發出到物體表面的距離成正比。測量聲波發出與接收到回波的時間，即可得到液位值。
1.6 雷達液位計
雷達液位計的測量原理與超聲波物位計類似。它們的區別是：雷達液位計發出的是電磁波，超聲波液位計發出的是機械波。
2 田灣核電廠蒸汽夾套型磁翻板液位計安裝測量方式及遇到的問題
田灣核電3#和4#機組采用柯普樂公司BNA-S型的遠傳磁浮子液位計進行疏水罐液位的測量，液位計量程是0~600mm，傳感器檢測磁浮子位置，通過變送器轉化成4~20mA電流信號輸出。
2.1 蒸汽夾套型磁翻板液位計安裝測量方式
田灣核電3#、4#機組現場疏水罐液位測量*先采用兩個連通管把液位計測量筒與疏水罐連通，測量筒內部含有磁浮子，磁浮子高度隨疏水罐內液位變化，測量筒外部安裝測量桿，感受磁浮子高度，再通過下部變送器轉化成電流信號輸出到DCS系統。一些蒸汽管道安裝布置貼近地面，疏水罐穿越樓板，這樣就使液位計安裝后變送器位于樓板下部，即下一層廠房的房頂；如圖1所示。
2.2 液位計維護遇到的問題
采用上述方式安裝的蒸汽夾套型磁翻板液位計，要進行維護時，需要在下一層廠房搭建較高的腳手架到房頂，*大地增加了作業難度和作業風險，工作流程也比較復雜。所以需要采取某種措施來簡化工作流程、降低工作難度、減小作業風險。
3 蒸汽夾套型磁翻板液位計安裝和測量的*一步改進方案
由于設計缺陷，穿越樓板安裝的蒸汽夾套型磁翻板液位計維護難度較大，作業風險較高，工作流程相對復雜。為解決上述問題，擬采取以下兩個方案。
3.1 反向安裝液位計測量桿
液位計測量桿反向安裝后，變送器和接線盒位于樓板上部，反裝后示意圖如圖2所示。維護時變送器位于接近地面的位置，易于到達，不存在高處作業風險，不需要搭建腳手架，工作流程也能得到簡化。
采取如上措施后，以前的問題得到了解決；但是又出現了新的問題：原來的液位測量關系是0mm水對應輸出4mA電流，600mm水對應輸出20mA電流。反向安裝測量桿后，0mm水對應輸出20mA電流，600mm水對應輸出4mA電流，電流輸出也被反向了。為解決這個問題，還需要進一步改進。
3.2 對DCS中軟件量程進行反向設置
由于就地實際液位和邏輯中識別的液位是通過電流信號進行聯絡的，原來安裝方式，實際液位正比于電流信號，電流信號正比于邏輯中識別的液位值。反向安裝測量桿后，實際液位與電流信號的關系反向，因此邏輯中識別的液位值與實際液位也反向。如果此時反向設置邏輯中的軟件量程，將原來的下限0mm、上限600mm，改成下限是600mm、上限是0mm，那么電流信號和邏輯中識別的液位值也會反向。根據負負得正的原則，此時就地實際液位與邏輯中識別的液位值一致。
4 蒸汽夾套型磁翻板液位計安裝和測量的*二步改進方案
*一步方案實施后，解決了之前存在的諸多問題，邏輯中的液位值也能夠與就地液位一一對應，實現正常的液位測量。但是由于邏輯中反向設置量程的上下限，導致操縱員畫面中液柱刻度也反向，即600mm在下面、0mm在上面；這不符合人們的日常習慣，容易形成誤導，造成失誤事件。同時軟件反向設置后，系統不允許在對該測點進行數值仿真，如果現場要進行液位計維修，將會影響現場維修工作的開展，因此還需要進一步改進液位計的安裝和測量方式。
4.1 深入研究蒸汽夾套型磁翻板液位計測量原理
為尋求更好的改進方案，對蒸汽夾套型磁翻板液位計的測量原理進行了深入研究。液位計測量桿中是由等間距排布的干簧管和電阻元件組成，當磁浮子達到某一高度時，對應的干簧管閉合，如果能識別出哪個干簧管閉合，即可獲得當前液位值。那么變送器又是如何識別出哪個干簧管閉合的呢？再次探究測量桿內部電路，繪制液位計內部原理圖，如圖3所示。測量桿內部電阻串聯連接，每兩個電阻的連接處連接干簧管的一端，干簧管的另一端并聯連接，*終引出蘭、棕、黑三根信號線。
根據原理圖可以清晰的分析出測量原理：蘭色線和黑色線施加恒定電壓，棕色線作為反饋信號線。當磁浮子處于不同高度時，相應的開關（干簧管）閉合，輸出一個電阻分壓信號。測量棕色線電壓，即可獲得閉合的干簧管位置，經過變送器模塊即可轉化為4~20mA信號，進而得到當前液位。
4.2 更改液位計內部傳感器接線
如圖3所示，假定1號端子（藍色線）連接測量桿頂部電阻，3號端子（黑色線）連接測量桿底部電阻，按照*一步優化中提到的反向安裝測量桿的措施實施后，頂部電阻和底部電阻調換位置，此時3號端子連接測量桿頂部電阻，1號端子連接測量桿底部電阻。變送器與液位成正比、輸出4~20mA的條件是1號端子連接頂部電阻、3號端子連接底部電阻。反向安裝測量桿后，此時調換藍色線和黑色線的端接位置，即1號端子接黑色線、3號端子接藍色線，就可以仍然滿足變送器正向輸出的條件，此時不再需要邏輯中對軟件進行反向設置。
4.3 恢復邏輯中軟件量程設置
由于反向安裝測量桿并更改液位計內部傳感器接線后，實際液位與電流輸出成正比關系，需要把原來反向設置的軟件量程恢復到原來的正常狀態，即下限是0mm、上限是600mm。
*二步優化后，能夠在液位計測量桿反裝情況下獲得正向的信號輸出，既解決了原來的維護便利性問題，也消除了后來產生的操縱員畫面不符合習慣、邏輯中不能仿真的問題。
5 結束語
核電廠在設計、建設、調試、檢修過程中會遇到很多設計不夠完善的地方。本文把筆者親身經歷的蒸汽夾套型磁翻板液位計安裝和測量方式改進過程與各位讀者分享。對于如何避免蒸汽夾套型磁翻板液位計出現類似問題，在此提出個人的一些建議：*先在設計時盡量避免存在廠房頂部或穿越樓板安裝的儀表。如果不能避免此情況，應考慮廠房頂部或穿越樓板安裝的儀表怎樣安裝更方便維護，或者設計專門的檢修平臺；業主方審查設計文件時也需要考慮這一點。
筆者通過深入研究蒸汽夾套型磁翻板液位計測量原理后，經過兩步優化方案，*終才使得所有問題得到有效解決。這說明對于儀表的理解不應僅僅停留在應用層面，理解儀表的本質對于處理現場問題還是大有幫助。
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