引言

導波雷達液位計作為一種新興的液位測量?jì)x表，克服了傳統儀表的不足，在核電廠(chǎng)的應用逐漸增多。但導波雷達液位計在高溫高壓蒸汽系統使用時(shí)，還存在一些不足，導致系統液位測量失真［1］。汽水分離再熱系統是核電廠(chǎng)汽輪機的重要輔助系統，主要應用于汽輪機運行期間，通過(guò)控制進(jìn)入二級再

 

熱管束的蒸汽量，對高壓缸排氣進(jìn)行除濕和再熱，使進(jìn)入低壓缸的蒸汽有一定的過(guò)熱度。其應用改善了汽輪機低壓缸的工作條件，提高了汽輪機的相對內效率，減少了濕蒸汽對汽輪機零部件的刷蝕。在福清 1 ～ 4 號機組調試及運行期間，汽水分離再熱系統二級疏水箱液位計多次出現故障，如液位計探桿泄漏、測量失效等。針對二級疏水箱液位計問(wèn)題，采用新型測量方案，對汽水分析再熱系統二級疏水液位測量作優(yōu)化改進(jìn)。

 

1 導波雷達物位計測量原理及特點(diǎn)

( 1) 導波雷達液位計的工作原理。

導波雷達液位計基于電磁波時(shí)域反射原理［2］，由電磁波發(fā)生器發(fā)射一個(gè)電磁脈沖信號發(fā)射到導波體上，以導波體作為信號的傳輸載體。當遇到被測介質(zhì)表面時(shí)，部分信號被反射形成回波并沿相同路徑返回脈沖發(fā)射裝置。發(fā)射裝置與被測介質(zhì)表面的距離同脈沖在其間的傳播時(shí)間成正比，測量發(fā)射與反射脈沖［3］。導波雷達液位計測量原理如圖 1 所示。

 

導波雷達液位計測量原理圖

( 2) 導波雷達液位計的測量特點(diǎn)。

①電磁波信號沿導波桿傳輸可消除假回波信號，減少信號丟失。

②整個(gè)測量裝置無(wú)活動(dòng)部件，無(wú)機械磨損。

③安裝調試方便。

④不受介質(zhì) 密度變 化 的 影 響 ( 但 是 需 要 單 一 介質(zhì)) 。

⑤使用與高溫、高壓的物位測量。

 

2 現有設計缺陷導致測量不穩定的原因分析

核電廠(chǎng)二回路液位控制是核電廠(chǎng)重要的控制系統之一，其測量環(huán)境需考慮真空、高溫、泡沫等多方面因素。傳統液位儀表因其固有原理，無(wú)法通過(guò)自身技術(shù)的改進(jìn)來(lái)消除誤差。故本文采用了導波雷達液位計［4］。但在機組運行過(guò)程中，汽水分離再熱系統原有導波雷達液位計導波桿的支撐件會(huì )破碎，支撐件碎片會(huì )進(jìn)入到二回路系統中，形成異物，危及機組安全［5］。同時(shí)，導波桿內支撐件破碎后，因振動(dòng)、沖擊等因素會(huì )導致導波桿觸碰到水位測量筒，使液位測量產(chǎn)生跳變，存在汽水分離再熱系統二級隔離風(fēng)險。受制于現場(chǎng)使用條件，汽水分離再熱器二級疏水箱內充滿(mǎn)飽和蒸汽。蒸汽是極性氣體，即蒸汽的介電常數會(huì )根據環(huán)境的壓力、溫度而改變。介電常數的變化會(huì )影響電磁波的傳播速度。波速度公式為&&&&&&&&&&&&&&&&&&&

 

由式( 1) 可見(jiàn)，當介質(zhì)的介電常數變化，則波速度會(huì )隨之變化。由于電磁波在不同介質(zhì)中的傳輸速度不同，比如在空氣中的傳輸速度比在蒸汽中傳輸速度大，因此 汽 水 分 離 再 熱 系 統 ( gas-liquid seperate system，GSS) 二級疏水箱液位計選用的都是蒸汽型導波雷達液位計［7］。

 

經(jīng)統計，在功率運行期間，汽水分離再熱系統二級液位計共計出現缺陷 91 項。其中，導波雷達液位計漏汽缺陷共計 38 項，二級疏水箱液位計偏差大共計 46項，因儀表故障導致通道測量不可用共計 7 項。

 

根據現場(chǎng)液位計缺陷情況來(lái)看，目前汽水分離再熱系統二級液位計主要存在以下故障。

①液位計探桿支撐桿破碎。經(jīng)分析，原汽水分離再熱系統二級液位計所用的高溫型導波雷達液位計，其探桿支撐件采用聚醚醚酮( PEEK) ［8］高分子合成材料。在運行過(guò)程中，該支撐件會(huì )逐漸脆化，在系統沖擊工況下破裂。處理方式: 在測量系統改進(jìn)前，機組只能通過(guò)每次大修期間，對探桿進(jìn)行定期更換。

②液位計探桿密封失效。液位計探桿內部密封件采用 PEEK 材料進(jìn)行隔熱，靠近連接部位采用 2 個(gè) O型圈進(jìn)行密封。O 型圈耐溫范圍為 150 ℃ 。因汽水分離再熱系統二級疏水箱內部溫度達 280 ℃ ，探桿隔熱材料失效，進(jìn)而使 O 型圈失效，探桿密封泄漏，測量閃發(fā)質(zhì)量位。處理方式: 目前出現探桿密封失效后，無(wú)法進(jìn)行更換。

 

③液位計冷熱態(tài)工況，液位測量出現偏差。液位計大修冷態(tài)調試時(shí)，3 支液位計偏差小于 20 mm。但汽輪機沖轉并網(wǎng)后，因系統溫度上升，3 支液位計偏差會(huì )達到 100 mm。在機組運行時(shí)間長(cháng)后，液位計偏差也會(huì )逐漸增加，導致偏差超過(guò) 100 mm。處理方式: 目前只能在熱態(tài)后，對偏差大液位計進(jìn)行修正。機組功率運行后，每周定期巡檢方式，檢查液位計偏差，并及時(shí)進(jìn)行修正。

 

3 改進(jìn)方案

3． 1 導波雷達液位計支撐件改進(jìn)

原汽水分離再熱系統二級導波雷達液位計采用PEEK 支撐件，同時(shí)也作為探桿隔熱材料。PEEK 是芳香族結晶型熱塑性高分子材料。PEEK 玻璃化轉變溫度為 143 ℃ ，其熔點(diǎn)為 334 ℃ 。這種材料耐抗有機和水環(huán)境，具有優(yōu)良的化學(xué)性、熱穩定性和抗氧化性。目前，應用汽水分離再熱系統二級疏水箱實(shí)際運行溫度為 280 ℃ ，儀表的設計溫度為350 ℃ ，而 PEEK 物理特性耐溫只有 250 ℃ ，因此運行時(shí)間過(guò)長(cháng)會(huì )產(chǎn)生變形或碎裂。

 

為應對導波雷達液位計支撐件破碎及密封失效情況，此次支撐件設計采用 99． 7% 純度的 Al2 O3 陶瓷材料［8］。該材料具有硬度大、耐磨性能極好、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。其熔點(diǎn)在 2 000 ℃ 以上，具有良好的導熱性、絕緣性以及透光性，介電常數為 9． 0 左右，適用于高溫蒸汽型導波雷達液位計測量原理。Al2 O3 陶瓷的物理和力學(xué)特性如表 1 所示。

 

改進(jìn)后探桿內部結構精密。防止蒸汽部分主元件采用氧化鋁陶瓷，不會(huì )因為溫度增高而變形、滲漏。密封元件采用耐高溫的石墨密封 Graphite，是目前儀表產(chǎn)品在防止高溫蒸汽方面的理想材料。其物理性能遠遠優(yōu)于以前使用的 PF128、PEEK、鋁礬土等材質(zhì)，十分穩定可靠。該結構整體密封結合緊密，可杜絕蒸汽進(jìn)入。

 

3． 2 導波雷達液位計高溫補償改進(jìn)

原汽水分離再熱系統二級導波雷達液位計采用點(diǎn)補償方式，補償點(diǎn)到電磁波發(fā)射口距離為 125 mm。如果測量點(diǎn)以上或者測量點(diǎn)位置有凝露或者誤差，會(huì )放大傳導到下方實(shí)際液位測量。為了更好地說(shuō)明上述結論，定義系數 K。