超聲波液位計(jì)在壓水堆核電廠中的應(yīng)用

上海上儀股份公司介紹了超聲波液位計(jì)在某壓水堆核電廠放射性廢液系統(tǒng)、放射性固體廢物中的應(yīng)用。基于超聲波液位計(jì)的測量原理，依據(jù)工程現(xiàn)場實(shí)際發(fā)生的具有代表性異常事件，分析了影響超聲波液位測量的主要因素，并提出了相應(yīng)的解決措施，對(duì)壓水堆核電廠放射性廢液、放射性固體廢物超聲波液位計(jì)的設(shè)計(jì)、選型、安裝具有一定的參考意義。

1 超聲波液位計(jì)原理

通過液位計(jì)探頭振動(dòng)，發(fā)出脈沖波，遇被測水面被反射，折回的反射回波被同一探頭接收，測出波返回的時(shí)間，即可探測出液位高度。超聲波液位計(jì)在工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，在某壓水堆核電廠放射性廢液系統(tǒng)和放射性固體廢物系統(tǒng)中就大量選用了該類型的液位計(jì)，其中放射性廢液系統(tǒng)用來收集核電廠啟動(dòng)及運(yùn)行期間產(chǎn)生的放射性液體廢物，收集罐體上均安裝了超聲波液位計(jì)，罐體分別為安全殼地坑，化學(xué)廢液箱液位計(jì)，RCDT（反應(yīng)堆冷卻劑疏水箱），真空脫氣塔的分離器，廢液監(jiān)測箱液位計(jì)，廢液暫存箱 ；放射性固體廢物主要應(yīng)用于廢樹脂儲(chǔ)存罐液位監(jiān)測。在這些液位計(jì)投運(yùn)期間，發(fā)生了多起液位計(jì)跳變及測量不準(zhǔn)現(xiàn)象，造成的泵誤啟動(dòng)，泵跳閘，樹脂罐體溢流等異常事件，本文將對(duì)這些事件進(jìn)行分類闡述。

2 超聲波液位計(jì)測量過程中缺陷及影響因素

2.1 安裝位置對(duì)測量影響

放射性廢液系統(tǒng)的14臺(tái)SCCS型超聲波液位計(jì)中，有11臺(tái)在完成單體調(diào)試后，實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)，罐體中無水，液位計(jì)顯示滿水，或者液位計(jì)顯示壞點(diǎn)，罐體注排水過程中會(huì)有偶發(fā)性液位跳變，放射性固體廢物系統(tǒng)中有2臺(tái)也出現(xiàn)相同缺陷。超聲波液位計(jì)在發(fā)出超聲波后，單邊波距離中心有約12℃的發(fā)散角度。從工程應(yīng)用角度，這就要求超聲波液位計(jì)探頭能夠深入到所測罐體中 ；若沒有深入罐體內(nèi)部，而是安裝到罐頂?shù)囊何挥?jì)管嘴，則要求這個(gè)管嘴直徑比探頭直徑越粗越好，管嘴長度越短越好，這樣可以避免波打到罐體壁面，或者探頭受到擠壓，造成探頭振動(dòng)受阻。在熱試過程中，這些液位計(jì)均發(fā)生了不同程度的測量偏差及跳變現(xiàn)象，原因是與這些罐體相連的隔膜泵啟動(dòng)后，罐體有不同程度的振動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致探頭再次傾斜或者與管嘴內(nèi)壁相碰。

化學(xué)廢液監(jiān)測箱液位計(jì)，也出現(xiàn)上述缺陷，雖然與上述液位計(jì)均是同一數(shù)據(jù)表，但是這三臺(tái)液位計(jì)選用了另一廠家的液位計(jì)。該廠家文件中有明確說明，探頭至少應(yīng)該深入罐體10cm，現(xiàn)場將罐頂長管嘴截短，將探頭深入到罐體內(nèi)部，由于液位計(jì)探頭尺寸僅有1.97英寸，深入罐體時(shí)未與切割后的管嘴接觸，改變安裝方式后，液位計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定。在壓水堆核電廠其他大型罐體，如硼酸儲(chǔ)存箱、設(shè)備冷卻水波動(dòng)箱也裝有超聲波液位計(jì)，均沒有存在上述安裝問題，測量監(jiān)視結(jié)果一直較為穩(wěn)定。液位計(jì)探頭振動(dòng)受阻和超聲波打到了管嘴壁面，是造成這些常溫常壓工作環(huán)境下的液位計(jì)失準(zhǔn)的直接原因。

2.2 蒸汽對(duì)測量影響

異常情況描述 ：穩(wěn)壓器窄量程液位 37.5%，液相溫度226.9℃，汽相溫度221.9℃，壓力2.36MPa，在此工況下，操作員執(zhí)行了穩(wěn)壓器向放射性廢液系統(tǒng)向 RCDT 排氣操作，在這過程中 RCDT 至放射性氣體廢物系統(tǒng)閥門保持開啟，RCDT壓力在0~0.04MPa（G）。穩(wěn)壓器共排氣兩次。排氣后，RCDT液位計(jì)異常波動(dòng)，且顯示為滿量程。從穩(wěn)壓器至 RCDT 排氣時(shí)，閥門打開瞬間即發(fā)現(xiàn) RCDT壓力上漲，說明雖然管線較長，但用時(shí)較短，可以認(rèn)為排氣過程是絕熱過程。查詢水和蒸汽性質(zhì)表，根據(jù)等熵過程計(jì)算得出，排向 RCDT 介質(zhì)對(duì)應(yīng)的溫度在99~109℃，介質(zhì)處于濕蒸汽區(qū)，由于沿線閥門的節(jié)流作用，實(shí)際過程會(huì)產(chǎn)生不可逆熵增，實(shí)際排至 RCDT 的介質(zhì)溫度高于99~109℃，含蒸汽量更多（蒸汽干度更大）。蒸汽將影響波的傳播速度，并且蒸汽會(huì)在探頭上結(jié)露，造成測量發(fā)出去的波瞬間返回。

2.3 壓力波動(dòng)對(duì)測量影響

異常工況描述 ：執(zhí)行安注箱降壓排氣，從安注箱排氮?dú)庵?RCDT，再排向放射性氣體廢物系統(tǒng)側(cè)，在整個(gè)排氣過程中，RCDT 壓力由0波動(dòng)至70kPa，RCDT 液位計(jì)在壓力剛剛升高時(shí)，劇烈波動(dòng)，在壓力升高期間，液位也在波動(dòng)，在執(zhí)行完成安注箱排氣操作后，RCDT 壓力恢復(fù)正常值，液位計(jì)也穩(wěn)定到之前顯示值。工況分析 ：RCDT 正常運(yùn)行時(shí)，低液位至罐頂?shù)臍饪臻g僅有2.4m3，氮?dú)馀湃肓髁?，設(shè)計(jì)文件并未做限制，壓力變化屬正常設(shè)計(jì)工況。

基于超聲波傳播與介質(zhì)密度有關(guān)的原理，排氣瞬間造成了 RCDT 上部氮?dú)饷芏润E增影響了波的傳播速度，同時(shí)排氣的初始階段液位出現(xiàn)劇烈跳動(dòng)，是由于排氣瞬間，RCDT 氣體密度不均勻，超聲波出現(xiàn)折射，造成液體計(jì)出現(xiàn)失波現(xiàn)象。

3 結(jié)論

1）超聲波液位計(jì)探頭安裝時(shí)需要深入罐體內(nèi)部，且不與罐體直接接觸。若安裝到管嘴，管嘴越短、越粗，液位計(jì)測量越精準(zhǔn)。

2）超聲波液位計(jì)不能用于存在蒸汽相的罐體液位測量中。設(shè)計(jì)和采購選型時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)罐體的運(yùn)行工況有全面的了解，對(duì)于存在蒸汽相的罐體液位計(jì)可用選雷達(dá)式液位計(jì)。

3）上海上儀股份公司壓力對(duì)超聲波液位計(jì)測量的非常主要影響是造成失波，引起液位跳動(dòng)，這一點(diǎn)可以通過在數(shù)據(jù)處理端加入濾波來屏蔽，避免液位波動(dòng)。