張麗芹　邱建文　于宏偉

摘 要：在電力領(lǐng)域，水位測量和控制所采用的方式有：壓差式、電接點式、熱效應(yīng)式、非接觸式等多種原理型式，通過對這四類水位計的測量原理、功能特性、誤差及缺陷等進行分析，并對核電廠中一些特定使用場所水位計的設(shè)備選型及適用改進措施提供一些建議，以保證核電運行的安全可靠性。

關(guān)鍵詞：水位測量 壓差式 電接點 電加熱式 核電廠

中圖分類號：TH816 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）005-037-02

1 引言

隨著測控技術(shù)的發(fā)展，在電力領(lǐng)域水位測量和控制所采用的方式有：壓差式、電接點式、熱效應(yīng)式、非接觸式、吹氣式等多種原理型式，種類較多，往往令設(shè)備需求人員迷惑不解。由于缺乏對水位計原理特性的足夠了解，測量設(shè)備選用不當，在特殊情況下，還會引起嚴重事故，如水位計報出了“假水位”信號的美國三哩島核事故、某火力發(fā)電廠300MW機組發(fā)生“燒干鍋”事故等。

本文對行業(yè)領(lǐng)域常用水位計的測量原理、功能特性、誤差等進行深入分析，針對核電廠中一些特定使用場所，提出了水位計的設(shè)備選型及適用改進措施的一些建議，目前根據(jù)選型結(jié)果選擇改進的水位測量設(shè)備正在鑒定試驗中。

2 測量原理比較分析

2.1 壓差式液位計

2.2 電接點式

電接點式液位計利用水和氣導電性能的極大差異進行液位測量，測量的作用就是將水位變化經(jīng)電接點電阻的變化取得信號。在液態(tài)時由于介質(zhì)電阻率小，當電接點間加上一電壓時，流過的電流大；反之，未浸入液面下的電接點流過電流小，將這兩種狀態(tài)下流過的不同電流作為一種信號饋送到二次儀表，經(jīng)放大后，顯示及控制輸出，從而實現(xiàn)了遠距離操控。由于結(jié)構(gòu)原理簡單，其響應(yīng)時間相對于其它類型的水位計，響應(yīng)時間更快些，可在2ms內(nèi)輸出水位參數(shù)。

2.3 電加熱式

電加熱式液位測量傳感器主要由一個電加熱元件、一支熱電偶（阻）兩部分組合而成。運行時，給傳感器內(nèi)的加熱器元件通以直流恒流或恒壓電源加熱，待其穩(wěn)定后，測出其電勢值。由于發(fā)熱體在水中和蒸汽中的放熱系數(shù)差異顯著，使其在水中的溫度要遠低于在蒸汽中的溫度，此溫度的差異通過熱電偶（阻）轉(zhuǎn)換成電信號輸出。根據(jù)電信號的大小即可確定水位是在傳感器的下方或上方。液位上升時的響應(yīng)時間約為4秒， 但液位下降時的響應(yīng)時間較長，約為20s。由其測量原理可知，增加加熱功率有利于提高靈敏度。

2.4 非接觸式液位計

工業(yè)系統(tǒng)中常用的非接觸式液位計主要有超聲波及雷達液位計，他們的原理是通過檢測一束超聲聲能發(fā)射到液面并發(fā)射回來所需的時間來確定液體的液位。

3 特性比較分析

3.1 壓差式

3.1.1 功能特性

差壓式水位計準確測量水位的關(guān)鍵在于水位與差壓之間的準確轉(zhuǎn)換。差壓式水位計通過測量取樣管路形成有效差壓后，經(jīng)過計算得到水位值。

3.1.2 誤差

受工況壓力、溫度以及取樣管安裝方式的影響，差壓式水位計測量會存在一定的誤差， 如熱電鍋爐低負荷運行時， 汽包水位的準確性相對更差。由式1可以看出，差壓水位計測量誤差主要由不同溫度、濕度及壓力工況下被測液體的密度、環(huán)境壓力 pA兩者的變化引起，因此在環(huán)境出現(xiàn)溫濕度大幅變化情況下會產(chǎn)生較大的誤差。

（1）液體密度變化引起的誤差。

周圍環(huán)境升高，飽和蒸汽進入使用環(huán)境凝結(jié)成水。水溫從上到下逐漸降低，其值是一個隨環(huán)境壓力、導熱系數(shù)、放熱系數(shù)變化的變量，工程計算復雜、難度大，即很難確定容器或水池內(nèi)液體密度的具體數(shù)值，若仍然以常溫常壓下的液體密度 計算必然造成誤差大。

（2）飽和水、蒸汽密度引起的誤差。

不同溫度、濕度及壓力工況下環(huán)境內(nèi)飽和水的密度及飽和蒸汽的密度是變化的，因此會引起的壓力 pA的變化。

（3）測量裝置安裝取樣誤差。

測量裝置取樣及安裝不合理必然造成 pB偏離理論計算值而造成測量誤差。

基于此，差壓式液位計在失水、失壓等異常工況下測量誤差非常大，往往報出假水位信號；如核電站中蒸汽發(fā)生器水位測量，滿功率情況下，事件發(fā)生初期幾秒，水位稍有上升，即俗稱的“假水位”，給水減少越多，出現(xiàn)假水位時間越早。另外，由于壓差變送器需用外部電源，功耗較大，在全廠斷電等事故條件下，無法實施長時間遠程監(jiān)測。

3.2 電接點式

3.2.1 功能特性

（1）結(jié)構(gòu)簡單、監(jiān)視方便。

電接點式水位計實質(zhì)上是簡單的連通管式水位測量系統(tǒng)，原理簡單、測量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)穩(wěn)定可靠是其最突出的特點。電接點水位計光柱顯示直觀醒目，運行中可采取以“瞄一眼”方式監(jiān)視。

（2）可準確推知水位。

在電極對應(yīng)的光柱階躍變化時，可準確推知水位。例如：水位由0mm處電極升至+3mm處電極時，顯示由0變?yōu)?3瞬間，若電極頭半徑為1.5mm，可知取樣水位約為+1.5mm同理，若液位下降，電極下水滴連水斷開瞬間，顯示由0躍變?yōu)?3，可知水位約為-1.5mm。且可按推算值準確核對壓差水位計。

（3）具有自檢功能。

傳感器具有電極測試功能，通過改變電極的供電方式，可對每對電極單獨測試，以便及時判斷電極工作是否正常，可據(jù)此決定整套電極是否需要清洗或更換，

（4）容錯能力強。

有很強的容錯性，在個別電極工作異常的情況下，利用相鄰電極的顯示信息，仍能準確推知水位值。

（5）失電情況下可長期有效工作。

耗電量小，屬于無源器件。在喪失全部供電電源的特殊工況下，利用萬用表等有源儀表即可準確得知液位值。2011年日本福島核事故啟示我們，嚴重事故下可能會失去所有應(yīng)急電源，電接點式液位計在測量原理上采用非能動的技術(shù)，不需要外接電源也能將所需要的參數(shù)傳出。

3.2.2 誤差

由于電極以一定間距安裝在測量筒上，由此決定其輸出信號是階梯式，誤差主要取決于安裝誤差及電極的大小，故僅存在固有誤差。

隨著系列化小型化電極技術(shù)的發(fā)展，采取常用監(jiān)視段電極密集設(shè)置辦法，電接點水位計的固有誤差可達到3mm內(nèi)，能滿足工業(yè)領(lǐng)域一般場所內(nèi)的監(jiān)視誤差要求。

3.3 電熱式

3.3.1 功能特性

由于電熱式傳感器也是電極間斷式布點測量，故其功能特性與電接點式相同，但是由于其工作原理是給傳感器內(nèi)的加熱器元件通以直流恒流或恒壓電源加熱，需消耗加熱功率，耗電量較大。在喪失全部外電源的情況下，需外接足夠容量的電池才能維持水位測量信號的正常輸出。

電熱式液位計隨著工作電流的減小，氣（汽）、液界面的差異會變得越來越小；隨著被測液體溫度的升高，傳感器溫度上升的過程變得越來越不明顯；隨著被測量介質(zhì)工作壓力的提高，傳感器處于水汽空間中的輸出電壓的差值在逐漸減小，按照理論分析，當工作壓力達到臨界壓力時這種差值將減少到零，不容易判斷出氣（汽）、液界面。

3.3.2 誤差

由于同樣采用電極間斷式布點測量，誤差與電接點式測量設(shè)備的誤差產(chǎn)生方式一致，但由于電極直徑比電接點大，套管外徑約4mm，固有誤差比電接點式大。

3.4 非接觸式液位計

4 核電廠特定環(huán)境下的選型

在水位計選型中，首先要考慮工況，如介質(zhì)的性質(zhì)、工作溫度、工作壓力等的要求，并要考慮工藝的要求，如對精度和控制的要求，其次要考慮經(jīng)濟性。核電領(lǐng)域是一個高可靠性領(lǐng)域，測量及控制設(shè)備要求具有極高的可靠性。反應(yīng)堆內(nèi)的水位是涉及到反應(yīng)堆保護和事故后監(jiān)測的重要參數(shù)，對于反應(yīng)堆的安全運行起著十分重要的作用；乏燃料水池只要儲存有乏燃料，它必須有足夠的水層，為操作人員提供良好的生物防護。因此對該兩類水池中水位必須進行實時監(jiān)測。

在美國三哩島核事故之前，壓水堆核電站中，根據(jù)差壓式水位計的指示值用穩(wěn)壓器中的水位來監(jiān)測壓水堆一回路冷卻劑的總量，核事故發(fā)生后證明，這是一種不可靠的方法。壓水堆一回路冷卻劑的總量的監(jiān)測，需要一種直接測量反應(yīng)堆壓力殼內(nèi)水位的方法，而且要不同于、且獨立于穩(wěn)壓器內(nèi)水位測量的方法，電接點式或電熱式水位計是一種適用的監(jiān)測傳感器，另外在核電廠其他儲水容器（如封閉式水池、水箱、儲液罐等）中，作為液位調(diào)節(jié)控制使用時也簡潔方便。若設(shè)置數(shù)量相同的電極，由于電熱式水位計通過對鉑電阻或電偶進行加熱來獲取測量結(jié)果，不僅功耗比電接點式大且造價較高。

由于核電廠反應(yīng)堆和乏燃料水池內(nèi)均具有較高的電離輻射水平，故需對液位傳感器的結(jié)構(gòu)進行改進，比如將傳感器及連接附件置于一抗輻照的鎧裝套管內(nèi)，用MgO或Al2O3作填充材料，但相關(guān)研究及實踐表明，電極的鋁成份在硼酸環(huán)境中較容易發(fā)生腐蝕，在核電廠中，由于環(huán)境的特殊限制不能對不良的電極進行及時更換，為防止或減少腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，需對易腐蝕的電極采取相關(guān)措施，如對電極表面噴涂陶瓷或氧化鋯材料，或進行鍍鉻和鍍鋅處理，對電極采用交流供電，減小通過電極的電流等或者在避開產(chǎn)品材料中避開Al等活潑的元素，以延長電極壽命。

5 結(jié)論

盡管水位計的類型較多，如壓差式、電接點式、電加熱式、非接觸式，但通過比較其原理、特性及誤差等方面可得知，能適用于核電廠特殊使用場所的類型不多。根據(jù)國家核安全局出臺的《福島核事故后核電廠改進行動通用技術(shù)要求（試行）》（以下簡稱改進要求）文件，乏燃料水池監(jiān)測應(yīng)考慮喪失全部電源（包括廠址附加柴油機）供電情況下對液位和溫度測量系統(tǒng)供電的要求，因此對應(yīng)用于乏燃料池的水位監(jiān)測裝置，宜采用功耗小、非能動的測量設(shè)備。核電廠商針對改進要求，正在深入調(diào)研電接點及電加熱兩種類型水位測量裝置，考慮到喪失全部電源條件下的設(shè)備功耗及經(jīng)濟成本，電接點將是其首選。

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