放射性廢液儲存罐液位計選型
摘要：該文介紹了某三代核電廠放射性廢液儲存罐中液位計的選型過程, 基于超聲波液位計和雷達式液位計的測量原理, 結合超聲波液位計和雷達液位計在廢液儲存罐液位監測中遇到的問題, 對影響超聲波液位計和雷達液位計液位測量的具體因素做了闡述, 并對核電廠放射性廢液儲存罐液位計的設計、選型、安裝具有一定的參考意義。
1、概述：
1.1、超聲波液位計原理：
通過液位計探頭振動, 發出脈沖波, 遇被測水面被反射, 折回的反射回波被同一探頭接收, 測出波返回的時間, 即可探測出液位高度。測量示意圖如圖1。[1]
圖1 超聲波液位計原理圖
圖2 現場罐頂液位計管嘴
超聲波液位計具有廣泛的應用, [2]在某三代核電廠放射性廢液系統中選用了該類型的液位計, 該系統用來收集核電廠啟動及功率運行期間產生了液體廢物, 分別安裝在安全殼地坑, RCDT (反應堆冷卻劑疏水箱) , 脫氣塔分離器, 化學廢液箱液位計, 監測箱液位計, 廢液暫存箱。在這些液位計投運期間, 發生了多起液位計跳變及測量不準現象, 造成的泵誤啟動, 泵跳閘, 罐體溢流等異常事件, 下文將對這些事件進行產生分類闡述。
1.2、雷達液位計測量原理：
雷達式液位計采用帶天線方式安裝, 天線以波束的形式發射雷達信號, 同時接受反射回來的信號, 雷達的脈沖信號感知從發出到接受的時間, 經信號處理換算為液體表面到液位計探頭的距離。
該文論述的核電廠采用了喇叭口形天線, 材料為不銹鋼, 被測量介質壓力可達6Mpa, 溫度可達1000℃。
2、影響超聲波液位計測量的因素：
2.1、安裝位置對測量影響：
放射性廢液系統的超聲波液位計中, 實際使用過程中發現, 罐體注排水過程中會有偶發性液位跳變。
從圖1看出, 超聲波發出后有單邊距中心有12℃的發散角度。這就要求超聲波液位計探頭***好能夠深入到所測罐體中;若沒有深入罐體內部, 而是安裝到罐頂的液位計管嘴, 則要求這個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, 探頭振動受阻。放射性廢液系統中的所有超聲波液位計均沒有深入罐體內部, 而是安裝到了罐體頂部的管嘴上。如圖2。
另外三臺放射性廢液儲存罐體液位計, 采用尺寸較小的探頭。同時將探頭深入到罐體內部, 由于液位計探頭尺寸1.97″, 深入罐體時未與切割后的管嘴接觸, 如圖3。采用這種安裝方式后, 液位計運行穩定。
造成這些常溫常壓工做環境下的液位計失準的直接原因是液位計探頭振動受阻和超聲波打到了管嘴壁面。
圖3 液位計廠家文件安裝要求示意
2.2、蒸汽對測量影響：
異常情況描述:操作員執行了穩壓器向放射性廢液系統向RCDT排氣操作, RCDT壓力范圍在表壓0到0.04MPa之間在這過程中RCDT至放射性氣體廢物系統閥門保持開啟。排氣后, RCDT的顯示一直為滿量程, 液位計異常波動。從穩壓器至RCDT排氣時, 閥門打開瞬間即發現RCDT壓力上漲, 說明雖然管線較長, 但用時較短, 可以認為排氣過程是絕熱過程。查詢水和蒸汽性質表, 221℃, 2.36MPa對應的比熵6.27KJ/ (kg·℃) , 比焓2801 KJ/kg, 取RCDT背壓0.1-0.14MPa, 假設排氣過程可逆, 且排氣過程穩定查詢水和蒸汽性質表, 根據等熵過程計算得出, 排向RCDT介質對應的溫度在99-109℃, 介質處于濕蒸汽區, 即RCDT此時含有蒸汽。將超聲波液位計更換為雷達式液位計, 補充熱態功能測試期間, 相同工況下, 執行排氣操作, 液位計顯示正常, 無波動。
2.3、壓力波動對測量影響：
異常工況描述:執行脫氣塔真空泵啟動試驗, 真空泵啟動后, 脫氣塔分離器液位開始波動, 造成下游閥門自動打開排水, 實際液位并未偏高, 這就造成了脫氣塔分離泵汽蝕和真空泵喪失液環。
工況分析:脫氣塔分離器正常運行時, 低液位至罐頂的氣空間0.1m3, 真空泵啟動造成的壓力變化屬正常設計工況。
基于超聲波傳播與介質的密度有關的原理, 排氣瞬間造成了脫氣塔分離器上部氣相密度驟增影響了波的傳播速度, 同時排氣的初始階段液位出現劇烈跳動, 是由于排氣瞬間, 分離器氣體密度不均勻, 超聲波出現折射失波現象。更換為雷達液位計后, 在真空泵啟動過程和正常脫氣過程均未出現波動。
3、結論：
(1) 放射性廢液系統選用的超聲波液位計探頭安裝時, 不能與罐體直接接觸, 并且需要深入罐體內部。
(2) 超聲波液位計安裝到罐體的管嘴, 需要管嘴盡量短, 盡量粗。
(3) 對于存在蒸汽相的罐體液位測量, 不能選用超聲波液位計, 可用選用雷達式液位計。
(4) 通過數據處理端加入濾波來屏蔽, 一定程度上可以解決壓力波動對超聲波液位計測量的影響。
(5) 雷達式液位計可以適應蒸汽環境、壓力波動環境, 放射性廢液系統中的反應堆冷卻劑疏水箱, 脫氣塔分離器適合選用此類型液位計。