引言

導波雷達液位計作為一種新興的液位測量儀表，克服了傳統儀表的不足，在核電廠的應用逐漸增多。但導波雷達物位計在高溫高壓蒸汽系統使用時，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汽輪機的重要輔助系統，主要應用于汽輪機運行期間，通過控制進入二級再

 

熱管束的蒸汽量，對高壓缸排氣進行除濕和再熱，使進入低壓缸的蒸汽有一定的過熱度。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化改進。

 

1 導波雷達物位計測量原理及特點

( 1) 導波雷達液位計的工作原理。

導波雷達物位計基于電磁波時域反射原理［2］，由電磁波發生器發射一個電磁脈沖信號發射到導波體上，以導波體作為信號的傳輸載體。當遇到被測介質表面時，部分信號被反射形成回波并沿相同路徑返回脈沖發射裝置。發射裝置與被測介質表面的距離同脈沖在其間的傳播時間成正比，測量發射與反射脈沖［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。

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整個測量裝置無活動部件，無機械磨損。

③安裝調試方便。

④不受介質 密度變 化 的 影 響 ( 但 是 需 要 單 一 介質) 。

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

核電廠二回路液位控制是核電廠重要的控制系統之一，其測量環境需考慮真空、高溫、泡沫等多方面因素。傳統液位儀表因其固有原理，無法通過自身技術的改進來消除誤差。故本文采用了導波雷達物位計［4］。但在機組運行過程中，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破碎，支撐件碎片會進入到二回路系統中，形成異物，危及機組安全［5］。同時，導波桿內支撐件破碎后，因振動、沖擊等因素會導致導波桿觸碰到水位測量筒，使液位測量產生跳變，存在汽水分離再熱系統二級隔離風險。受制于現場使用條件，汽水分離再熱器二級疏水箱內充滿飽和蒸汽。蒸汽是極性氣體，即蒸汽的介電常數會根據環境的壓力、溫度而改變。介電常數的變化會影響電磁波的傳播速度。波速度公式為&&&&&&&&&&&&&&&&&&&

 

由式( 1) 可見，當介質的介電常數變化，則波速度會隨之變化。由于電磁波在不同介質中的傳輸速度不同，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。

 

根據現場液位計缺陷情況來看，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。在運行過程中，該支撐件會逐漸脆化，在系統沖擊工況下破裂。處理方式: 在測量系統改進前，機組只能通過每次大修期間，對探桿進行定期更換。

②液位計探桿密封失效。液位計探桿內部密封件采用 PEEK 材料進行隔熱，靠近連接部位采用 2 個 O型圈進行密封。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，進而使 O 型圈失效，探桿密封泄漏，測量閃發質量位。處理方式: 目前出現探桿密封失效后，無法進行更換。

 

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

 

3 改進方案

3． 1 導波雷達液位計支撐件改進

原汽水分離再熱系統二級導波雷達物位計采用PEEK 支撐件，同時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 ℃ ，其熔點為 334 ℃ 。這種材料耐抗有機和水環境，具有優良的化學性、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 ℃ ，因此運行時間過長會產生變形或碎裂。

 

為應對導波雷達物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、質量輕等特點。其熔點在 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物位計測量原理。Al2 O3 陶瓷的物理和力學特性如表 1 所示。

 

改進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，是目前儀表產品在防止高溫蒸汽方面的理想材料。其物理性能遠遠優于以前使用的 PF128、PEEK、鋁礬土等材質，十分穩定可靠。該結構整體密封結合緊密，可杜絕蒸汽進入。

 

3． 2 導波雷達液位計高溫補償改進

原汽水分離再熱系統二級導波雷達物位計采用點補償方式，補償點到電磁波發射口距離為 125 mm。如果測量點以上或者測量點位置有凝露或者誤差，會放大傳導到下方實際液位測量。為了更好地說明上述結論，定義系數 K。