核電廠通風儀表選型

摘要:介紹了通風儀表的原理和結(jié)構(gòu),以及儀表應用的問題反饋及缺陷,并對比分析相同類型儀表控制方案的優(yōu)缺點,提出解決方案,最終實現(xiàn)通風儀表在核島通風系統(tǒng)中的應用及優(yōu)化.使核電廠人員操作、運行維護更加方便,提升了系統(tǒng)運行的正確性和可靠性,節(jié)省了大量的資金和時間成本.
0引言
　　通風系統(tǒng)是核電站重要的輔助系統(tǒng),肩負著電站安全、穩(wěn)定運行的重大責任,為設備運行和人員作業(yè)提供適宜的工作條件,并對氣態(tài)污染物進行控制和凈化.通風儀表是通風系統(tǒng)運行的先決條件,選擇、使用良好的儀表對核島通風系統(tǒng)正常運行起到至關(guān)重要的作用.以往項目中,參與控制的儀表多數(shù)選用開關(guān)量類型儀表,這類儀表數(shù)量較多,同時也暴露出較多問題.相較于開關(guān)量儀表,模擬量信號具有控制更正確,對設備狀態(tài)監(jiān)控更全面、故障率更低的優(yōu)點.因此,亟需對現(xiàn)有通風系統(tǒng)儀表重新開展選型與優(yōu)化工作,以期能夠改善現(xiàn)有通風系統(tǒng)開關(guān)量儀表的各類缺陷,提高通風系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測的總體性能.對通風系統(tǒng)中常用的溫度、壓力兩種儀表類型,從通風儀表的分類、原理、結(jié)構(gòu)、選型、應用及其參與控制的實現(xiàn)等方面進行分析、探討和研究,并最終總結(jié)出各類通風儀表在選型過程中需要注意的關(guān)鍵問題,以期為后續(xù)項目中通風系統(tǒng)儀表選型提供借鑒和指導.
 
1溫度儀表
1.1原理及結(jié)構(gòu)
1)溫度開關(guān)
　　溫度開關(guān)通過給溫包充惰性氣體,氣體壓力隨溫度變化而變化,觸發(fā)微動開關(guān)動作.以往核電項目使用數(shù)量很多.
 
2)熱電阻
　　熱電阻主要分為金屬熱電阻和半導體熱電阻.金屬熱電阻是利用金屬導體的電阻值隨著溫度變化而發(fā)生改變這一特性來測量溫度的.金屬鉑是熱電阻儀表較常采用的一種測溫元件,電廠使用多是鎧裝鉑熱電阻.鎧裝鉑熱電阻是將感溫元件封焊在由金屬套管、絕緣材料和金屬導線三者組合加工而成的鎧裝電纜內(nèi).
　　NTC熱敏電阻是半導體熱敏電阻的一類,NTC熱敏電阻是負溫度系數(shù)熱敏電阻,以錳、銅等金屬氧化物為材料,電阻值隨溫度增大而減小.這類儀表最主要的特點是:非線性關(guān)系、穩(wěn)定性較差、測量范圍窄、靈敏度高.
1.2儀表特點對比分析
　　目前,溫度開關(guān)儀表、NTC熱敏電阻、PT100鉑熱電阻在核電廠中應用均很廣泛,本節(jié)對3種儀表的原理、特性、安裝及運行維護要求等不同方面展開對比,總結(jié)出3種儀表各自的優(yōu)勢和缺點,為溫度儀表選型提供建議.從儀表的原理角度考慮:溫度開關(guān)是通過壓力測溫度,由機械結(jié)構(gòu)組成,強度大;NTC熱敏電阻通過半導體電阻值測溫度,由金屬氧化物構(gòu)成感溫元件,精度高,但易被氧化;Pt100鉑熱電阻通過金屬電阻測溫度,由鉑構(gòu)成感溫元件,精度高,性質(zhì)穩(wěn)定.
　　從儀表的特性方面考慮:溫度開關(guān)遠距離傳輸需要配置毛細管,但毛細管不宜過長,讀數(shù)容易滯后,對毛細管需要采取保護措施,防止損壞;NTC熱敏電阻的阻值和溫度成反比關(guān)系,僅在25℃和50℃電阻具有最佳線性,超出這個范圍應由供貨商提供溫度1阻值表來查詢.但每個供貨商提供的NTC溫度1阻值不盡相同,應用中會帶來更多的復雜性;Pt100鉑熱電阻,測量范圍廣,若選用三線制測溫可消除電阻產(chǎn)生的誤差,精度高,響應速度快,不需要冷端補償.
　　從儀表的安裝角度考慮:由于溫包內(nèi)充惰性氣體,溫度開關(guān)不可以側(cè)裝,側(cè)裝會影響溫包的形變,影響儀表本體的機械結(jié)構(gòu),導致測量不正確,甚至會折彎、氣體泄漏.NTC熱敏電阻和Pt100鉑熱電阻垂直安裝和側(cè)裝兩種方式都可以測量.
　　從儀表的運行及維護角度考慮:溫度開關(guān)都是國外進口產(chǎn)品,價格昂貴,后期產(chǎn)品的維護、更換周期長,售后服務不便.熱敏電阻和鉑熱電阻都可以采用國內(nèi)成熟產(chǎn)品,價格相對低,后期維護、更換及時、便捷.
從工藝要求溫度范圍考慮:通風系統(tǒng)極限溫度要求,低溫-15℃,高溫100℃.溫度開關(guān)不同量程儀表分別可以滿足低溫和高溫要求.NTC熱敏電阻僅在25℃~50℃精度正確,Pt100鉑熱電阻可以滿足全量程要求,精度高
鉑熱電阻的電阻信號直接被采集進DCS機柜或者就地箱調(diào)節(jié)器,轉(zhuǎn)變?yōu)?mA~20mA的標準信號進行輸出.信號可以根據(jù)工藝需求在不同地點進行控制、報警、顯示.國內(nèi)廠家也具備良好的技術(shù)和工藝生產(chǎn)鉑熱電阻,部分廠家的常用型號通過了抗震及耐輻照鑒定.
 
2壓力儀表
2.1原理及結(jié)構(gòu)1.2
1)微差壓開關(guān)
　　微差壓開關(guān)的工作原理是開關(guān)中的膜片響應壓力的變化而移動,驅(qū)動觸點致使開關(guān)在兩個預設點動作.預設點的斷開、閉合驅(qū)動設備達到控制目的,以往核電項目使用數(shù)量較多.
2)模擬量壓力變送器
　　壓力變送器主要有電容式和擴散硅式壓力變送器.
　　電容式微差壓變送器是根據(jù)變電容原理工作的,它的傳感器是電容,利用彈性元件受壓變形來改變可變電容器的電容量,從而實現(xiàn)壓力-電容的轉(zhuǎn)換.用數(shù)學公式更簡潔地說明工作原理:
P1-P2=△P
當P1=P2時,C1=C2=K2/d0,K2=εS/4π.
其中,ε為絕對介電常數(shù);S為兩極板正對面積;4π為計算常數(shù).
當P1>P2時,Ci1=εA/d1.
　　測量膜片新移動距離:d1=△d+d0,△d=K1△P.其中,K1是彈力系數(shù);ε是電極板間介質(zhì)的介電常數(shù);A為板面積;P2為大氣壓.
3)擴散硅式壓力變送器
　　擴散硅式壓力變送器工作原理:介質(zhì)壓力作用于波紋膜片上,使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移,從而使傳感器膜片表面的硅壓敏電阻的電阻值發(fā)生變化.擴散硅式壓力變送器的傳感元件是擴散硅壓阻芯片,同樣可以將電阻信號轉(zhuǎn)變?yōu)?mA~20mA的標準信號進行輸出.
　　擴散硅式壓力變送器利用半導體壓阻效應實現(xiàn)阻值變化,特點是敏感度高,產(chǎn)品一致性差.
2.2儀表特點對比分析
　　微差壓開關(guān)儀表在核電廠通風系統(tǒng)中應用很廣泛,但其問題也比較明顯:回差較大,導致報警無法正常消報,甚至無法滿足設備運行和控制聯(lián)鎖要求,需要人員手動去.現(xiàn)場消報;回差過小,又會導致信號抖動,頻繁報警,或頻繁啟停設備.由于這類情況屢次發(fā)生,考慮用其他微差壓變送器替代差壓開關(guān).
　　目前,電容式微差壓變送器、擴散硅式壓力變送器在核電廠其他系統(tǒng)有著普遍的應用,本節(jié)對微差壓開關(guān)和這兩種變送器的原理、特性、安裝及運行維護要求等不同方面展開對比,總結(jié)出3種儀表各自的優(yōu)勢和缺點,為微差壓儀表選型提供建議.
　　從儀表的原理角度考慮:微差壓開關(guān)是通過位移來測量壓力的,觸點的通斷由驅(qū)動開關(guān)控制,由機械部件組成;擴散硅式壓力變送器是通過電阻值的改變來測量壓力的,由硅及膜片構(gòu)成測量元件,靈敏度高、但膜片易受損;電容式差壓變送器是通過電容的改變來測量壓力的,由中心膜片構(gòu)成測量元件,測量精度高,性能穩(wěn)定.
　　從儀表的特性方面考慮:微差壓開關(guān)儀表微差壓值可以做到2.5Pa.擴散硅式壓力變送器差壓值不能承受動態(tài)過載壓力,低于0℃,溫度穩(wěn)定性大幅降低,--般不用于測量差壓.電容式差壓變送器含有δ室,處于密閉結(jié)構(gòu),耐腐蝕,抗干擾能力強、穩(wěn)定性好,中心膜片為不銹鋼金屬材質(zhì),承壓好、不變形.
　　從儀表的安裝角度考慮:開關(guān)量儀表中心膜片要求絕對豎直,現(xiàn)場是垂直安裝,避免因為重力影響測量精度.變送器可以側(cè)裝,膜片受重力影響,可以通過在線遷移調(diào)整“0”位.
　　從工藝要求范圍考慮:通風系統(tǒng)一般測量的是電加熱器或風機前后進出口的壓力差,監(jiān)測的差值較小,有的甚至只有10Pa.如某些通風系統(tǒng)的部分微差壓檢測儀表,差壓值僅10Pa.部分通風系統(tǒng)處于放射性環(huán)境中,要保證接.觸元件性質(zhì)穩(wěn)定.微差壓開關(guān)可以滿足上述工藝,擴散硅式壓力變送器針對微差壓值較低的量程供貨商難以滿足,電容式差壓變送器微差壓量程范圍可達到0Pa~160Pa,精度保證全量程的0.5%.當測點低至10Pa時,精度達到10%.
　　電容式差壓變送器分為檢測環(huán)節(jié)和變送環(huán)節(jié),檢測環(huán)節(jié)由被測壓力的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化;變送環(huán)節(jié)則將電容變化量轉(zhuǎn)換成4mA~20mA的標準信號進行輸出.信號可以直接被采集進DCS機柜或者就地箱調(diào)節(jié)器,根據(jù)工藝需求在不同地點進行控制、報警、顯示.差壓變送器信號框圖如圖4所示.
 
　　國內(nèi)供貨商的電容式微差壓變送器具備良好的設計和工藝技術(shù),部分廠家的常用型號通過了抗震及耐輻照鑒定.
結(jié)論
　　基于以上分析結(jié)果,Pt100鉑熱電阻具有精度高、測量范圍廣、穩(wěn)定性高,且阻值和溫度具有良好的線性關(guān)系,安裝方式?jīng)]有限制等優(yōu)點,能夠滿足核電廠通風系統(tǒng)溫度采集的特點;電容式微差壓變送器具有低測量值、穩(wěn)定性高、承壓范圍廣:等優(yōu)點,能夠滿足核電廠通風系統(tǒng)微差壓采集的多數(shù)需求,但是在差壓值非常低的情況下,電容式微差壓變送器精度降低,不具備明顯優(yōu)勢.因此,在核電廠通風系統(tǒng)儀表優(yōu)化設計方案中,統(tǒng)-考慮采用Pt100鉑熱電阻進行溫度測量,考慮差壓值極低時仍使用微差壓開關(guān)或者采集風機狀態(tài)聯(lián)鎖控制差壓表所監(jiān)測設備,普通的微差壓值測點可以采用電容式微差壓變送器進行差壓測量.