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      三畅创新研发仪表、助力工业自动化升级

      关于核电厂通风系统应用仪表选型研究

      来源: 作者: 发布日期:2021-04-21

       摘 要 :本文详细介绍了通风仪表的原理和结构,以及仪表应用的问题反馈及缺陷,并对比分析相同类型仪表控制方案的优缺点,提出解决方案,非常终实现通风仪表在核岛通风系统中的应用及优化。使核电厂人员操作、运行维护更加方便,提升了系统运行的准确性和可靠性,节省了大量的资金和时间成本。

       
      引言
      通风系统是核电站重要的辅助系统,肩负着电站安全、稳定运行的重大责任,为设备运行和人员作业提供适宜的工作条件,并对气态污染物进行控制和净化。通风仪表是通风系统运行的先决条件,选择、使用良好的仪表对核岛通风系统正常运行起到至关重要的作用。以往项目中,参与控制的仪表多数选用开关量类型仪表,这类仪表数量较多,同时也暴露出较多问题。相较于开关量仪表,模拟量信号具有控制更精准,对设备状态监控更全面、故障率更低的优点。因此,亟需对现有通风系统仪表重新开展选型与优化工作,以期能够改善现有通风系统开关量仪表的各类缺陷,提高通风系统参数监测的总体性能。本文对通风系统中常用的温度、压力两种仪表类型,从通风仪表的分类、原理、结构、选型、应用及其参与控制的实现等方面进行分析、探讨和研究,并非常终总结出各类通风仪表在选型过程中需要注意的关键问题,以期为后续项目中通风系统仪表选型提供借鉴和指导。
      铂热电阻结构
      1 温度仪表
      1.1 原理及结构[1,2]
      1)温度开关
      温度开关通过给温包充惰性气体,气体压力随温度变化而变化,触发微动开关动作。以往核电项目使用数量很多。
       
      2)热电阻
      热电阻主要分为金属热电阻和半导体热电阻。金属热电阻是利用金属导体的电阻值随着温度变化而发生改变这一特性来测量温度的。金属铂是热电阻仪表较常采用的一种测温元件,电厂使用多是铠装铂热电阻。铠装铂热电阻是将感温元件封焊在由金属套管、绝缘材料和金属导线三者组合加工而成的铠装电缆内。
       
      NTC 热敏电阻是半导体热敏电阻的一类,NTC 热敏电阻是负温度系数热敏电阻,以锰、铜等金属氧化物为材料,电阻值随温度增大而减小。这类仪表非常主要的特点是 :非线性关系、稳定性较差、测量范围窄、灵敏度高。
       
      1.2 仪表特点对比分析
      目前,温度开关仪表、NTC 热敏电阻、PT100 铂热电阻在核电厂中应用均很广泛,本节对 3 种仪表的原理、特性、安装及运行维护要求等不同方面展开对比,总结出 3种仪表各自的优势和缺点,为温度仪表选型提供建议。从仪表的原理角度考虑 :温度开关是通过压力测温度,由机械结构组成,强度大 ;NTC 热敏电阻通过半导体电阻值测温度,由金属氧化物构成感温元件,精确度高,但易被氧化 ;Pt100 铂热电阻通过金属电阻测温度,由铂构成感温元件,精确度高,性质稳定 [3]。
       
      从仪表的特性方面考虑 :温度开关远距离传输需要配置毛细管,但毛细管不宜过长,读数容易滞后,对毛细管需要采取;ご胧,防止损坏 ;NTC 热敏电阻的阻值和温度成反比关系,仅在 25℃和 50℃电阻具有非常佳线性,超出这个范围应由供货商提供温度 / 阻值表来查询。但每个供货商提供的 NTC 温度 / 阻值不尽相同,应用中会带来更多的复杂性 ;Pt100 铂热电阻,测量范围广,若选用三线制测温可消除电阻产生的误差,精度高,响应速度快,不需要冷端补偿 。
       
      从仪表的安装角度考虑 :由于温包内充惰性气体,温度开关不可以侧装,侧装会影响温包的形变,影响仪表本体的机械结构,导致测量不精确,甚至会折弯、气体泄漏。NTC 热敏电阻和 Pt100 铂热电阻垂直安装和侧装两种方式都可以测量。
       
      从仪表的运行及维护角度考虑 :温度开关都是国外进口产品,价格昂贵,后期产品的维护、更换周期长,售后服务不便。热敏电阻和铂热电阻都可以采用国内成熟产品,价格相对低,后期维护、更换及时、便捷。
       
      从工艺要求温度范围考虑 :通风系统极限温度要求,低温 -15℃,高温 100℃。温度开关不同量程仪表分别可以满足低温和高温要求。NTC 热敏电阻仅在 25℃~ 50℃精度准确,Pt100 铂热电阻可以满足全量程要求,精度高。
       
      铂热电阻的电阻信号直接被采集进 DCS 机柜或者就地箱调节器,转变为 4mA ~ 20mA 的标准信号进行输出。信号可以根据工艺需求在不同地点进行控制、报警、显示。国内厂家也具备良好的技术和工艺生产铂热电阻,部分厂家的常用型号通过了抗震及耐辐照鉴定。
      铂电阻和热敏电阻线性对比
      2 压力仪表
      2.1 原理及结构[1,2]
      1)微差压开关
      微差压开关的工作原理是开关中的膜片响应压力的变化而移动,驱动触点致使开关在两个预设点动作。预设点的断开、闭合驱动设备达到控制目的,以往核电项目使用数量较多。
      2)模拟量压力变送器
      压力变送器主要有电容式和扩散硅式压力变送器。电容式微差压变送器是根据变电容原理工作的,它的传感器是电容,利用弹性元件受压变形来改变可变电容器的电容量,从而实现压力 - 电容的转换。
       
      用数学公式更简洁地说明工作原理 :
      P1-P2=ΔP 
      当 P1=P2 时,C1=C2=K2/d0,K2=εS/4π。其中,ε 为绝对介电常数 ;S 为两极板正对面积 ;4π为计算常数。
       
      当 P1 > P2 时,Ci1=εA/d1。测量膜片新移动距离 :d1=Δd+d0,Δd=K1ΔP。其中,K1 是弹力系数 ;ε 是电极板间介质的介电常数 ;A 为板面积 ;P2 为大气压。
       
      3)扩散硅式压力变送器
      扩散硅式压力变送器工作原理 :介质压力作用于波纹膜片上,使膜片产生与介质压力成正比的微位移,从而使传感器膜片表面的硅压敏电阻的电阻值发生变化。扩散硅式压力变送器的传感元件是扩散硅压阻芯片,同样可以将电阻信号转变为 4mA ~ 20mA 的标准信号进行输出。扩散硅式压力变送器利用半导体压阻效应实现阻值变化,特点是敏感度高,产品一致性差。
       
      2.2 仪表特点对比分析
      微差压开关仪表在核电厂通风系统中应用很广泛,但其问题也比较明显 :回差较大,导致报警无法正常消报,甚至无法满足设备运行和控制联锁要求,需要人员手动去现场消报 ;回差过小,又会导致信号抖动,频繁报警,或频繁启停设备。由于这类情况屡次发生,考虑用其他微差压变送器替代差压开关。
       
      目前,电容式微差压变送器、扩散硅式压力变送器在核电厂其他系统有着普遍的应用,本节对微差压开关和这两种变送器的原理、特性、安装及运行维护要求等不同方面展开对比,总结出 3 种仪表各自的优势和缺点,为微差压仪表选型提供建议。
       
      从仪表的原理角度考虑 :微差压开关是通过位移来测量压力的,触点的通断由驱动开关控制,由机械部件组成 ;扩散硅式压力变送器是通过电阻值的改变来测量压力的,由硅及膜片构成测量元件,灵敏度高、但膜片易受损 ;电容式差压变送器是通过电容的改变来测量压力的,由中心膜片构成测量元件,测量精度高,性能稳定 [4]。从仪表的特性方面考虑 :微差压开关仪表微差压值可以做到 2.5Pa。扩散硅式压力变送器差压值不能承受动态过载压力,低于 0℃,温度稳定性大幅降低,一般不用于测量差压。电容式差压变送器含有 δ 室,处于密闭结构,耐腐蚀,抗干扰能力强、稳定性好,中心膜片为不锈钢金属材质,承压好、不变形。
      差压变送器框图
      从仪表的安装角度考虑 :开关量仪表中心膜片要求绝对竖直,现场是垂直安装,避免因为重力影响测量精度。变送器可以侧装,膜片受重力影响,可以通过在线迁移调整“0”位。
       
      从工艺要求范围考虑 :通风系统一般测量的是电加热器或风机前后进出口的压力差,监测的差值较小,有的甚至只有 10Pa。如某些通风系统的部分微差压检测仪表,差压值仅 10Pa。部分通风系统处于放射性环境中,要保证接触元件性质稳定。微差压开关可以满足上述工艺,扩散硅式压力变送器针对微差压值较低的量程供货商难以满足,电容式差压变送器微差压量程范围可达到 0Pa ~ 160Pa,精度保证全量程的 0.5%。当测点低至 10Pa 时,精度达到10%。
       
      电容式差压变送器分为检测环节和变送环节,检测环节由被测压力的变化转换成电容量的变化 ;变送环节则将电容变化量转换成 4mA ~ 20mA 的标准信号进行输出。信号可以直接被采集进 DCS 机柜或者就地箱调节器,根据工艺需求在不同地点进行控制、报警、显示。差压变送器信号框图如图 4 所示。
      电容式压力变送器原理图
      国内供货商的电容式微差压变送器具备良好的设计和工艺技术,部分厂家的常用型号通过了抗震及耐辐照鉴定。
       
      3 结论
      基于以上分析结果,Pt100 铂热电阻具有精度高、测量范围广、稳定性高,且阻值和温度具有良好的线性关系,安装方式没有限制等优点,能够满足核电厂通风系统温度采集的特点 ;电容式微差压变送器具有低测量值、稳定性高、承压范围广等优点,能够满足核电厂通风系统微差压采集的多数需求,但是在差压值非常低的情况下,电容式微差压变送器精度降低,不具备明显优势。因此,在核电厂通风系统仪表优化设计方案中,统一考虑采用 Pt100 铂热电阻进行温度测量,考虑差压值极低时仍使用微差压开关或者采集风机状态联锁控制差压表所监测设备,普通的微差压值测点可以采用电容式微差压变送器进行差压测量。
       

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