蔡云達(dá)，董世友

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

一回路測(cè)量儀表應(yīng)用方面的三個(gè)問題

蔡云達(dá)，董世友

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

結(jié)合田灣核電站一期工程項(xiàng)目調(diào)試和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，介紹了WWER-1000機(jī)組一回路測(cè)量儀表應(yīng)用與維護(hù)方面的3個(gè)問題，即快速響應(yīng)溫度計(jì)的原理和性能、ROSEMOUNT電容式差壓變送器高靜壓修正和含硼介質(zhì)工藝參數(shù)測(cè)量，以及利用數(shù)字化控制系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)記錄和回路診斷功能處理測(cè)量問題的經(jīng)驗(yàn)和效果評(píng)估。

一回路；快速響應(yīng)溫度計(jì)；高靜壓修正；含硼介質(zhì)工藝參數(shù)測(cè)量

1 概述

田灣核電站一期WWER-1000堆型為四環(huán)路設(shè)計(jì)，采用全數(shù)字化控制系統(tǒng)，常規(guī)測(cè)量儀表主要包括溫度計(jì)、Ⅲ型變送器。其中，溫度計(jì)按照功能分為常規(guī)用途的普通Pt100溫度計(jì)、K型熱偶，以及用于保護(hù)系統(tǒng)的快速響應(yīng)溫度計(jì)等。Ⅲ型變送器實(shí)現(xiàn)全部的壓力、差壓、液位、流量等測(cè)量，包括智能和非智能型兩種。用于保護(hù)的信號(hào)測(cè)量在變送器設(shè)備選型方面考慮了多樣性，防止共模故障，變送器感應(yīng)單元分別采用擴(kuò)散硅橋感應(yīng)式和電容式。

測(cè)量方式包括兩種:直接測(cè)量和間接測(cè)量。其中，一、二回路壓力邊界內(nèi)、大流速的溫度測(cè)量全部采用熱阱間接測(cè)量方式，其他對(duì)象測(cè)量則直接插入測(cè)量。常規(guī)非強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的差壓、液位、流量等測(cè)量，則全部采用直接測(cè)量方式。液位測(cè)量采用的是帶參考液柱的差壓法測(cè)量方式。

工程調(diào)試和生產(chǎn)運(yùn)行階段，利用全數(shù)字化控制系統(tǒng)固有的通道穩(wěn)定性和友好的人機(jī)界面，可以對(duì)就地測(cè)量設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如偏差、斷線等硬件故障等做出快速判斷?？刂葡到y(tǒng)采集通道的穩(wěn)定性大大減少了信號(hào)回路的檢修任務(wù)，為工程技術(shù)人員診斷故障提供了強(qiáng)有力的輔助手段和驗(yàn)證措施，大大縮短了故障診斷時(shí)間。下面針對(duì)一期儀表選型特點(diǎn)，介紹調(diào)試至運(yùn)行期間出現(xiàn)的一些看似簡單的測(cè)量問題，通過數(shù)字化控制系統(tǒng)判斷和解決的方法。

2 一回路快速響應(yīng)溫度計(jì)

田灣核電站冷卻劑溫度測(cè)量元件是帶熱阱直接垂直安裝在主管道上的，保護(hù)管端部流速15 m/s左右，普通帶熱阱的溫度計(jì)測(cè)量遲延約10 s。

由于一回路冷卻劑溫度是反應(yīng)堆超溫保護(hù)、蒸汽發(fā)生器破管（SGTR）隔離和停堆保護(hù)的重要參數(shù)，因此，設(shè)計(jì)選型為兩種型號(hào):一種為普通型Pt100，如圖1所示；另一種為具有快速響應(yīng)特性的溫度元件，專門用于反應(yīng)堆超溫保護(hù)，原理如圖2所示。

圖1 普通型Pt100元件示意圖 Fig.1 Sketch of regular Pt1000 element

圖2 快速響應(yīng)溫度元件示意圖Fig.2 Sketch of rapid response temperature element

現(xiàn)場(chǎng)溫度信號(hào)經(jīng)過溫度變送器實(shí)現(xiàn)信號(hào)類型轉(zhuǎn)換，輸出4～20mADC信號(hào)到反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)（TXS）和正常運(yùn)行儀控系統(tǒng)，用于反應(yīng)堆超溫保護(hù)、參與SGTR保護(hù)邏輯運(yùn)算和參與穩(wěn)壓器液位定值計(jì)算。

2.1 快速響應(yīng)溫度計(jì)原理介紹

2.1.1 元件結(jié)構(gòu)

快速響應(yīng)溫度元件分為兩部分，第一部分為快速感應(yīng)變化的熱電偶（TC）測(cè)量端，第二部分為熱電阻和補(bǔ)償熱電偶，即RTD+TC，其中的熱電偶TC與第一部分熱偶反向連接。穩(wěn)態(tài)工況下溫度變化不劇烈或溫度緩慢變化，反向連接的TC影響可以忽略不計(jì)，見圖2。

2.1.2 快速響應(yīng)溫度元件動(dòng)態(tài)特性

快速響應(yīng)溫度元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖及響應(yīng)曲線見圖3和圖4。

當(dāng)溫度發(fā)生快速變化時(shí)，位于測(cè)量元件前端的T C（見圖3中上面的熱電偶）起到“導(dǎo)前微分”作用，溫變端口采集電壓Us=URTD+UTC（TOP）。

圖3 元件內(nèi)部原理圖Fig.3 Interior schematic of element

圖4 快速溫度計(jì)響應(yīng)趨勢(shì)Fig. 4 Rapid temperature gauge response tendency

當(dāng)溫度動(dòng)態(tài)過程結(jié)束，或變化非常緩慢后，UTC（TOP）與UTC（PT100）電勢(shì)差為0，兩部分TC作用相互抵消，即Us=URTD+UTC（TOP）-UTC（Pt100）=URTD，實(shí)際測(cè)量值為熱電阻URTD的值。

2.2 調(diào)試問題

2007年7月15日，田灣核電站2號(hào)機(jī)組在進(jìn)行100%功率平臺(tái)下手動(dòng)停堆試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)人員在分析瞬態(tài)數(shù)據(jù)過程中，發(fā)現(xiàn)在機(jī)組動(dòng)態(tài)過程的開始，穩(wěn)壓器液位的實(shí)際值與設(shè)定值相比有很大的偏差。經(jīng)分析，確認(rèn)穩(wěn)壓器液位定值較實(shí)際液位變化的慢，通過對(duì)OM690（操作與監(jiān)視系統(tǒng)）的歷史記錄進(jìn)一步分析，并與1號(hào)機(jī)組做對(duì)比，確認(rèn)是參與液位定值計(jì)算的一回路快速響應(yīng)溫度計(jì)的測(cè)量結(jié)果存在遲延，造成液位定值計(jì)算不準(zhǔn)確。如圖5所示為OM690歷史趨勢(shì)記錄，當(dāng)反應(yīng)堆快速降功率時(shí)，快速響應(yīng)溫度計(jì)測(cè)量值（TW105）下降較普通溫度計(jì)（TW102）遲延約4 s。

圖5 100%負(fù)荷工況下瞬態(tài)試驗(yàn)時(shí)的趨勢(shì)Fig.5 Tendency of transient test at 100% load conditions

按照設(shè)備鑒定文件的描述:快速響應(yīng)溫度計(jì)（TW105）在水介質(zhì)、0.4 m/s流速、帶熱阱安裝情況下，t0.5≤3.6 s。因此，可以確定測(cè)量遲延是由于現(xiàn)場(chǎng)安裝不正確而產(chǎn)生的。

2.3 滯后原因分析

由于設(shè)計(jì)方對(duì)元件廠商遞交的元件資料圖紙理解錯(cuò)誤，造成后續(xù)元件信號(hào)連接設(shè)計(jì)文件的錯(cuò)誤。按照錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)圖紙實(shí)施的接線，存在兩種可能的情況出現(xiàn):Us中將不含UTC，即無“導(dǎo)前微分”作用效果；或包含UTC，但作用相反。用熱水對(duì)兩種型號(hào)的熱電阻TW105和TW102進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，因接線錯(cuò)誤，兩種響應(yīng)趨勢(shì)分別見圖6和圖7。由此可以分析、推斷圖5所示的響應(yīng)遲延問題是因?yàn)榻泳€錯(cuò)誤造成的。

2.4 問題的解決與試驗(yàn)

經(jīng)過認(rèn)真的分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，重新接線，正確的試驗(yàn)趨勢(shì)如圖8所示，確認(rèn)快速響應(yīng)溫度計(jì)的響應(yīng)時(shí)間比普通溫度計(jì)快1～4 s，快速響應(yīng)功能正常。

圖6 無導(dǎo)前微分作用的趨勢(shì)Fig. 6 Tendency without leading derivative action

圖7 導(dǎo)前微分作用相反的趨勢(shì)Fig. 7 Counter-tendency with leading derivative action

圖8 正確接線的對(duì)比趨勢(shì)Fig. 8 The contrast tendency of correct wiring

2.5 效果評(píng)估

通過對(duì)快速響應(yīng)溫度計(jì)內(nèi)部接線的分析和現(xiàn)場(chǎng)接線試驗(yàn)驗(yàn)證，消除了導(dǎo)致一回路超溫等主保護(hù)拒動(dòng)的安全隱患。提醒從事設(shè)計(jì)和調(diào)試的人員，對(duì)于重要信號(hào)，尤其是特殊元件測(cè)量回路的調(diào)試，不能僅依賴制造商提供的資料設(shè)計(jì)和觀察性的測(cè)量回路單體調(diào)試，對(duì)于特殊測(cè)量方式，如這類溫度元件，還必須進(jìn)行實(shí)際的模擬工況動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證，才能真正掌握一種新型元件的特性。

快速響應(yīng)溫度計(jì)通過元件結(jié)構(gòu)、功能來消除壓力邊界內(nèi)溫度帶熱阱測(cè)量的固有遲延，目前流速下，延遲時(shí)間要低于鑒定報(bào)告試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為保護(hù)定值設(shè)置裕量計(jì)算等設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)。

3 ROSEMOUNT電容式差壓變送器高靜壓修正

用于反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的壓力、液位信號(hào)在變送器設(shè)計(jì)選型上考慮了多樣性，分別選用了E+H和ROSEMOUNT兩公司的產(chǎn)品。E+H公司產(chǎn)品感應(yīng)單元為擴(kuò)散硅感壓橋，而ROSEMOUNT感壓單元?jiǎng)t為純電容式，因此，兩者受高靜壓的影響不相同。其中，E+H擴(kuò)散硅感壓橋變送器廠家沒有給出高靜壓環(huán)境下的儀表固定偏差值，理解為可以自動(dòng)補(bǔ)償；而ROSEMOUNT公司產(chǎn)品（1152/1153系列）則給出明確的高靜壓影響數(shù)值，可以理解為機(jī)械式感應(yīng)單元無法自動(dòng)補(bǔ)償。

3.1 調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題

變送器初裝調(diào)試到機(jī)組熱試階段，通過OM690畫面顯示，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓器和蒸汽發(fā)生器液位信號(hào)所選用的兩種類型變送器測(cè)量結(jié)果顯示不一致。仔細(xì)檢查變送器設(shè)置的基礎(chǔ)參數(shù)和控制系統(tǒng)軟件修正算法都沒有問題，在考慮各種可能因素的情況下，仍無法解釋測(cè)量結(jié)果不一致的原因。后經(jīng)查找設(shè)備的技術(shù)手冊(cè)，找出是因?yàn)閮煞N感應(yīng)單元特性差異所致。

3.2 高靜壓修正

變送器校驗(yàn)一般是在實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)的大氣環(huán)境壓力下進(jìn)行的，通常采用單側(cè)外加變送器工作環(huán)境量程壓力，沒有考慮兩側(cè)同時(shí)施加工作環(huán)境壓力和量程壓力，而且實(shí)施起來相當(dāng)困難。因此，當(dāng)常壓下校驗(yàn)準(zhǔn)確的變送器，現(xiàn)場(chǎng)安裝后，用于高壓力介質(zhì)參數(shù)測(cè)量，如主泵進(jìn)出口差壓、穩(wěn)壓器液位測(cè)量等，就會(huì)產(chǎn)生較大偏差。

以1152DP/HP為例，按照廠家提供的數(shù)據(jù)，每1 000 psi（6.89 MPa）靜壓對(duì)不同量程范圍的變送器產(chǎn)生的矯正因子如表1所示。

表 1 不同量程對(duì)應(yīng)的矯正因子Table 1 Rectification factors corresponding to different ranges

從表1可以看出，最大的矯正因子為1.75%，在額定工況下（系統(tǒng)壓力為15.7 MPa)產(chǎn)生的偏差會(huì)更大，必須要實(shí)施修正。

3.3 修正的實(shí)施

差壓式高靜壓修正嚴(yán)格意義上講，需要對(duì)量程兩端進(jìn)行修正。而工程實(shí)際應(yīng)用中，則一般只進(jìn)行一端修正即可滿足生產(chǎn)控制需要。根據(jù)被測(cè)信號(hào)類型只進(jìn)行零點(diǎn)或量程上端遷移。矯正包括量程計(jì)算和零點(diǎn)修正。

3.3.1 矯正量程計(jì)算

廠家給出了1152/1153型變送器不同的量程范圍下對(duì)應(yīng)的矯正因子，可以據(jù)此計(jì)算出修正后的電流值。以型號(hào)1152HP-7N22-T1862變送器為例，量程為0～1 M P a，工作壓力為15.7 MPa，《手冊(cè)》中給出的矯正因子為1.05% of input/1 000 psi。計(jì)算步驟如下:

步驟1:計(jì)算修正因子

1.05 %×15.7/6.89=2.39%

步驟2:計(jì)算滿點(diǎn)調(diào)整值

2.39 %×1/1×16 mA=0.383 mA

步驟3:計(jì)算滿量程輸出20.00+0.383=20.383 mA修正后的量程為:0～1.0 MPa對(duì)應(yīng)變送器的輸出為4～20.383 mA。

3.3.2 零點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整

變送器現(xiàn)場(chǎng)安裝后，在額定工況壓力下打開平衡閥，使變送器膜盒兩側(cè)壓力相等，調(diào)整零點(diǎn)電位器，至零點(diǎn)輸出為4 mA即可。

3.4 正壓側(cè)作為參考端的液位計(jì)修正

田灣核電站差壓式液位測(cè)量設(shè)計(jì)正壓側(cè)作為參考端，即正壓側(cè)注滿介質(zhì)，負(fù)壓側(cè)連接所測(cè)箱體或罐體的介質(zhì)，通過負(fù)壓側(cè)壓力變化計(jì)算液位值，差壓值與變送器電流實(shí)際輸出成反向?qū)?yīng)關(guān)系。因此，實(shí)施高靜壓量程修正則為調(diào)整量程低端值。以穩(wěn)壓器寬量程液位為例（計(jì)算方法同上)，修正后的量程為:116.24～0 kPa，對(duì)應(yīng)變送器輸出為3.705～20 mA。相應(yīng)的，零點(diǎn)調(diào)整時(shí)應(yīng)調(diào)整20 mA。

3.5 實(shí)驗(yàn)室高靜壓調(diào)整

按修正后的量程對(duì)變送器校驗(yàn)后，需要在工作靜壓下調(diào)整零點(diǎn)，如果要等到機(jī)組狀態(tài)起來后再調(diào)整，一是作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)增大；二是由于變送器的偏差可能影響機(jī)組啟動(dòng)期間操縱員的判斷。于是我們?cè)谛Ｍ瓯砗?，直接打開平衡閥給變送器加15.7 MPa的壓力，然后調(diào)整零點(diǎn)。這樣，就完成了整個(gè)修正過程。

3.6 效果評(píng)估

由于受測(cè)量原理的限制，電容式差壓變送器的測(cè)量精度在高靜壓下都會(huì)受到影響，靜壓越高，測(cè)量誤差越大，是否需要修正，應(yīng)根據(jù)工藝測(cè)量品質(zhì)要求來確定。例如，用于田灣核電站的穩(wěn)壓器液位、主泵進(jìn)出口差壓、蒸發(fā)器液位等工藝參數(shù)測(cè)量的1152電容式差壓變送器，都根據(jù)此方法進(jìn)行了高靜壓修正，有效地恢復(fù)了儀表在高靜壓下的測(cè)量精度，很好地解決了與擴(kuò)散硅式差壓變送器之間的測(cè)量偏差問題。

4 含硼介質(zhì)工藝參數(shù)測(cè)量問題

4.1 概述

田灣核電站低濃度硼酸溶液為16 g/kg，高濃度硼酸為40 g/kg。含硼介質(zhì)液位和壓力測(cè)量都是采用直接取壓測(cè)量，其中，液位為帶參考液柱的差壓法測(cè)量。

4.2 環(huán)室流量測(cè)量

4.2.1 存在的問題

在用環(huán)室取壓法測(cè)量含硼介質(zhì)的流量時(shí)，因儀表根閥、儀表管、閥組和變送器工作環(huán)境溫度是常溫，在含硼水進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)后由于溫度低于硼結(jié)晶溫度，必然造成硼的析出并產(chǎn)生結(jié)晶，引起儀表根閥、儀表管、閥組的堵塞影響流量的測(cè)量。此外，部分安全系統(tǒng)停運(yùn)后，安裝孔板的管段未充滿介質(zhì)，在對(duì)空檢修時(shí)，勢(shì)必會(huì)造成孔板處硼晶體析出，影響環(huán)室狹縫的取壓阻尼。

4.2.2 措施

鑒于存在的測(cè)量問題，可以采用濕吹掃的辦法，即在工藝管線退出運(yùn)行前，對(duì)安裝孔板管線段立即進(jìn)行吹掃。具體的過程如下:在管線的介質(zhì)剛斷流不久，用除鹽水向節(jié)流件對(duì)象連續(xù)沖洗，使有腐蝕性、黏稠性、結(jié)晶性、熔融性、沉淀性等介質(zhì)不停留在孔板環(huán)室內(nèi)部以及儀表測(cè)量部件中，達(dá)到保護(hù)儀表和節(jié)流裝置的目的。

預(yù)防性維修期間，當(dāng)在孔板對(duì)空后立即實(shí)施濕態(tài)吹掃和預(yù)防性濕態(tài)吹掃，是降低常溫布置的含硼管線測(cè)量孔板堵塞風(fēng)險(xiǎn)最有效的辦法。

4.3 參考端液柱

4.3.1 存在的問題

為防止結(jié)晶影響，工程調(diào)試和生產(chǎn)運(yùn)行階段濃硼容器測(cè)量的脈沖管線注入的全部為除鹽水，但是長期運(yùn)行，存在硼滲入問題，引起的誤差是可以察覺的。分別以20 ℃和40 ℃的硼酸和凝結(jié)水為例，硼酸密度分別為998.3 kg/m3、992.3 kg/m3；而純凝結(jié)水的密度為994.7 kg/m3、990.5 kg/m3，由于介質(zhì)不同造成的偏差最大為0.36%?？梢?，這種參考端介質(zhì)的不同對(duì)液位測(cè)量的影響是客觀存在的，但從工藝的要求來說，影響是在可接受的范圍內(nèi)的。

4.3.2 措施

針對(duì)存在的客觀問題，兩種措施可以彌補(bǔ):一是參考液柱注除鹽水，對(duì)應(yīng)的差壓按照脈沖管線所處環(huán)境溫度的除鹽水密度計(jì)算。通過數(shù)字化顯示系統(tǒng)，對(duì)多測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)的（用于保護(hù)的信號(hào)全部為多測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)）采用交叉比較方式，快速診斷個(gè)別變送器的異常偏差。通過歷史記錄，分析趨勢(shì)變化，確定共性偏差的存在。利用檢修窗口沖洗或更換發(fā)生堵塞等異常的脈沖管線，消除滲入介質(zhì)影響。二是脈沖管線直接注入硼水，對(duì)于流量測(cè)量的取樣管線也同樣，利用定期檢修機(jī)會(huì)進(jìn)行沖洗、注重維護(hù)，消除可能發(fā)生的影響。

5 結(jié)束語

田灣核電站儀控系統(tǒng)外圍測(cè)量設(shè)備是先進(jìn)的，儀表型號(hào)種類繁多，其中快速響應(yīng)溫度元件是目前國內(nèi)首次使用的，在機(jī)組動(dòng)態(tài)試驗(yàn)期間已經(jīng)體現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，尤其是數(shù)字化系統(tǒng)應(yīng)用后，從上至下的速度匹配是十分重要的，尤其是保護(hù)系統(tǒng)。

用于保護(hù)系統(tǒng)的一回路溫度測(cè)量信號(hào)在設(shè)備選型、安裝調(diào)試和性能測(cè)試驗(yàn)證的每個(gè)環(huán)節(jié)都是十分重要的。先進(jìn)的設(shè)備，如快速響應(yīng)溫度計(jì)，如果回路設(shè)計(jì)、安裝錯(cuò)誤，就不能夠發(fā)揮真正的作用，有時(shí)甚至?xí)鸱醋饔谩Ｓ捎谠O(shè)計(jì)變送器設(shè)備考慮了多樣性，通過數(shù)字化顯示系統(tǒng)的記錄趨勢(shì)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)電容式差壓變送器應(yīng)用方面的疏忽，及時(shí)予以了糾正。

數(shù)字化系統(tǒng)強(qiáng)大的通道處理功能，包括實(shí)時(shí)顯示與歷史數(shù)據(jù)追憶、高精度的數(shù)據(jù)處理通道，以及回路診斷功能，為測(cè)點(diǎn)狀態(tài)評(píng)估，尤其是參數(shù)變化趨勢(shì)的長期跟蹤等，提供了有力的工具。通過T101、T201大修項(xiàng)目，可以看到測(cè)量儀表的檢修，已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)向純儀表的校驗(yàn)和控制室品質(zhì)鑒定工作，取消了非法規(guī)要求的通道校驗(yàn)檢修等項(xiàng)目，明確了現(xiàn)代化儀控檢修重點(diǎn)，優(yōu)化了檢修項(xiàng)目，合理利用檢修資源，提高了檢修質(zhì)量。

[1] 蔡云達(dá).一回路快速響應(yīng)溫度計(jì)延遲問題處理［J］，TNPS一期工程論文.

[2] SIEMENS. Tianwan NPP，Time delay of the primary circuit temperature sensors MTJBJ［J］，JBAE-M-02817-JCAL.

[3] 洪遠(yuǎn)進(jìn)，王耿騫.電容式差壓變送器的高靜壓修正［J］，TNPS一期工程論文.

[4] RNII. MODEL 1152/1153 Series D Alphaline Nuclear Pressure Transmitter［J］.

Three issues related to application of measuring instruments in the primary loop

CAI Yun-da，DONG Shi-you
（Jiangsu Nuclear Power Corporation，No.28 Haitang Middle Road，Lianyun District，Lianyungang of Jiangsu Prov. 222042，China)

Based on the experience of commissioning and operation of TNPS Phase I，this paper present three issues related to application and maintenance of measuring instruments in the primary loop of WWER-1000 reactors: the principle and performance of rapid response temperature gauges，the high line pressure correction of ROSEMOUNT capacitance differential pressure transmitters and the boric water technical parameter measurement，as well as the experience and effect evaluation of dealing with the measuring problems using the real time indication，data recording and circuit diagnosis function provided by the digital control systems.

primary loop； rapid response temperature gauge；high line pressure correction；boric water technical parameter measurement

TL99

A

1674-1617（2009)04-0324-06

2009-02-01

蔡云達(dá)（1968—），男，安徽人，研究員級(jí)高級(jí)工程師。