楊 陽(yáng)
(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司,廣東 深圳 518172)
壓力變送器作為一種將壓力變量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化電信號(hào)輸出的儀表,廣泛應(yīng)用于核電廠壓力、差壓、流量和液位等過(guò)程參數(shù)的測(cè)量,在核電廠的安全和運(yùn)行中扮演著重要的角色。
對(duì)于核安全相關(guān)壓力變送器,其不確定度一直是核電廠儀表設(shè)計(jì)的關(guān)注重點(diǎn)。美國(guó)儀表標(biāo)準(zhǔn)ISA -S67.04.01 對(duì)核安全相關(guān)儀表在正常和事故工況下不確定度應(yīng)考慮的影響因素作出了明確規(guī)定,包括參考精度、溫度影響、壓力影響、電源變化影響、漂移、輻照影響、地震影響等,并提出了均方根、代數(shù)和兩種計(jì)算綜合不確定度的方法[1]。標(biāo)準(zhǔn)IEC-61888 也有相同表述[2]。
本文以ISA 和IEC 核安全相關(guān)儀表不確定度標(biāo)準(zhǔn)作為理論出發(fā)點(diǎn),重點(diǎn)對(duì)遠(yuǎn)傳隔膜密封壓力變送器溫度影響及標(biāo)定量程溫度修正展開(kāi)分析。
在實(shí)際工業(yè)測(cè)量應(yīng)用中,若需要測(cè)量的工藝過(guò)程介質(zhì)具有溫度高、腐蝕性、有固體顆?;蛘吵硇浴⒁捉Y(jié)晶等特點(diǎn)時(shí),需將壓力變送器與工藝過(guò)程介質(zhì)隔離開(kāi)。因此可考慮為變送器配備遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置,組成遠(yuǎn)傳隔膜密封壓力變送器,或稱壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng),將過(guò)程壓力間接傳遞到變送器。
通常一個(gè)遠(yuǎn)傳隔膜密封壓力變送器由以下四個(gè)部分組成,包括一個(gè)壓力或差壓變送器、一個(gè)或兩個(gè)隔膜密封件(常用為法蘭型結(jié)構(gòu))、相應(yīng)長(zhǎng)度的毛細(xì)管(數(shù)量與隔膜密封件數(shù)量對(duì)應(yīng))以及填充液。
在壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)綜合不確定度影響因素中,溫度影響最為顯著。壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)暴露于核電廠正常運(yùn)行環(huán)境溫度中,環(huán)境溫度可能高于或低于系統(tǒng)最后標(biāo)定時(shí)所處的溫度,這樣系統(tǒng)的輸出相比最后標(biāo)定時(shí)的輸出將產(chǎn)生變化,這種影響應(yīng)該在儀表不確定度計(jì)算中考慮進(jìn)來(lái)。為了估計(jì)這種影響的幅度,應(yīng)該定義高于或者低于標(biāo)定溫度的極端運(yùn)行溫度(OT)。如果沒(méi)有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)文件和設(shè)計(jì)房間溫度數(shù)據(jù)可以參考,這些溫度值很多情況下都是基于導(dǎo)則假定的。例如,可以保守的假設(shè)最大運(yùn)行溫度(OT)和最小標(biāo)定溫度(CT)來(lái)放大溫度波動(dòng)區(qū)間,以獲得保守估計(jì)。只要定義好溫度波動(dòng)區(qū)間,溫度影響的不確定度就可以使用儀表供應(yīng)商發(fā)布的溫度影響規(guī)范書來(lái)計(jì)算獲得[3]。
以下從變送器本體和遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置兩方面來(lái)研究壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)溫度影響產(chǎn)生的機(jī)理。
目前,核電廠常用的經(jīng)過(guò)質(zhì)量鑒定的壓力變送器主要采用電容式測(cè)量原理。即檢測(cè)部件將壓力變化轉(zhuǎn)化為電容值的變化,通過(guò)一定的測(cè)量電路將電容值轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號(hào)并放大,具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、過(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但很容易受溫度、濕度等外界干擾,尤其對(duì)溫度比較敏感,變化的環(huán)境溫度將對(duì)變送器的檢測(cè)部件和電子電路產(chǎn)生影響。
2.1.1 檢測(cè)部件
一方面,變送器測(cè)量的膜片的初始張力會(huì)隨溫度變化,使得靈敏度發(fā)生改變,從而帶來(lái)誤差;另一方面,變送器本體腔室中的充液體積會(huì)隨溫度變化膨脹或收縮,使得充液壓力發(fā)生變化,從而導(dǎo)致變送器輸出產(chǎn)生漂移。另外,變送器檢測(cè)部件在進(jìn)行零部件裝配(包括安裝法蘭)后,不可避免地會(huì)存在一定的裝配應(yīng)力,這些應(yīng)力數(shù)值會(huì)隨著溫度發(fā)生變化,引起檢測(cè)部件的工作特性產(chǎn)生溫度誤差[4]。
2.1.2 電子電路
首先,變送器絕緣及屏蔽性能隨溫度變化。在溫度升高時(shí),絕緣及屏蔽性能將下降,使變送器信號(hào)的抗干擾能力減弱,從而對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生不利影響。其次,變送器電子元器件的工作性能參數(shù)也會(huì)隨溫度產(chǎn)生一定的變化。以上兩部分原因?qū)?dǎo)致輸出信號(hào)偏離正常值。
遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置由隔膜密封件、毛細(xì)管以及填充液組成,其性能隨環(huán)境溫度發(fā)生變化。這是因?yàn)樘畛湟弘S溫度變化而膨脹或收縮,帶來(lái)充液體積的變化,而隔膜密封膜片有剛性,填充液體積的變化作用在剛性膜片上,膜片無(wú)法在彈性形變范圍內(nèi)將填充液體積變化全部吸收,因此隔膜密封膜片的反向作用力將通過(guò)系統(tǒng)傳遞至變送器的感壓膜片上,引起誤差。另外,對(duì)于在豎直方向安裝的遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置,由于填充液的密度也隨溫度變化,因此在豎直方向上會(huì)有靜壓的影響。該影響是由環(huán)境溫度波動(dòng)引起的,可加到溫度影響的誤差上。
根據(jù)上述內(nèi)容,可知有兩個(gè)主要因素影響遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置的溫度性能:填充液的特性和隔膜密封膜片的剛性。
2.2.1 填充液特性
(1)熱膨脹系數(shù)。填充液起到壓力傳遞的作用,其隨溫度的變化而膨脹或收縮,熱膨脹系數(shù)確定了該變化量,即單位體積填充液?jiǎn)挝粶囟鹊捏w積變化量,單位為mL/(mL·℃-1)。各種填充液熱膨脹系數(shù)如表1所示[5]。
表1 填充液熱膨脹系數(shù)Tab. 1 Thermal expansion coefficient of filling solution
(2)填充液體積:填充液體積越大,其膨脹潛力也越大。因此,縮短毛細(xì)管長(zhǎng)度、減小毛細(xì)管內(nèi)徑,可減少填充液的體積,有助于減少溫度變化帶來(lái)的誤差。
(3)充液操作的質(zhì)量。在對(duì)毛細(xì)管進(jìn)行充液操作時(shí),若填充液中混入了氣體或其他易揮發(fā)物質(zhì),則隨著溫度升高,密封系統(tǒng)中的易揮發(fā)物質(zhì)就會(huì)膨脹,引起總的填充液體積發(fā)生變化,甚至出現(xiàn)過(guò)度緊張,導(dǎo)致永久變形。
2.2.2 膜片剛性
膜片剛性受膜片測(cè)量部分的直徑、膜片材料、膜片厚度及膜片波紋樣式的影響,在這些因素中,膜片的直徑是最重要的。每種膜片都有自己的剛性曲線,如圖1所示。
圖1 膜片剛性Fig.1 Rigidness of diaphragm
一般來(lái)說(shuō),直徑越大的膜片剛性越弱,即彈性越強(qiáng),可在彈性形變范圍內(nèi)更多地吸收填充液體積的變化,有助于最大限度地減小填充液隨溫度變化膨脹或收縮時(shí)反生的壓力誤差。圖1 所示膜片剛性曲線表明,由溫度變化引起的充液體積變化對(duì)大直徑膜片帶來(lái)的誤差比小直徑膜片帶來(lái)的誤差?。?]。
經(jīng)理論分析和實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明,壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)測(cè)量性能受溫度變化影響的程度主要取決于遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置,將合理選擇遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置,將有利于減少溫度變化帶來(lái)的不確定度誤差。
選擇較大直徑的隔膜密封膜片,以減小膜片剛性。另外,當(dāng)系統(tǒng)完成充液操作后,其充液量應(yīng)當(dāng)使膜片工作在圖1 所示的膜片剛性曲線上線性最好且斜率最大的一段區(qū)間內(nèi)[6]。
選擇低膨脹系數(shù)的填充液,可減少填充液隨溫度變化而膨脹或收縮的程度,有助于降低溫度變化帶來(lái)的誤差。
縮短毛細(xì)管的長(zhǎng)度,并減小毛細(xì)管內(nèi)徑,使總的填充液量減少,從而減小填充液的膨脹潛力。但需注意的是,一味減小毛細(xì)管內(nèi)徑將導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間增加,致使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能下降。二者之間如何平衡取舍要由不同的應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)決定。
隔離密封膜片直徑、填充液類型和毛細(xì)管尺寸這三者之間不同組合的測(cè)量誤差(由環(huán)境溫度變化導(dǎo)致)對(duì)比如圖2 所示[6]。誤差數(shù)據(jù)基于的條件為:變送器所在環(huán)境溫度分別變化25 ℉(14 ℃)和50 ℉(28 ℃)。圖2 中,縱坐標(biāo)代表由環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的變送器壓力輸出變化,即測(cè)量誤差,用ΔP 表示,單位采用壓力單位;橫坐標(biāo)表示不同的膜片直徑、充液、毛細(xì)管長(zhǎng)度與毛細(xì)管內(nèi)徑的組合,其中膜片直徑單位為英寸(1 英寸=25.4 mm)、毛細(xì)管長(zhǎng)度單位為英尺(1 英尺=0.304 8 m)。
圖2 各種組合溫度影響對(duì)比Fig.2 Various combinations of temperature effects
另外,在雙隔膜密封系統(tǒng)中,兩側(cè)配置盡量保持一致,可使溫度影響得到最大的平衡。
理論上,壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)的標(biāo)定溫度應(yīng)同設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度一致。在某些情況下,由于儀表不具備在設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度下進(jìn)行標(biāo)定的條件,會(huì)導(dǎo)致儀表設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度與標(biāo)定溫度有差異,這將帶來(lái)非隨機(jī)的不確定度,即偏差。根據(jù)ISA -RP67.04.02 -2000 標(biāo)準(zhǔn)的定義,偏差是一種系統(tǒng)性的儀表不確定度,在一系列給定的條件下是可預(yù)測(cè)的,從而可知其變化的方向(正或負(fù))。其幅度也可根據(jù)相關(guān)影響規(guī)范書來(lái)計(jì)算[3]。
通常情況下,由設(shè)計(jì)運(yùn)行環(huán)境和標(biāo)定環(huán)境差異導(dǎo)致的偏差需要進(jìn)行修正,這在標(biāo)定規(guī)程中都有規(guī)定[3]。以某核電廠安全殼廠房外環(huán)廊地坑液位變送器為例,說(shuō)明標(biāo)定量程的溫度修正,其安裝示意圖如圖3 所示。
該液位變送器采用羅斯蒙特K1 級(jí)遠(yuǎn)傳隔膜密封壓力變送器,液位測(cè)量范圍為-3.4 ~-1 m。變送器本體為1154 系列電容式差壓變送器,高壓側(cè)連接1159 系列隔膜密封裝置,其中毛細(xì)管長(zhǎng)度為15 英尺,填充液為DC200 硅油。1154 系列產(chǎn)品手冊(cè)顯示,環(huán)境溫度每變化56 ℃的變送器本體測(cè)量誤差為ε1,其計(jì)算公式為:
式中:URL 為Upper Range Limit,表示變送器測(cè)量上限值;Span 為變送器標(biāo)定量程,即4 ~20 mA 輸出對(duì)應(yīng)的壓力測(cè)量范圍。對(duì)于壓力變送器,其測(cè)量誤差ε 通常以標(biāo)定量程的百分比來(lái)表示,即ε(% of span),故以ε(% of URL)表示的誤差需按下式轉(zhuǎn)換。
1159 系列產(chǎn)品手冊(cè)顯示,環(huán)境溫度每變化56 ℃的遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置測(cè)量誤差為ε2,其計(jì)算公式為:
式(3)表達(dá)的含義為,在環(huán)境溫度變化56 ℃的條件下,長(zhǎng)度為5 英尺的毛細(xì)管引起的壓力測(cè)量誤差為9.3 英寸水柱,在此基礎(chǔ)上,毛細(xì)管長(zhǎng)度每額外增加5 英尺,將導(dǎo)致壓力測(cè)量誤差增加3.2 英寸水柱。
圖3 安全殼地坑液位變送器示意圖Fig.3 Schematic diagram of the level transmitter of containment shell sump
液位變送器定位于LOCA 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故后安全殼廠房環(huán)廊地坑液位監(jiān)測(cè),為事故后調(diào)查分析提供數(shù)據(jù),在邏輯上未做任何設(shè)計(jì)。LOCA 事故后,當(dāng)安全殼噴淋系統(tǒng)轉(zhuǎn)入地坑取水循環(huán)運(yùn)行時(shí),地坑水溫度溫度在120 ℃,因此該變送器的設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度應(yīng)為120 ℃。然而,由于變送器不具備在120 ℃高溫環(huán)境下進(jìn)行標(biāo)定的條件(壓力變送器檢定規(guī)程規(guī)定實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定變送器的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度為20 ±5 ℃[7])。這就帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題:儀表需投運(yùn)時(shí)的環(huán)境溫度迅速上升至120 ℃,相比于上次有效標(biāo)定時(shí)的環(huán)境溫度(25 ℃),整套壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)將在事故期間承受最高達(dá)95 ℃的環(huán)境溫度變化,根據(jù)式(1)和式(3)來(lái)計(jì)算,這將帶來(lái)總共29.5inH2O(7.375 kPa)的正向誤差,而按25 ℃下DC200 硅油相對(duì)密度計(jì)算出的變送器量程為-23.798 ~0.192 kPa,相當(dāng)于帶來(lái)了約30%的誤差,顯然不滿足事故后的監(jiān)測(cè)要求。因此,必須對(duì)25 ℃標(biāo)定溫度下變送器的量程作溫度正向修正,避免引入過(guò)大的溫度誤差,以滿足設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)要求。具體修正計(jì)算表格如表2 所示。
表2 溫度修正表格Tab. 2 Temperature correction form
本文從美國(guó)ISA 和IEC 核安全相關(guān)儀表不確定度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)出發(fā),著重介紹了核電廠用壓力變送器本體和遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置因運(yùn)行環(huán)境溫度變化而產(chǎn)生測(cè)量誤差的機(jī)理,并詳細(xì)闡述了遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置的溫度性能影響因素,提出了遠(yuǎn)程隔膜密封裝置的設(shè)計(jì)選型建議,有助于工程設(shè)計(jì)者考慮如何最大程度地減少遠(yuǎn)傳隔膜密封壓力變送器受環(huán)境溫度變化的影響。最后,以實(shí)例說(shuō)明了如何針對(duì)壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定量程的溫度修正,避免在設(shè)計(jì)應(yīng)用環(huán)境條件下引入過(guò)大的溫度誤差。
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