核電廠通風(fēng)儀表選型

摘要:介紹了通風(fēng)儀表的原理和結(jié)構(gòu),以及儀表應(yīng)用的問(wèn)題反饋及缺陷,并對(duì)比分析相同類型儀表控制方案的優(yōu)缺點(diǎn),提出解決方案,最終實(shí)現(xiàn)通風(fēng)儀表在核島通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用及優(yōu)化.使核電廠人員操作、運(yùn)行維護(hù)更加方便,提升了系統(tǒng)運(yùn)行的正確性和可靠性,節(jié)省了大量的資金和時(shí)間成本.
0引言
　　通風(fēng)系統(tǒng)是核電站重要的輔助系統(tǒng),肩負(fù)著電站安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重大責(zé)任,為設(shè)備運(yùn)行和人員作業(yè)提供適宜的工作條件,并對(duì)氣態(tài)污染物進(jìn)行控制和凈化.通風(fēng)儀表是通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行的先決條件,選擇、使用良好的儀表對(duì)核島通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用.以往項(xiàng)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(shí)也暴露出較多問(wèn)題.相較于開關(guān)量?jī)x表,模擬量信號(hào)具有控制更正確,對(duì)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控更全面、故障率更低的優(yōu)點(diǎn).因此,亟需對(duì)現(xiàn)有通風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)開關(guān)量?jī)x表的各類缺陷,提高通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測(cè)的總體性能.對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)中常用的溫度、壓力兩種儀表類型,從通風(fēng)儀表的分類、原理、結(jié)構(gòu)、選型、應(yīng)用及其參與控制的實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行分析、探討和研究,并最終總結(jié)出各類通風(fēng)儀表在選型過(guò)程中需要注意的關(guān)鍵問(wèn)題,以期為后續(xù)項(xiàng)目中通風(fēng)系統(tǒng)儀表選型提供借鑒和指導(dǎo).
 
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(guò)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(dòng)開關(guān)動(dòng)作.以往核電項(xiàng)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(dǎo)體熱電阻.金屬熱電阻是利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨著溫度變化而發(fā)生改變這一特性來(lái)測(cè)量溫度的.金屬鉑是熱電阻儀表較常采用的一種測(cè)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(dǎo)線三者組合加工而成的鎧裝電纜內(nèi).
　　NTC熱敏電阻是半導(dǎo)體熱敏電阻的一類,NTC熱敏電阻是負(fù)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(diǎn)是:非線性關(guān)系、穩(wěn)定性較差、測(cè)量范圍窄、靈敏度高.
1.2儀表特點(diǎn)對(duì)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(yīng)用均很廣泛,本節(jié)對(duì)3種儀表的原理、特性、安裝及運(yùn)行維護(hù)要求等不同方面展開對(duì)比,總結(jié)出3種儀表各自的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn),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(guò)壓力測(cè)溫度,由機(jī)械結(jié)構(gòu)組成,強(qiáng)度大;NTC熱敏電阻通過(guò)半導(dǎo)體電阻值測(cè)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(guò)金屬電阻測(cè)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(yuǎn)距離傳輸需要配置毛細(xì)管,但毛細(xì)管不宜過(guò)長(zhǎng),讀數(shù)容易滯后,對(duì)毛細(xì)管需要采取保護(hù)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(gè)范圍應(yīng)由供貨商提供溫度1阻值表來(lái)查詢.但每個(gè)供貨商提供的NTC溫度1阻值不盡相同,應(yīng)用中會(huì)帶來(lái)更多的復(fù)雜性;Pt100鉑熱電阻,測(cè)量范圍廣,若選用三線制測(cè)溫可消除電阻產(chǎn)生的誤差,精度高,響應(yīng)速度快,不需要冷端補(bǔ)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(huì)影響溫包的形變,影響儀表本體的機(jī)械結(jié)構(gòu),導(dǎo)致測(cè)量不正確,甚至?xí)蹚?、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(cè)量.
　　從儀表的運(yùn)行及維護(hù)角度考慮:溫度開關(guān)都是國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品,價(jià)格昂貴,后期產(chǎn)品的維護(hù)、更換周期長(zhǎng),售后服務(wù)不便.熱敏電阻和鉑熱電阻都可以采用國(guó)內(nèi)成熟產(chǎn)品,價(jià)格相對(duì)低,后期維護(hù)、更換及時(shí)、便捷.
從工藝要求溫度范圍考慮:通風(fēng)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(hào)直接被采集進(jìn)DCS機(jī)柜或者就地箱調(diào)節(jié)器,轉(zhuǎn)變?yōu)?mA~20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行輸出.信號(hào)可以根據(jù)工藝需求在不同地點(diǎn)進(jìn)行控制、報(bào)警、顯示.國(guó)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(hào)通過(guò)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(yīng)壓力的變化而移動(dòng),驅(qū)動(dòng)觸點(diǎn)致使開關(guān)在兩個(gè)預(yù)設(shè)點(diǎn)動(dòng)作.預(yù)設(shè)點(diǎn)的斷開、閉合驅(qū)動(dòng)設(shè)備達(dá)到控制目的,以往核電項(xiàng)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(kuò)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(lái)改變可變電容器的電容量,從而實(shí)現(xiàn)壓力-電容的轉(zhuǎn)換.用數(shù)學(xué)公式更簡(jiǎn)潔地說(shuō)明工作原理:
P1-P2=△P
當(dāng)P1=P2時(shí),C1=C2=K2/d0,K2=εS/4π.
其中,ε為絕對(duì)介電常數(shù);S為兩極板正對(duì)面積;4π為計(jì)算常數(shù).
當(dāng)P1>P2時(shí),Ci1=εA/d1.
　　測(cè)量膜片新移動(dòng)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(kuò)散硅式壓力變送器
　　擴(kuò)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(kuò)散硅式壓力變送器的傳感元件是擴(kuò)散硅壓阻芯片,同樣可以將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?mA~20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行輸出.
　　擴(kuò)散硅式壓力變送器利用半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)阻值變化,特點(diǎn)是敏感度高,產(chǎn)品一致性差.
2.2儀表特點(diǎn)對(duì)比分析
　　微差壓開關(guān)儀表在核電廠通風(fēng)系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛,但其問(wèn)題也比較明顯:回差較大,導(dǎo)致報(bào)警無(wú)法正常消報(bào),甚至無(wú)法滿足設(shè)備運(yùn)行和控制聯(lián)鎖要求,需要人員手動(dòng)去.現(xiàn)場(chǎng)消報(bào);回差過(guò)小,又會(huì)導(dǎo)致信號(hào)抖動(dòng),頻繁報(bào)警,或頻繁啟停設(shè)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(kuò)散硅式壓力變送器在核電廠其他系統(tǒng)有著普遍的應(yīng)用,本節(jié)對(duì)微差壓開關(guān)和這兩種變送器的原理、特性、安裝及運(yùn)行維護(hù)要求等不同方面展開對(duì)比,總結(jié)出3種儀表各自的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn),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(guò)位移來(lái)測(cè)量壓力的,觸點(diǎn)的通斷由驅(qū)動(dòng)開關(guān)控制,由機(jī)械部件組成;擴(kuò)散硅式壓力變送器是通過(guò)電阻值的改變來(lái)測(cè)量壓力的,由硅及膜片構(gòu)成測(cè)量元件,靈敏度高、但膜片易受損;電容式差壓變送器是通過(guò)電容的改變來(lái)測(cè)量壓力的,由中心膜片構(gòu)成測(cè)量元件,測(cè)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(kuò)散硅式壓力變送器差壓值不能承受動(dòng)態(tài)過(guò)載壓力,低于0℃,溫度穩(wěn)定性大幅降低,--般不用于測(cè)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(qiáng)、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?jī)x表中心膜片要求絕對(duì)豎直,現(xiàn)場(chǎng)是垂直安裝,避免因?yàn)橹亓τ绊憸y(cè)量精度.變送器可以側(cè)裝,膜片受重力影響,可以通過(guò)在線遷移調(diào)整“0”位.
　　從工藝要求范圍考慮:通風(fēng)系統(tǒng)一般測(cè)量的是電加熱器或風(fēng)機(jī)前后進(jìn)出口的壓力差,監(jiān)測(cè)的差值較小,有的甚至只有10Pa.如某些通風(fēng)系統(tǒng)的部分微差壓檢測(cè)儀表,差壓值僅10Pa.部分通風(fēng)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(kuò)散硅式壓力變送器針對(duì)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(dá)到0Pa~160Pa,精度保證全量程的0.5%.當(dāng)測(cè)點(diǎn)低至10Pa時(shí),精度達(dá)到10%.
　　電容式差壓變送器分為檢測(cè)環(huán)節(jié)和變送環(huán)節(jié),檢測(cè)環(huán)節(jié)由被測(cè)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(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行輸出.信號(hào)可以直接被采集進(jìn)DCS機(jī)柜或者就地箱調(diào)節(jié)器,根據(jù)工藝需求在不同地點(diǎn)進(jìn)行控制、報(bào)警、顯示.差壓變送器信號(hào)框圖如圖4所示.
 
　　國(guó)內(nèi)供貨商的電容式微差壓變送器具備良好的設(shè)計(jì)和工藝技術(shù),部分廠家的常用型號(hào)通過(guò)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(cè)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(diǎn),能夠滿足核電廠通風(fēng)系統(tǒng)溫度采集的特點(diǎn);電容式微差壓變送器具有低測(cè)量值、穩(wěn)定性高、承壓范圍廣:等優(yōu)點(diǎn),能夠滿足核電廠通風(fēng)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(shì).因此,在核電廠通風(fēng)系統(tǒng)儀表優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中,統(tǒng)-考慮采用Pt100鉑熱電阻進(jìn)行溫度測(cè)量,考慮差壓值極低時(shí)仍使用微差壓開關(guān)或者采集風(fēng)機(jī)狀態(tài)聯(lián)鎖控制差壓表所監(jiān)測(cè)設(shè)備,普通的微差壓值測(cè)點(diǎn)可以采用電容式微差壓變送器進(jìn)行差壓測(cè)量.