放射性废液储存罐液位计选型
摘要：该文介绍了某三代核电厂放射性废液储存罐中液位计的选型过程, 基于超声波液位计和雷达式液位计的测量原理, 结合超声波液位计和雷达液位计在废液储存罐液位监测中遇到的问题, 对影响超声波液位计和雷达液位计液位测量的具体因素做了阐述, 并对核电厂放射性废液储存罐液位计的设计、选型、安装具有一定的参考意义。
1、概述：
1.1、超声波液位计原理：
通过液位计探头振动, 发出脉冲波, 遇被测水面被反射, 折回的反射回波被同一探头接收, 测出波返回的时间, 即可探测出液位高度。测量示意图如图1。[1]
图1 超声波液位计原理图
图2 现场罐顶液位计管嘴
超声波液位计具有广泛的应用, [2]在某三代核电厂放射性废液系统中选用了该类型的液位计, 该系统用来收集核电厂启动及功率运行期间产生了液体废物, 分别安装在安全壳地坑, RCDT (反应堆冷却剂疏水箱) , 脱气塔分离器, 化学废液箱液位计, 监测箱液位计, 废液暂存箱。在这些液位计投运期间, 发生了多起液位计跳变及测量不准现象, 造成的泵误启动, 泵跳闸, 罐体溢流等异常事件, 下文将对这些事件进行产生分类阐述。
1.2、雷达液位计测量原理：
雷达式液位计采用带天线方式安装, 天线以波束的形式发射雷达信号, 同时接受反射回来的信号, 雷达的脉冲信号感知从发出到接受的时间, 经信号处理换算为液体表面到液位计探头的距离。
该文论述的核电厂采用了喇叭口形天线, 材料为不锈钢, 被测量介质压力可达6Mpa, 温度可达1000℃。
2、影响超声波液位计测量的因素：
2.1、安装位置对测量影响：
放射性废液系统的超声波液位计中, 实际使用过程中发现, 罐体注排水过程中会有偶发性液位跳变。
从图1看出, 超声波发出后有单边距中心有12℃的发散角度。这就要求超声波液位计探头***好能够深入到所测罐体中;若没有深入罐体内部, 而是安装到罐顶的液位计管嘴, 则要求这个管嘴直径比探头直径越粗越好, 管嘴长度越短越好, 这样可以避免波打到罐体壁面, 或者探头受到挤压, 探头振动受阻。放射性废液系统中的所有超声波液位计均没有深入罐体内部, 而是安装到了罐体顶部的管嘴上。如图2。
另外三台放射性废液储存罐体液位计, 采用尺寸较小的探头。同时将探头深入到罐体内部, 由于液位计探头尺寸1.97″, 深入罐体时未与切割后的管嘴接触, 如图3。采用这种安装方式后, 液位计运行稳定。
造成这些常温常压工做环境下的液位计失准的直接原因是液位计探头振动受阻和超声波打到了管嘴壁面。
图3 液位计厂家文件安装要求示意
2.2、蒸汽对测量影响：
异常情况描述:操作员执行了稳压器向放射性废液系统向RCDT排气操作, RCDT压力范围在表压0到0.04MPa之间在这过程中RCDT至放射性气体废物系统阀门保持开启。排气后, RCDT的显示一直为满量程, 液位计异常波动。从稳压器至RCDT排气时, 阀门打开瞬间即发现RCDT压力上涨, 说明虽然管线较长, 但用时较短, 可以认为排气过程是绝热过程。查询水和蒸汽性质表, 221℃, 2.36MPa对应的比熵6.27KJ/ (kg·℃) , 比焓2801 KJ/kg, 取RCDT背压0.1-0.14MPa, 假设排气过程可逆, 且排气过程稳定查询水和蒸汽性质表, 根据等熵过程计算得出, 排向RCDT介质对应的温度在99-109℃, 介质处于湿蒸汽区, 即RCDT此时含有蒸汽。将超声波液位计更换为雷达式液位计, 补充热态功能测试期间, 相同工况下, 执行排气操作, 液位计显示正常, 无波动。
2.3、压力波动对测量影响：
异常工况描述:执行脱气塔真空泵启动试验, 真空泵启动后, 脱气塔分离器液位开始波动, 造成下游阀门自动打开排水, 实际液位并未偏高, 这就造成了脱气塔分离泵汽蚀和真空泵丧失液环。
工况分析:脱气塔分离器正常运行时, 低液位至罐顶的气空间0.1m3, 真空泵启动造成的压力变化属正常设计工况。
基于超声波传播与介质的密度有关的原理, 排气瞬间造成了脱气塔分离器上部气相密度骤增影响了波的传播速度, 同时排气的初始阶段液位出现剧烈跳动, 是由于排气瞬间, 分离器气体密度不均匀, 超声波出现折射失波现象。更换为雷达液位计后, 在真空泵启动过程和正常脱气过程均未出现波动。
3、结论：
(1) 放射性废液系统选用的超声波液位计探头安装时, 不能与罐体直接接触, 并且需要深入罐体内部。
(2) 超声波液位计安装到罐体的管嘴, 需要管嘴尽量短, 尽量粗。
(3) 对于存在蒸汽相的罐体液位测量, 不能选用超声波液位计, 可用选用雷达式液位计。
(4) 通过数据处理端加入滤波来屏蔽, 一定程度上可以解决压力波动对超声波液位计测量的影响。
(5) 雷达式液位计可以适应蒸汽环境、压力波动环境, 放射性废液系统中的反应堆冷却剂疏水箱, 脱气塔分离器适合选用此类型液位计。