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核电厂仪控系统電磁流量計集成控制柜的问题故障与改造研究

來源:作者:发表时间:2020-09-09 08:47:25

 摘要:針對用于核電廠核取樣系統流量測量的渦輪流量計在運行過程中故障頻發的問題,進行了流量計換型改造,以電磁流量計替代涡轮流量计进行核取样介质流量测量。首先,对電磁流量計测量原理和基本组成进行了阐述,介绍了在换型改造期间集成控制柜中電磁流量計流量显示异常的现状,并采用示波器对電磁流量計励磁信号和电极信号进行了测试分析,确定了励磁正常但电极信号受到较大干扰的问题。然后,对电极信号干扰源作了较为全面的排查分析及逐一验证,进而提出集成控制柜的整体改造方案,并对改造后的集成控制柜进行了低电导率介质情况下的流量测量准确度测试。测试结果表明,该设计满足现场测量要求。改造后的集成控制柜已在核电厂机组稳定运行,改造效果较好,可为相关行业类似控制柜的设计提供参考。

 
0引言
核能发电作为一种新型发电方式,近年来得到广泛应用[1?2]。同时,核电由于其特殊性、危险性,对核电设备的安全稳定运行、准确高效监测提出了更高要求[3?4]。核电站核取样系统原采用涡轮流量计对核取样介质进行流量测量,其1、2、3、4号机组运行的系统相关流量计出现故障的频率较高[5]。核电站与重庆川仪合作进行了流量计换型改造,采用電磁流量計替代涡轮流量计,测量核取样介质流量。
 
本文主要针对换型改造过程中出现的電磁流量計流量显示异常、电极信号扰动较大等问题,通过原理分析和现场验证,对可能造成该问题的因素进行逐一排查,进而提出改进措施,并进行现场验证。
 
1電磁流量計工作原理
電磁流量計的工作原理是基于法拉第电磁感应定律,即:导电性液体在垂直于磁场的测量管内流动,在与液体流动方向、磁场方向均垂直的方向上产生感应电动势[6?7]。感应电动势的方向按电磁学中的右手定则确定[8],其大小与磁感应强度、流束和流速的大小成比例。流束的大小即测量管的内直径。電磁流量計测量原理如图1所示。
電磁流量計测量原理图
感應電動勢的計算參見式(1)。E=KBDv(1)
 
式中:E爲感應電動勢,V;K爲常數,無量綱;B爲磁感應強度,又可稱爲磁通密度,T;D爲測量管的內直徑,m;v爲測量管截面內的平均流速,m/s。
 
由式(1)可知,一旦B和D確定,E就只與v有關,與流體的其他物理參數(如壓力、黏度等)均無關。
 
電磁流量計的测量介质一般为电导率≥5μS/cm的导电液体。电导率虽不参与電磁流量計的流量计算,但因電磁流量計工作原理为导电流体切割磁感线得到感应电动势进而换算出流量。流体电导率的高低对采集的信号强度有直接影响。在介质电导率接近電磁流量計工作**低电导率要求时,流量计主板采样得到的信号数据较弱。而当电导率低于其工作特性时,可能无法测出准确数据;加上信号干扰等问题,信噪比差,可能导致流量数据波动较大,甚至不可用[9?10]。
 
電磁流量計主要由传感器和转换器两部分组成。传感器安装在工业过程管道上,其作用是将通过管道内的导电液体体积流量值线性变换成感应电动势信号,并通过信号导线将此信号传输到转换器。转换器安装在传感器上或离传感器不太远的地方,将传感器传输过来的流量信号进行放大、运算和处理,转换成与流量信号成正比的标准信号输出,从而进行显示、累积和调节控制。
 
2現狀與問題
2.1改造前的集成控制櫃
 
二次儀表采用盤裝結構。多台二次儀表安裝在集成控制櫃中。每台二次儀表獨立顯示和操作,所有二次儀表均與流量記錄儀連接,其流量信息全部存儲于記錄儀上。二次儀表所需供電電源開關、流量顯示、信號輸出均在集成櫃面板上。
 
一次傳感器和轉換器之間采用電纜連接。電纜采用核級雙屏蔽電纜,其結構如圖2所示。
电缆结构示意图
電纜和一次傳感器之間采用接插件連接。電纜上的接插件插針如圖3所示。
接插件插针示意图
電纜線頭與接插件的插針焊接對應表如表1所示
电缆线头与接插件的插针焊接对应表
電纜上連接二次儀表控制櫃的一端,剝出線頭,接入控制櫃的相應位置。二次儀表集成控制櫃接線如圖4所示。
二次仪表集成控制柜接线图
2.2問題描述
Y1/9系统改造的電磁流量計已完成现场安装,并上电调试。此时的流量计管线中:只有信号Y1020MD(以下简称020MD)流量计管道充满介质,可调试;其余流量计不具备调试条件。其中,007MD/020MD直接影响硼表可用性。
 
在硼表標定前,020MD所在管線已充滿電導率約爲8.0μS/cm的硼酸液,且管道內流量穩定;但發現流量顯示異常,擾動過大,無法正確測量。020MD運行曲線如圖5所示。
020MD 运行曲线
接入示波器觀察勵磁信號和電極反饋信號,發現020MD勵磁波形穩定,但采集的電極信號有較大幹擾,被高頻信號淹沒。電極信號曲線如圖6所示。
电极信号曲线
3故障原因分析
對已發現的電極信號擾動較大問題進行幹擾源排查驗證。首先,對各接線回路、電磁流量計傳感器及主板進行了故障排查,發現接線均按設計圖紙正確接線、傳感器阻值及絕緣測試正常、更換主板後流量顯示異常情況仍未改善。
 
查看電纜線束接線,發現采用了勵磁線圈的屏蔽層作爲信號地線,而勵磁爲25Hz的交流信號,對流量信號的采集有幹擾。
 
查看控制櫃發現,一次傳感器與主板間的電極反饋信號線經過了一次端子排的中轉,且020MD電極反饋信號接線在線槽內露出屏蔽層10cm左右。此處的屏蔽不夠,信號受到幹擾,導致流量顯示異常波動。另外,控制櫃內主板之間沒有任何的保護和隔離,需驗證主板間是否存在幹擾,以致流量測量異常。
 
3.1信號地線排查
改造前的電纜線束接線如圖7所示。采用勵磁線圈的屏蔽層作爲信號地線的信號地線可能設計不當,因此需要重新鋪設信號地電纜。
改造前的电缆线束接线示意图
因NA298房間劑量率高,16台MD都要從就地傳感器側重新鋪設信號地線較爲困難,且現場當時沒有足夠長地線。爲了繼續驗證,臨時將主板信號地接到系統地(即傳感器外殼)。將所有流量計主板的信號地均接到系統地銅牌後,觀察020MD流量顯示情況。可以觀察到:020MD單台運行平穩,其運行曲線如圖8所示。但整櫃流量計上電運行時,020MD流量仍有較小波動,其運行曲線如圖9所示。
020MD 单台运行曲线整柜 MD 上电时 020MD 运行曲线
圖8、圖9驗證了此種信號地設計方式是020MD流量異常的影響因素之一,需改進。
 
3.2端子排處接線幹擾的排查
控制櫃內020MD電極反饋信號在線槽內露出屏蔽層10cm左右,作剪短處理後,屏蔽層覆蓋到接線端子排處。管線中充滿電導率約爲8.0μS/cm的硼溶液時,整櫃上電時020MD流量測量較穩定,運行曲線如圖10所示。由圖10驗證了此處的信號線屏蔽不足也是流量不穩的影響因素之一。
整柜上电时的 020MD 运行曲线(8.0 μS / cm)
由前述可知,流體電導率的高低對采集的信號強度有直接影響。當電導率低時,電極反饋的信號較弱,受到幹擾的影響越明顯,低電導率的流量測量對信號采集的要求更高。壽期末的測量介質電導率約爲4.0μS/cm。對此,將電導率降至4.0μS/cm,運行一段時間後,觀測到020MD單台運行穩定,運行曲線如圖11所示。
020MD 单台运行曲线(4.0 μS / cm)
但當各台流量計依次上電至整櫃運行時,020MD的流量測量受到影響,運行曲線如圖12所示。
各台 MD 依次上电或断电时 020MD 运行曲线
同時,爲驗證主板間是否存在較大幹擾,在整櫃上電020MD出現大幅擾動期間,對020MD機櫃內卡件兩側增加金屬板隔離主板間幹擾,觀察流量擾動情況並無改善,從而判定主板間幹擾較小。但從保護主板和減小幹擾角度考慮,後期需定制封裝的機籠隔離主板。
 
由圖12可知,各台流量計依次斷電至020MD單台運行時,020MD流量顯示穩定。
 
判定在測量介質電導率較小(如4.0μS/cm)時,僅對接線作屏蔽處理還不夠,或造成屏蔽不足。于是依次對各流量計停送電,排查出021MD/022MD的停送電對020MD運行影響**大。但021MD/022MD上電運行時,控制櫃中021/022MD主板均離020MD主板較遠,主板空間幹擾弱;而傳感器進線側端子排相鄰,因端子排側勵磁線圈存在幾十伏交流電壓,每個流量計存在一組勵磁線圈且無屏蔽,對相鄰電極信號幹擾可能性更大。因此,還需排查端子排處幹擾源。
 
前期工作:①對端子排側流量計的勵磁線套金屬屏蔽層,並接地;②對端子排側流量計的每組電極反饋信號線套金屬屏蔽層並接地;③再次確認傳感器側新鋪設的信號地及主板側接地接觸良好、接線無誤。
 
在電導率4.0μS/cm條件下,對整櫃流量計進行上電試驗。觀察0.5h,020MD流量未出現擾動,但有上漲至136L/h趨勢,未平穩,說明幹擾仍沒有消失。其原因可能是後設的屏蔽沒有電纜原有的屏蔽效果好。對此,將020MD信號線及勵磁線從端子排處抽出,單獨引線至主板且做好屏蔽,不再經過端子排。整櫃流量計重新上電,持續觀察1h,020MD流量計穩定在130~134L/h,沒有出現大幅擾動情況。端子排處理後的整櫃上電020MD運行曲線如圖13所示。
端子排处理后的整柜上电 020MD 运行曲线
由圖13可知,一次傳感器至主板之間的端子排中轉接線方式屏蔽不足,幹擾較大,對020MD低電導率流量測量有較大影響,需作重點改進。
 
4集成控制櫃改造及驗證
Y1/9系統流量計主板集成在同一控制箱內,020MD測量異常。分析排查結果爲:①傳感器排查無故障;②主板無故障;③信號回路接線無誤,但屏蔽不全面;④信號回路的信號地廠家設計不當;⑤主板間幹擾用自制金屬板隔離後效果不明顯,需采用機籠進行專門封裝;⑥線槽空間局促,動力和信號電纜未分開,因信號電纜有屏蔽,幹擾不明顯;⑦勵磁線幹擾爲主因;⑧低電導率工況下電極信號弱疊加信號幹擾因素,導致流量測量不穩定。
 
4.1主要原因
①控制櫃內流量計勵磁線與電極信號線無屏蔽,存在勵磁幹擾。
②流量計信號地采用勵磁線圈屏蔽線的設計不當。
 
4.2次要原因
①動力電纜與信號電纜未完全分開。
②控制櫃內部信號線屏蔽層未完全覆蓋接線處,露出部分過長。
③主板間幹擾。
 
4.3改造措施
①取消604AR控制櫃內一次儀表到信號處理板件之間的信號端子排,改爲直接使用整根電纜從一次儀表接到信號處理的板件上。
②取消勵磁線圈的屏蔽層作爲信號地線。選取電極信號中的白線並接作爲信號地線;原勵磁屏蔽層需接地。
③信號線的屏蔽層剝開部分的長度不能超過5cm。
④在信號處理板件之間加裝金屬屏蔽罩。屏蔽罩需接地、可單獨抽出並預留測試端子和散熱孔。爲保證增加金屬屏蔽罩之後散熱良好,對機櫃增加一進一出兩個散熱風扇,並布置在合理位置。需要注意的是,其220V供電電纜不能與信號電纜布置在一起。風扇采用拔插式電源,與記錄儀一路並接供電,中間設置風扇熔斷器。
⑤將220V以上的供電電纜和信號電纜分開布置,櫃內220V采用帶屏蔽層的電纜,屏蔽接到機櫃接地排。
 
4.4試驗驗證
改造集成控制柜后,采用重庆川仪研制的低电导率标定装置对低电导率情况下的電磁流量計测量准确度进行了验证。测量介质为纯净水(电导率为2μS/cm)和自来水配制的电导率分别3.5μS/cm、5μS/cm、7μS/cm的三种混合液,混合液电导率由检验合格的电导率仪测得。经检测,三种电导率情况下的電磁流量計测量精度均满足现场测量要求。
 
改造後的集成控制櫃已在核電站2、5、6號機組進行了運行驗證。其中,在5號機組已穩定運行一年多,沒有出現異常狀況。
 
5結論
       本文针对用于核电厂核取样介质流量测量换型改造的電磁流量計流量显示异常问题,从電磁流量計原理出发,测试励磁信号及电极反馈信号。由于观测到电极信号受到较大干扰,在确认各接线回路、電磁流量計传感器及主板均无问题的前提下,对电极信号的干扰源进行了逐一排查验证,并采取相对应措施对干扰源进行消除,**终对安装電磁流量計二次儀表的集成控制櫃作整體改造。經測試,改造後的控制櫃現場運行穩定,無異常。