核電廠壓力變送器選型分析

摘要：核電設(shè)備的安全運行離不開自動控制系統(tǒng)的保駕護航，而熱工儀表則是核電站自動控制系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其中壓力變送器又是被大量采用的熱工儀表之一，能不能做好選型工作，是關(guān)系到工程好壞的重要因素。本文結(jié)合工程中實際選型應(yīng)用經(jīng)驗，在現(xiàn)行和安全法規(guī)要求下，討論分析安全級、非安全級壓力變送器的選型，為核電安全運行提供保障。
0引言
       壓力變送器一直是核電站自動化控制系統(tǒng)與工藝過程的重要接口之一，隨著自動化儀表技術(shù)的發(fā)展，測量方式和儀表質(zhì)量（精度、響應(yīng)時間、漂移等）也在不斷改進和更新。但對于不同應(yīng)用環(huán)境和介質(zhì)，特別是用于保護系統(tǒng)和事故后檢測的情況，必須正確、合理地選用壓力/差壓變送器，以確保核電廠安全、可靠運行。
本文從實際選型與應(yīng)用出發(fā)，結(jié)合壓水堆核電站的環(huán)境特點，探討壓力變送器的選型。
1壓力變送器的分類[1]
1.1按測量類型分類
       按測量類型，變送器可分為壓力變送器、差壓變送器、絕壓變送器。針對壓水堆核電站的應(yīng)用環(huán)境，多用壓力變送器和差壓變送器。
1.2按測量原理分類
       按測量原理，變送器可分為電容式、壓敏電阻式、電感位移式、力平衡式。針對壓水堆核電站的應(yīng)用環(huán)境及測量要求，多用電容式、壓敏電阻式原理。
1.3按是否直接測量介質(zhì)分類
       按是否直接測量介質(zhì)，變送器可分為就地引壓管連接的基本型變送器、帶遠傳法蘭，毛細管連接的遠傳型變送器。針對壓水堆核電站的應(yīng)用環(huán)境，這兩種都有所涉及。
1.4按執(zhí)行功能分類
       按執(zhí)行功能，需要確認變送器是否執(zhí)行安全功能、事故后檢測功能等，可分為安全級、非安全級。
2核電廠壓力變送器的=原則
       壓力變送器的選型前提，首先需要滿足=要求，因此在選型應(yīng)用時如果能夠了解核電廠在對于壓力變送器的原則，就大大有助于正確選擇合適的壓力變送器。主要考慮以下原則：
2.1標(biāo)準、規(guī)范要求
       滿足核電站壓力變送器相關(guān)、制造、檢驗及質(zhì)量鑒定標(biāo)準。以壓水堆為例：標(biāo)準中主要需滿足HAF003（核電廠質(zhì)量保證安全規(guī)定）、ASMENQA-1（核設(shè)施應(yīng)用的質(zhì)量保證要求）、RG1.180（安全相關(guān)儀表和控制系統(tǒng)中電磁和射頻干擾評估指南）、ASMEB16.5（ASME法蘭及緊固件標(biāo)準）、GB4208（外殼防護等級）、ISO9001（質(zhì)量管理體系）對于安全級設(shè)備還需要滿足HAF601或HAF604的相關(guān)要求，以及機械和電氣設(shè)備抗震保護要求，包裝、運輸、裝卸、接收、貯存和維護要求，表面防護要求，設(shè)備用水和清潔要求，傳感器的電磁兼容、環(huán)境鑒定要求等。
2.2工藝系統(tǒng)的測量要求
       滿足工藝系統(tǒng)的測量要求，包括工藝介質(zhì)、材質(zhì)、工作壓力、輸出信號、輻照劑量、工藝/電氣的接口尺寸、電源及負載要求、精度及響應(yīng)時間等。
2.3核電廠執(zhí)行安全功能要求
       滿足核電廠要求執(zhí)行的安全功能，滿足事故后PAMS（PostAccidentMonitoringSystem，事故檢測系統(tǒng)）、ESF（EngineeredSafetyFeatures，專設(shè)安全設(shè)施）、RT（ReactorTrip，反應(yīng)堆緊急停堆）所需的運行時間，水淹要求等。
2.4其他要求
        考慮便于儀表進行安裝維護的要求，提高國產(chǎn)化率的要求，適應(yīng)后續(xù)電站設(shè)備改造的要求。
3壓力變送器的選型要求
3.1變送器基本選型要求[2,3]
1）單位和標(biāo)度：國內(nèi)一律采用法定的計量單位。即：Pa（帕）、kPa（千帕）、MPa（兆帕）。
2）結(jié)晶、堵塞、粘稠及腐蝕性介質(zhì)或現(xiàn)場引壓管取壓不便時，應(yīng)選用法蘭式變送器。有時介于變送器無法承受測點所在區(qū)域的要求的輻照累積劑量，也需要在可行的情況下考慮改變變送器的連接形式。與介質(zhì)接觸的材質(zhì)，必須根據(jù)介質(zhì)的特性進行選擇。
3）當(dāng)一般模擬變送器難以達到精度要求時，可以考慮選用智能型變送器。智能型的優(yōu)點在于精度、重復(fù)性、可靠性、量程比等方面技術(shù)指標(biāo)高，且便于調(diào)校，功能可靠。
4）測量微小壓力（小于500Pa）時，可選用微差壓變送器。常用于測量室內(nèi)與室外的差壓，例如MCR和室外大氣的壓差，熱機修車間與室外壓差和放射性廢物廠房室內(nèi)外壓差等。
5）變送器的性能：通常需要滿足相關(guān)規(guī)范書和數(shù)據(jù)表中所規(guī)定的精度、死區(qū)、電源影響、重復(fù)性、線性度、回差、響應(yīng)時間和噪聲抑制的要求。
6）輸出信號通常為二線制4mA～20mA標(biāo)準信號，若帶有HART功能，則需要證明其已經(jīng)過HART認證機構(gòu)的試驗和批準。
3.2變送器安全分類對選型的影響
       核電站的安全運行取決于執(zhí)行安全功能設(shè)備的可靠性。對于執(zhí)行反應(yīng)堆緊急停堆、應(yīng)急堆芯冷卻、余熱排出、安全殼隔離、安全殼排熱和防止放射性物質(zhì)外泄等功能的電氣設(shè)備，稱為安全級設(shè)備。特別需要其在地震和事故工況、LOCA（LossofCoolantAccident）事故，保持其功能與性能。因此，分類為安全級的壓力變送器，無論從性能要求、可靠性還是從壽期內(nèi)保證在核電站正常運行工況或事故工況下，經(jīng)受苛刻的環(huán)境條件執(zhí)行規(guī)定的安全功能的要求，都需要比非安全級變送器高出許多，也是在壓力變送器選擇時需要著重考慮的因素。
3.3變送器鑒定要求對選型的影響
       為減少環(huán)境對核電站設(shè)儀表共模失效的潛在可能，證明儀表有能力完成其安全或非安全功能，除了老化、EMC（ElectroMagneticCompatibility，簡稱EMC）試驗以外，還必須對儀表根據(jù)其所在環(huán)境進行相應(yīng)環(huán)境鑒定。
1）環(huán)境鑒定分類[4]
       和緩環(huán)境：是指正常運行工況和異常運行工況極限情況下的環(huán)境條件。位于和緩環(huán)境中且不存在顯著老化機理的儀表不需要確定其鑒定壽命，反之則必須進行老化試驗。通常需要進行正常和異常極端工況、振動老化、抗震試驗。嚴酷環(huán)境：是指核電站發(fā)生假象的DBA（DesignBasisAccident）期間或之后的環(huán)境條件，是安全殼內(nèi)LOCA、主蒸汽管道破裂或高能管道破裂以及安全殼外高能管道破裂或失水事故的結(jié)果。通常需要進行全部的試驗，包括老化、正常和異常極端工況、抗震、BDA等。

       輻照嚴酷環(huán)境：是指核電站內(nèi)輻照條件高于某一閾值，其他環(huán)境參數(shù)保持在正?；虍惓９r范圍內(nèi)的一類環(huán)境。當(dāng)設(shè)備所處環(huán)境放射性累計劑量超過104rads（102Gy）(γ)【對設(shè)備中的I&C（InstrumentationandControlSystem，簡稱I&C系統(tǒng)）電子和微處理器部件為103rad（10Gy）(γ)】時，應(yīng)評估確定是否需要進行輻照老化試驗。通常需要進行輻照老化、正常和異常極端工況、振動老化、抗震試驗。
2）環(huán)境鑒定內(nèi)容
       壓力變送器在3類環(huán)境下的試驗內(nèi)容對比詳見表1：和緩、輻照嚴酷、嚴酷環(huán)境下的型式試驗。
其他鑒定內(nèi)容：
       除了以上所述的環(huán)境鑒定，對于特定條件和運行條件下，需有一些特殊的要求。
a）事故后運行時間：安全級壓力變送器往往有在事故后繼續(xù)執(zhí)行安全功能的要求，包括PAMS、ESF、RT，通常運行時間由幾小時到幾周不等。特殊環(huán)境的非安全級變送器，可能需要執(zhí)行幾個月的PAMS功能，例如安注箱壓力。
b）水淹：考慮到某個特定標(biāo)高以下的設(shè)備都可能被水淹，可通過模擬實驗來進行驗證。
c）嚴重事故：可能會導(dǎo)致非常惡劣的高溫、高壓、高輻照安全殼環(huán)境，包括局部或整體的燃燒，影響設(shè)備功能。根據(jù)HAD102/17規(guī)定，在可能的條件下，預(yù)計在嚴重事故中運行的設(shè)備應(yīng)該通過試驗、實驗或工程分析，以合理的可信度表明能夠在嚴重事故工況下實現(xiàn)功能。
4應(yīng)用舉例
1）對于非核級壓力變送器，在和緩且低輻照環(huán)境多選用3051，1152/1153/1154系列，有輻照要求的可選擇3152系列，若處于嚴酷環(huán)境則需要選擇3155系列。主要因為3051系列的變送器對抗震和輻照性能要求較低，不適用于輻射嚴酷或嚴酷環(huán)境中。3152和3155系列有做過相關(guān)的抗震性能和高劑量輻照試驗，其中3155性能更要優(yōu)于3152系列，可使用在更加嚴苛的環(huán)境下。

       例如，測量燃料操作區(qū)與室外環(huán)境之間的差壓變送器，屬于非安全級儀表且無環(huán)境鑒定要求，可以選用3051S壓力變送器。根據(jù)儀表壓力、溫度、測量范圍、精度、響應(yīng)時間等要求，選擇對照表見表2。
2）對于核級壓力變送器，由于大多處于嚴酷或輻照嚴酷環(huán)境，所以只選用3152和3155這兩個系列。
       例如，IRWST寬量程液位差壓變送器，屬于安全級儀表且有嚴酷環(huán)境鑒定要求，可以選用3155系列壓力變送器。根據(jù)儀表壓力、溫度、測量范圍、精度、響應(yīng)時間等要求，選擇對照表見表3。

5結(jié)束語
       核電站中，會涉及到各種不同類型的測量儀表的采購工作，壓力和差壓變送器只是其中的一小部分，其他諸如溫度變送器、流量計、液位計等，這些設(shè)備是工藝系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。因此，符合要求且合理的選型影響著整個控制系統(tǒng)和安全功能的可靠運行。本文結(jié)合對壓力變送器的分類、技術(shù)要求及環(huán)境要求進行說明，以兩個簡單的選型為例加以說明，旨在結(jié)合和環(huán)境要求，為正確選擇變送器型號提供一些分析和依據(jù)。