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核电厂仪控系统电磁流量计集成控制柜的问题故障与改造研究

来源:作者:发表时间:2020-09-09 08:47:25

 摘要:针对用于核电厂核取样系统流量测量的涡轮流量计在运行过程中故障频发的问题,进行了流量计换型改造,以电磁流量计替代涡轮流量计进行核取样介质流量测量。首先,对电磁流量计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电磁流量计流量显示异常的现状,并采用示波器对电磁流量计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,采用电磁流量计替代涡轮流量计,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电磁流量计流量显示异常、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电磁流量计工作原理
电磁流量计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。电磁流量计测量原理如图1所示。
电磁流量计测量原理图
感应电动势的计算参见式(1)。E=KBDv(1)
 
式中:E为感应电动势,V;K为常数,无量纲;B为磁感应强度,又可称为磁通密度,T;D为测量管的内直径,m;v为测量管截面内的平均流速,m/s。
 
由式(1)可知,一旦B和D确定,E就只与v有关,与流体的其他物理参数(如压力、黏度等)均无关。
 
电磁流量计的测量介质一般为电导率≥5μS/cm的导电液体。电导率虽不参与电磁流量计的流量计算,但因电磁流量计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。在介质电导率接近电磁流量计工作**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]。
 
电磁流量计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现状与问题
2.1改造前的集成控制柜
 
二次仪表采用盘装结构。多台二次仪表安装在集成控制柜中。每台二次仪表独立显示和操作,所有二次仪表均与流量记录仪连接,其流量信息全部存储于记录仪上。二次仪表所需供电电源开关、流量显示、信号输出均在集成柜面板上。
 
一次传感器和转换器之间采用电缆连接。电缆采用核级双屏蔽电缆,其结构如图2所示。
电缆结构示意图
电缆和一次传感器之间采用接插件连接。电缆上的接插件插针如图3所示。
接插件插针示意图
电缆线头与接插件的插针焊接对应表如表1所示
电缆线头与接插件的插针焊接对应表
电缆上连接二次仪表控制柜的一端,剥出线头,接入控制柜的相应位置。二次仪表集成控制柜接线如图4所示。
二次仪表集成控制柜接线图
2.2问题描述
Y1/9系统改造的电磁流量计已完成现场安装,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。
 
在硼表标定前,020MD所在管线已充满电导率约为8.0μS/cm的硼酸液,且管道内流量稳定;但发现流量显示异常,扰动过大,无法正确测量。020MD运行曲线如图5所示。
020MD 运行曲线
接入示波器观察励磁信号和电极反馈信号,发现020MD励磁波形稳定,但采集的电极信号有较大干扰,被高频信号淹没。电极信号曲线如图6所示。
电极信号曲线
3故障原因分析
对已发现的电极信号扰动较大问题进行干扰源排查验证。首先,对各接线回路、电磁流量计传感器及主板进行了故障排查,发现接线均按设计图纸正确接线、传感器阻值及绝缘测试正常、更换主板后流量显示异常情况仍未改善。
 
查看电缆线束接线,发现采用了励磁线圈的屏蔽层作为信号地线,而励磁为25Hz的交流信号,对流量信号的采集有干扰。
 
查看控制柜发现,一次传感器与主板间的电极反馈信号线经过了一次端子排的中转,且020MD电极反馈信号接线在线槽内露出屏蔽层10cm左右。此处的屏蔽不够,信号受到干扰,导致流量显示异常波动。另外,控制柜内主板之间没有任何的保护和隔离,需验证主板间是否存在干扰,以致流量测量异常。
 
3.1信号地线排查
改造前的电缆线束接线如图7所示。采用励磁线圈的屏蔽层作为信号地线的信号地线可能设计不当,因此需要重新铺设信号地电缆。
改造前的电缆线束接线示意图
因NA298房间剂量率高,16台MD都要从就地传感器侧重新铺设信号地线较为困难,且现场当时没有足够长地线。为了继续验证,临时将主板信号地接到系统地(即传感器外壳)。将所有流量计主板的信号地均接到系统地铜牌后,观察020MD流量显示情况。可以观察到:020MD单台运行平稳,其运行曲线如图8所示。但整柜流量计上电运行时,020MD流量仍有较小波动,其运行曲线如图9所示。
020MD 单台运行曲线整柜 MD 上电时 020MD 运行曲线
图8、图9验证了此种信号地设计方式是020MD流量异常的影响因素之一,需改进。
 
3.2端子排处接线干扰的排查
控制柜内020MD电极反馈信号在线槽内露出屏蔽层10cm左右,作剪短处理后,屏蔽层覆盖到接线端子排处。管线中充满电导率约为8.0μS/cm的硼溶液时,整柜上电时020MD流量测量较稳定,运行曲线如图10所示。由图10验证了此处的信号线屏蔽不足也是流量不稳的影响因素之一。
整柜上电时的 020MD 运行曲线(8.0 μS / cm)
由前述可知,流体电导率的高低对采集的信号强度有直接影响。当电导率低时,电极反馈的信号较弱,受到干扰的影响越明显,低电导率的流量测量对信号采集的要求更高。寿期末的测量介质电导率约为4.0μS/cm。对此,将电导率降至4.0μS/cm,运行一段时间后,观测到020MD单台运行稳定,运行曲线如图11所示。
020MD 单台运行曲线(4.0 μS / cm)
但当各台流量计依次上电至整柜运行时,020MD的流量测量受到影响,运行曲线如图12所示。
各台 MD 依次上电或断电时 020MD 运行曲线
同时,为验证主板间是否存在较大干扰,在整柜上电020MD出现大幅扰动期间,对020MD机柜内卡件两侧增加金属板隔离主板间干扰,观察流量扰动情况并无改善,从而判定主板间干扰较小。但从保护主板和减小干扰角度考虑,后期需定制封装的机笼隔离主板。
 
由图12可知,各台流量计依次断电至020MD单台运行时,020MD流量显示稳定。
 
判定在测量介质电导率较小(如4.0μS/cm)时,仅对接线作屏蔽处理还不够,或造成屏蔽不足。于是依次对各流量计停送电,排查出021MD/022MD的停送电对020MD运行影响**大。但021MD/022MD上电运行时,控制柜中021/022MD主板均离020MD主板较远,主板空间干扰弱;而传感器进线侧端子排相邻,因端子排侧励磁线圈存在几十伏交流电压,每个流量计存在一组励磁线圈且无屏蔽,对相邻电极信号干扰可能性更大。因此,还需排查端子排处干扰源。
 
前期工作:①对端子排侧流量计的励磁线套金属屏蔽层,并接地;②对端子排侧流量计的每组电极反馈信号线套金属屏蔽层并接地;③再次确认传感器侧新铺设的信号地及主板侧接地接触良好、接线无误。
 
在电导率4.0μS/cm条件下,对整柜流量计进行上电试验。观察0.5h,020MD流量未出现扰动,但有上涨至136L/h趋势,未平稳,说明干扰仍没有消失。其原因可能是后设的屏蔽没有电缆原有的屏蔽效果好。对此,将020MD信号线及励磁线从端子排处抽出,单独引线至主板且做好屏蔽,不再经过端子排。整柜流量计重新上电,持续观察1h,020MD流量计稳定在130~134L/h,没有出现大幅扰动情况。端子排处理后的整柜上电020MD运行曲线如图13所示。
端子排处理后的整柜上电 020MD 运行曲线
由图13可知,一次传感器至主板之间的端子排中转接线方式屏蔽不足,干扰较大,对020MD低电导率流量测量有较大影响,需作重点改进。
 
4集成控制柜改造及验证
Y1/9系统流量计主板集成在同一控制箱内,020MD测量异常。分析排查结果为:①传感器排查无故障;②主板无故障;③信号回路接线无误,但屏蔽不全面;④信号回路的信号地厂家设计不当;⑤主板间干扰用自制金属板隔离后效果不明显,需采用机笼进行专门封装;⑥线槽空间局促,动力和信号电缆未分开,因信号电缆有屏蔽,干扰不明显;⑦励磁线干扰为主因;⑧低电导率工况下电极信号弱叠加信号干扰因素,导致流量测量不稳定。
 
4.1主要原因
①控制柜内流量计励磁线与电极信号线无屏蔽,存在励磁干扰。
②流量计信号地采用励磁线圈屏蔽线的设计不当。
 
4.2次要原因
①动力电缆与信号电缆未完全分开。
②控制柜内部信号线屏蔽层未完全覆盖接线处,露出部分过长。
③主板间干扰。
 
4.3改造措施
①取消604AR控制柜内一次仪表到信号处理板件之间的信号端子排,改为直接使用整根电缆从一次仪表接到信号处理的板件上。
②取消励磁线圈的屏蔽层作为信号地线。选取电极信号中的白线并接作为信号地线;原励磁屏蔽层需接地。
③信号线的屏蔽层剥开部分的长度不能超过5cm。
④在信号处理板件之间加装金属屏蔽罩。屏蔽罩需接地、可单独抽出并预留测试端子和散热孔。为保证增加金属屏蔽罩之后散热良好,对机柜增加一进一出两个散热风扇,并布置在合理位置。需要注意的是,其220V供电电缆不能与信号电缆布置在一起。风扇采用拔插式电源,与记录仪一路并接供电,中间设置风扇熔断器。
⑤将220V以上的供电电缆和信号电缆分开布置,柜内220V采用带屏蔽层的电缆,屏蔽接到机柜接地排。
 
4.4试验验证
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电磁流量计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电磁流量计测量精度均满足现场测量要求。
 
改造后的集成控制柜已在核电站2、5、6号机组进行了运行验证。其中,在5号机组已稳定运行一年多,没有出现异常状况。
 
5结论
       本文针对用于核电厂核取样介质流量测量换型改造的电磁流量计流量显示异常问题,从电磁流量计原理出发,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、电磁流量计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,**终对安装电磁流量计二次仪表的集成控制柜作整体改造。经测试,改造后的控制柜现场运行稳定,无异常。