蔡云达，董世友

（江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042）

一回路测量仪表应用方面的三个问题

蔡云达，董世友

（江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042）

结合田湾核电站一期工程项目调试和运行经验，介绍了WWER-1000机组一回路测量仪表应用与维护方面的3个问题，即快速响应温度计的原理和性能、ROSEMOUNT电容式差压变送器高静压修正和含硼介质工艺参数测量，以及利用数字化控制系统提供的实时显示、数据记录和回路诊断功能处理测量问题的经验和效果评估。

一回路；快速响应温度计；高静压修正；含硼介质工艺参数测量

1 概述

田湾核电站一期WWER-1000堆型为四环路设计，采用全数字化控制系统，常规测量仪表主要包括温度计、Ⅲ型变送器。其中，温度计按照功能分为常规用途的普通Pt100温度计、K型热偶，以及用于保护系统的快速响应温度计等。Ⅲ型变送器实现全部的压力、差压、液位、流量等测量，包括智能和非智能型两种。用于保护的信号测量在变送器设备选型方面考虑了多样性，防止共模故障，变送器感应单元分别采用扩散硅桥感应式和电容式。

测量方式包括两种:直接测量和间接测量。其中，一、二回路压力边界内、大流速的温度测量全部采用热阱间接测量方式，其他对象测量则直接插入测量。常规非强腐蚀性介质的差压、液位、流量等测量，则全部采用直接测量方式。液位测量采用的是带参考液柱的差压法测量方式。

工程调试和生产运行阶段，利用全数字化控制系统固有的通道稳定性和友好的人机界面，可以对就地测量设备的运行状态，如偏差、断线等硬件故障等做出快速判断。控制系统采集通道的稳定性大大减少了信号回路的检修任务，为工程技术人员诊断故障提供了强有力的辅助手段和验证措施，大大缩短了故障诊断时间。下面针对一期仪表选型特点，介绍调试至运行期间出现的一些看似简单的测量问题，通过数字化控制系统判断和解决的方法。

2 一回路快速响应温度计

田湾核电站冷却剂温度测量元件是带热阱直接垂直安装在主管道上的，保护管端部流速15 m/s左右，普通带热阱的温度计测量迟延约10 s。

由于一回路冷却剂温度是反应堆超温保护、蒸汽发生器破管（SGTR）隔离和停堆保护的重要参数，因此，设计选型为两种型号:一种为普通型Pt100，如图1所示；另一种为具有快速响应特性的温度元件，专门用于反应堆超温保护，原理如图2所示。

图1 普通型Pt100元件示意图 Fig.1 Sketch of regular Pt1000 element

图2 快速响应温度元件示意图Fig.2 Sketch of rapid response temperature element

现场温度信号经过温度变送器实现信号类型转换，输出4～20mADC信号到反应堆保护系统（TXS）和正常运行仪控系统，用于反应堆超温保护、参与SGTR保护逻辑运算和参与稳压器液位定值计算。

2.1 快速响应温度计原理介绍

2.1.1 元件结构

快速响应温度元件分为两部分，第一部分为快速感应变化的热电偶（TC）测量端，第二部分为热电阻和补偿热电偶，即RTD+TC，其中的热电偶TC与第一部分热偶反向连接。稳态工况下温度变化不剧烈或温度缓慢变化，反向连接的TC影响可以忽略不计，见图2。

2.1.2 快速响应温度元件动态特性

快速响应温度元件内部结构示意图及响应曲线见图3和图4。

当温度发生快速变化时，位于测量元件前端的T C（见图3中上面的热电偶）起到“导前微分”作用，温变端口采集电压Us=URTD+UTC（TOP）。

图3 元件内部原理图Fig.3 Interior schematic of element

图4 快速温度计响应趋势Fig. 4 Rapid temperature gauge response tendency

当温度动态过程结束，或变化非常缓慢后，UTC（TOP）与UTC（PT100）电势差为0，两部分TC作用相互抵消，即Us=URTD+UTC（TOP）-UTC（Pt100）=URTD，实际测量值为热电阻URTD的值。

2.2 调试问题

2007年7月15日，田湾核电站2号机组在进行100%功率平台下手动停堆试验时，试验人员在分析瞬态数据过程中，发现在机组动态过程的开始，稳压器液位的实际值与设定值相比有很大的偏差。经分析，确认稳压器液位定值较实际液位变化的慢，通过对OM690（操作与监视系统）的历史记录进一步分析，并与1号机组做对比，确认是参与液位定值计算的一回路快速响应温度计的测量结果存在迟延，造成液位定值计算不准确。如图5所示为OM690历史趋势记录，当反应堆快速降功率时，快速响应温度计测量值（TW105）下降较普通温度计（TW102）迟延约4 s。

图5 100%负荷工况下瞬态试验时的趋势Fig.5 Tendency of transient test at 100% load conditions

按照设备鉴定文件的描述:快速响应温度计（TW105）在水介质、0.4 m/s流速、带热阱安装情况下，t0.5≤3.6 s。因此，可以确定测量迟延是由于现场安装不正确而产生的。

2.3 滞后原因分析

由于设计方对元件厂商递交的元件资料图纸理解错误，造成后续元件信号连接设计文件的错误。按照错误的设计图纸实施的接线，存在两种可能的情况出现:Us中将不含UTC，即无“导前微分”作用效果；或包含UTC，但作用相反。用热水对两种型号的热电阻TW105和TW102进行试验验证，因接线错误，两种响应趋势分别见图6和图7。由此可以分析、推断图5所示的响应迟延问题是因为接线错误造成的。

2.4 问题的解决与试验

经过认真的分析和现场测量，重新接线，正确的试验趋势如图8所示，确认快速响应温度计的响应时间比普通温度计快1～4 s，快速响应功能正常。

图6 无导前微分作用的趋势Fig. 6 Tendency without leading derivative action

图7 导前微分作用相反的趋势Fig. 7 Counter-tendency with leading derivative action

图8 正确接线的对比趋势Fig. 8 The contrast tendency of correct wiring

2.5 效果评估

通过对快速响应温度计内部接线的分析和现场接线试验验证，消除了导致一回路超温等主保护拒动的安全隐患。提醒从事设计和调试的人员，对于重要信号，尤其是特殊元件测量回路的调试，不能仅依赖制造商提供的资料设计和观察性的测量回路单体调试，对于特殊测量方式，如这类温度元件，还必须进行实际的模拟工况动态试验验证，才能真正掌握一种新型元件的特性。

快速响应温度计通过元件结构、功能来消除压力边界内温度带热阱测量的固有迟延，目前流速下，延迟时间要低于鉴定报告试验数据，为保护定值设置裕量计算等设计工作提供依据。

3 ROSEMOUNT电容式差压变送器高静压修正

用于反应堆保护系统的压力、液位信号在变送器设计选型上考虑了多样性，分别选用了E+H和ROSEMOUNT两公司的产品。E+H公司产品感应单元为扩散硅感压桥，而ROSEMOUNT感压单元则为纯电容式，因此，两者受高静压的影响不相同。其中，E+H扩散硅感压桥变送器厂家没有给出高静压环境下的仪表固定偏差值，理解为可以自动补偿；而ROSEMOUNT公司产品（1152/1153系列）则给出明确的高静压影响数值，可以理解为机械式感应单元无法自动补偿。

3.1 调试中发现的问题

变送器初装调试到机组热试阶段，通过OM690画面显示，发现稳压器和蒸汽发生器液位信号所选用的两种类型变送器测量结果显示不一致。仔细检查变送器设置的基础参数和控制系统软件修正算法都没有问题，在考虑各种可能因素的情况下，仍无法解释测量结果不一致的原因。后经查找设备的技术手册，找出是因为两种感应单元特性差异所致。

3.2 高静压修正

变送器校验一般是在实验室或现场的大气环境压力下进行的，通常采用单侧外加变送器工作环境量程压力，没有考虑两侧同时施加工作环境压力和量程压力，而且实施起来相当困难。因此，当常压下校验准确的变送器，现场安装后，用于高压力介质参数测量，如主泵进出口差压、稳压器液位测量等，就会产生较大偏差。

以1152DP/HP为例，按照厂家提供的数据，每1 000 psi（6.89 MPa）静压对不同量程范围的变送器产生的矫正因子如表1所示。

表 1 不同量程对应的矫正因子Table 1 Rectification factors corresponding to different ranges

从表1可以看出，最大的矫正因子为1.75%，在额定工况下（系统压力为15.7 MPa)产生的偏差会更大，必须要实施修正。

3.3 修正的实施

差压式高静压修正严格意义上讲，需要对量程两端进行修正。而工程实际应用中，则一般只进行一端修正即可满足生产控制需要。根据被测信号类型只进行零点或量程上端迁移。矫正包括量程计算和零点修正。

3.3.1 矫正量程计算

厂家给出了1152/1153型变送器不同的量程范围下对应的矫正因子，可以据此计算出修正后的电流值。以型号1152HP-7N22-T1862变送器为例，量程为0～1 M P a，工作压力为15.7 MPa，《手册》中给出的矫正因子为1.05% of input/1 000 psi。计算步骤如下:

步骤1:计算修正因子

1.05 %×15.7/6.89=2.39%

步骤2:计算满点调整值

2.39 %×1/1×16 mA=0.383 mA

步骤3:计算满量程输出20.00+0.383=20.383 mA修正后的量程为:0～1.0 MPa对应变送器的输出为4～20.383 mA。

3.3.2 零点现场调整

变送器现场安装后，在额定工况压力下打开平衡阀，使变送器膜盒两侧压力相等，调整零点电位器，至零点输出为4 mA即可。

3.4 正压侧作为参考端的液位计修正

田湾核电站差压式液位测量设计正压侧作为参考端，即正压侧注满介质，负压侧连接所测箱体或罐体的介质，通过负压侧压力变化计算液位值，差压值与变送器电流实际输出成反向对应关系。因此，实施高静压量程修正则为调整量程低端值。以稳压器宽量程液位为例（计算方法同上)，修正后的量程为:116.24～0 kPa，对应变送器输出为3.705～20 mA。相应的，零点调整时应调整20 mA。

3.5 实验室高静压调整

按修正后的量程对变送器校验后，需要在工作静压下调整零点，如果要等到机组状态起来后再调整，一是作业风险增大；二是由于变送器的偏差可能影响机组启动期间操纵员的判断。于是我们在校完表后，直接打开平衡阀给变送器加15.7 MPa的压力，然后调整零点。这样，就完成了整个修正过程。

3.6 效果评估

由于受测量原理的限制，电容式差压变送器的测量精度在高静压下都会受到影响，静压越高，测量误差越大，是否需要修正，应根据工艺测量品质要求来确定。例如，用于田湾核电站的稳压器液位、主泵进出口差压、蒸发器液位等工艺参数测量的1152电容式差压变送器，都根据此方法进行了高静压修正，有效地恢复了仪表在高静压下的测量精度，很好地解决了与扩散硅式差压变送器之间的测量偏差问题。

4 含硼介质工艺参数测量问题

4.1 概述

田湾核电站低浓度硼酸溶液为16 g/kg，高浓度硼酸为40 g/kg。含硼介质液位和压力测量都是采用直接取压测量，其中，液位为带参考液柱的差压法测量。

4.2 环室流量测量

4.2.1 存在的问题

在用环室取压法测量含硼介质的流量时，因仪表根阀、仪表管、阀组和变送器工作环境温度是常温，在含硼水进入测量系统后由于温度低于硼结晶温度，必然造成硼的析出并产生结晶，引起仪表根阀、仪表管、阀组的堵塞影响流量的测量。此外，部分安全系统停运后，安装孔板的管段未充满介质，在对空检修时，势必会造成孔板处硼晶体析出，影响环室狭缝的取压阻尼。

4.2.2 措施

鉴于存在的测量问题，可以采用湿吹扫的办法，即在工艺管线退出运行前，对安装孔板管线段立即进行吹扫。具体的过程如下:在管线的介质刚断流不久，用除盐水向节流件对象连续冲洗，使有腐蚀性、黏稠性、结晶性、熔融性、沉淀性等介质不停留在孔板环室内部以及仪表测量部件中，达到保护仪表和节流装置的目的。

预防性维修期间，当在孔板对空后立即实施湿态吹扫和预防性湿态吹扫，是降低常温布置的含硼管线测量孔板堵塞风险最有效的办法。

4.3 参考端液柱

4.3.1 存在的问题

为防止结晶影响，工程调试和生产运行阶段浓硼容器测量的脉冲管线注入的全部为除盐水，但是长期运行，存在硼渗入问题，引起的误差是可以察觉的。分别以20 ℃和40 ℃的硼酸和凝结水为例，硼酸密度分别为998.3 kg/m3、992.3 kg/m3；而纯凝结水的密度为994.7 kg/m3、990.5 kg/m3，由于介质不同造成的偏差最大为0.36%。可见，这种参考端介质的不同对液位测量的影响是客观存在的，但从工艺的要求来说，影响是在可接受的范围内的。

4.3.2 措施

针对存在的客观问题，两种措施可以弥补:一是参考液柱注除盐水，对应的差压按照脉冲管线所处环境温度的除盐水密度计算。通过数字化显示系统，对多测点设计的（用于保护的信号全部为多测点设计）采用交叉比较方式，快速诊断个别变送器的异常偏差。通过历史记录，分析趋势变化，确定共性偏差的存在。利用检修窗口冲洗或更换发生堵塞等异常的脉冲管线，消除渗入介质影响。二是脉冲管线直接注入硼水，对于流量测量的取样管线也同样，利用定期检修机会进行冲洗、注重维护，消除可能发生的影响。

5 结束语

田湾核电站仪控系统外围测量设备是先进的，仪表型号种类繁多，其中快速响应温度元件是目前国内首次使用的，在机组动态试验期间已经体现出其独特的优势，尤其是数字化系统应用后，从上至下的速度匹配是十分重要的，尤其是保护系统。

用于保护系统的一回路温度测量信号在设备选型、安装调试和性能测试验证的每个环节都是十分重要的。先进的设备，如快速响应温度计，如果回路设计、安装错误，就不能够发挥真正的作用，有时甚至会起反作用。由于设计变送器设备考虑了多样性，通过数字化显示系统的记录趋势，对比发现电容式差压变送器应用方面的疏忽，及时予以了纠正。

数字化系统强大的通道处理功能，包括实时显示与历史数据追忆、高精度的数据处理通道，以及回路诊断功能，为测点状态评估，尤其是参数变化趋势的长期跟踪等，提供了有力的工具。通过T101、T201大修项目，可以看到测量仪表的检修，已经逐步转向纯仪表的校验和控制室品质鉴定工作，取消了非法规要求的通道校验检修等项目，明确了现代化仪控检修重点，优化了检修项目，合理利用检修资源，提高了检修质量。

[1] 蔡云达.一回路快速响应温度计延迟问题处理［J］，TNPS一期工程论文.

[2] SIEMENS. Tianwan NPP，Time delay of the primary circuit temperature sensors MTJBJ［J］，JBAE-M-02817-JCAL.

[3] 洪远进，王耿骞.电容式差压变送器的高静压修正［J］，TNPS一期工程论文.

[4] RNII. MODEL 1152/1153 Series D Alphaline Nuclear Pressure Transmitter［J］.

Three issues related to application of measuring instruments in the primary loop

CAI Yun-da，DONG Shi-you
（Jiangsu Nuclear Power Corporation，No.28 Haitang Middle Road，Lianyun District，Lianyungang of Jiangsu Prov. 222042，China)

Based on the experience of commissioning and operation of TNPS Phase I，this paper present three issues related to application and maintenance of measuring instruments in the primary loop of WWER-1000 reactors: the principle and performance of rapid response temperature gauges，the high line pressure correction of ROSEMOUNT capacitance differential pressure transmitters and the boric water technical parameter measurement，as well as the experience and effect evaluation of dealing with the measuring problems using the real time indication，data recording and circuit diagnosis function provided by the digital control systems.

primary loop； rapid response temperature gauge；high line pressure correction；boric water technical parameter measurement

TL99

A

1674-1617（2009)04-0324-06

2009-02-01

蔡云达（1968—），男，安徽人，研究员级高级工程师。