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讨论分析核电厂安全级、非安全级压力变送器的选型
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讨论分析核电厂安全级、非安全级压力变送器的选型

时间:2020-09-10 11:40:07

 摘 要 :核电设备的安全运行离不开自动控制系统的保驾护航,而热工仪表则是核电站自动控制系统中的重要设备,其中压力变送器又是被大量采用的热工仪表之一,能不能做好选型工作,是关系到工程好坏的重要因素。本文结合工程中实际选型应用经验,在现行和安全法规要求下,讨论分析安全级、非安全级压力变送器的选型,为核电安全运行提供保障。VVo压力变送器_差压变送器_金沙平台开户网站_温度变送器

 
0 引言
压力变送器一直是核电站自动化控制系统与工艺过程的重要接口之一,随着自动化仪表技术的发展,测量方式和仪表质量(精度、响应时间、漂移等)也在不断改进和更新。但对于不同应用环境和介质,特别是用于保护系统和事故后检测的情况,必须正确、合理地选用压力 / 差压变送器,以确保核电厂安全、可靠运行。
 
本文从实际选型与应用出发,结合压水堆核电站的环境特点,探讨压力变送器的选型
 
1 压力变送器的分类[1]
1.1 按测量类型分类
按测量类型,变送器可分为压力变送器、差压变送器绝压变送器。针对压水堆核电站的应用环境,多用压力变送器和差压变送器。
 
1.2 按测量原理分类
按测量原理,变送器可分为电容式、压敏电阻式、电感位移式、力平衡式。针对压水堆核电站的应用环境及测量要求,多用电容式、压敏电阻式原理。
 
1.3 按是否直接测量介质分类
按是否直接测量介质,变送器可分为就地引压管连接的基本型变送器、带远传法兰,毛细管连接的远传型变送器。针对压水堆核电站的应用环境,这两种都有所涉及。
 
1.4 按执行功能分类
按执行功能,需要确认变送器是否执行安全功能、事故后检测功能等,可分为安全级、非安全级。
 
2 核电厂压力变送器的设计原则
压力变送器的选型前提,首先需要满足设计要求,因此在选型应用时如果能够了解核电厂在设计时对于压力变送器的设计原则,就大大有助于正确选择合适的压力变送器。设计主要考虑以下原则 :
 
2.1 标准、规范要求
满足核电站压力变送器相关的设计、制造、检验及质量鉴定标准。以压水堆为例 :设计标准中主要需满足HAF003(核电厂质量保证安全规定)、ASME NQA-1(核设施应用的质量保证要求)、RG 1.180(安全相关仪表和控制系统中电磁和射频干扰评估指南)、ASME B16.5(ASME法兰及紧固件标准)、GB 4208(外壳防护等级)、ISO 9001(质量管理体系)对于安全级设备还需要满足 HAF601 或HAF604 的相关要求,以及机械和电气设备抗震保护要求,包装、运输、装卸、接收、贮存和维护要求,表面防护要求,设备用水和清洁要求,传感器的电磁兼容、环境鉴定要求等。
 
2.2 工艺系统的测量要求
满足工艺系统的测量要求,包括工艺介质、材质、设计 / 工作压力、输出信号、辐照剂量、工艺 / 电气的接口尺寸、电源及负载要求、精度及响应时间等。
 
2.3 核电厂执行安全功能要求
满足核电厂要求执行的安全功能,满足事故后 PAMS(Post Accident Monitoring System, 事 故 检 测 系 统 )、ESF(Engineered Safety Features,专设安全设施)、RT(Reactor Trip,反应堆紧急停堆)所需的运行时间,水淹要求等。
 
2.4 其他要求
考虑便于仪表进行安装维护的要求,提高国产化率的要求,适应后续电站设备改造的要求。
 
3 压力变送器的选型要求
3.1 变送器基本选型要求[2,3]
1)单位和标度 :国内一律采用法定的计量单位。即 :Pa(帕)、kPa(千帕)、MPa(兆帕)。
2)结晶、堵塞、粘稠及腐蚀性介质或现场引压管取压不便时,应选用法兰式变送器。有时介于变送器无法承受测点所在区域的要求的辐照累积剂量,也需要在可行的情况下考虑改变变送器的连接形式。与介质接触的材质,必须根据介质的特性进行选择。
3)当一般模拟变送器难以达到精度要求时,可以考虑选用智能型变送器。智能型的优点在于精度、重复性、可靠性、量程比等方面技术指标高,且便于调校,功能可靠。
4)测量微小压力(小于 500Pa)时,可选用微差压变送器。常用于测量室内与室外的差压,例如 MCR 和室外大气的压差,热机修车间与室外压差和放射性废物厂房室内外压差等。
5)变送器的性能 :通常需要满足相关规范书和数据表中所规定的精度、死区、电源影响、重复性、线性度、回差、响应时间和噪声抑制的要求。
6)输出信号通常为二线制 4mA ~ 20mA 标准信号,若带有 HART 功能,则需要证明其已经过 HART 认证机构的试验和批准。
 
3.2 变送器安全分类对选型的影响
核电站的安全运行取决于执行安全功能设备的可靠性。对于执行反应堆紧急停堆、应急堆芯冷却、余热排出、安全壳隔离、安全壳排热和防止放射性物质外泄等功能的电气设备,称为安全级设备。特别需要其在地震和事故工况、LOCA(Loss of Coolant Accident)事故,保持其功能与性能。因此,分类为安全级的压力变送器,无论从性能要求、可靠性还是从寿期内保证在核电站正常运行工况或事故工况下,经受非常苛刻的环境条件执行规定的安全功能的要求,都需要比非安全级变送器高出许多,也是在压力变送器选择时需要着重考虑的因素。
 
3.3 变送器鉴定要求对选型的影响
为减少环境对核电站设仪表共模失效的潜在可能,证明仪表有能力完成其安全或非安全设计功能,除了老化、EMC(Electro Magnetic Compatibility,简称 EMC)试验以外,还必须对仪表根据其所在环境进行相应环境鉴定。
 
1)环境鉴定分类 [4]
和缓环境 :是指正常运行工况和异常运行工况极限情况下的环境条件。位于和缓环境中且不存在显著老化机理的仪表不需要确定其鉴定寿命,反之则必须进行老化试验。通常需要进行正常和异常极端工况、振动老化、抗震试验。严酷环境 :是指核电站发生假象的 DBA(Design BasisAccident)期间或之后的环境条件,是安全壳内 LOCA、主蒸汽管道破裂或高能管道破裂以及安全壳外高能管道破裂或失水事故的结果。通常需要进行全部的试验,包括老化、正常和异常极端工况、抗震、BDA 等。
 
辐照严酷环境 :是指核电站内辐照条件高于某一阈值,其他环境参数保持在正常或异常工况范围内的一类环境。当设备所处环境放射性累计剂量超过 104rads(102Gy)(γ)【对设备中的 I&C(Instrumentation and Control System,简称I&C 系统)电子和微处理器部件为 103rad(10Gy)(γ)】时,应评估确定是否需要进行辐照老化试验。通常需要进行辐照老化、正常和异常极端工况、振动老化、抗震试验。
 
2)环境鉴定内容
压力变送器在 3 类环境下的试验内容对比详见表 1 :和缓、辐照严酷、严酷环境下的型式试验。其他鉴定内容 :
和缓、辐照严酷、严酷环境下的型式试验
除了以上所述的环境鉴定,对于特定条件和运行条件下,需有一些特殊的要求。
a)事故后运行时间 :安全级压力变送器往往有在事故后继续执行安全功能的要求,包括 PAMS、ESF、RT,通常运行时间由几小时到几周不等。特殊环境的非安全级变送器,可能需要执行几个月的 PAMS 功能,例如安注箱压力。
b)水淹 :考虑到某个特定标高以下的设备都可能被水淹,可通过模拟实验来进行验证。
c)严重事故 :可能会导致非常恶劣的高温、高压、高辐照安全壳环境,包括局部或整体的燃烧,影响设备功能。
 
根据 HAD 102/17 规定,在可能的条件下,预计在严重事故中运行的设备应该通过试验、实验或工程分析,以合理的可信度表明能够在严重事故工况下实现设计功能 [5]。
 
4 应用举例
1)对于非核级压力变送器,在和缓且低辐照环境多选用 3051,1152/1153/1154 系 列, 有 辐 照 要 求 的 可 选 择3152 系列,若处于严酷环境则需要选择 3155 系列。主要因为 3051 系列的变送器对抗震和辐照性能要求较低,不适用于辐射严酷或严酷环境中。3152 和 3155 系列有做过相关的抗震性能和高剂量辐照试验,其中 3155 性能更要优于
 
3152 系列,可使用在更加严苛的环境下。
例如,测量燃料操作区与室外环境之间的差压变送器,属于非安全级仪表且无环境鉴定要求,可以选用 3051S 压力变送器。根据仪表设计的压力、温度、测量范围、精度、响应时间等要求,选择对照表见表 2。
3051S压力变送器型号与技术要求对照
2)对于核级压力变送器,由于大多处于严酷或辐照严酷环境,所以只选用 3152 和 3155 这两个系列。
例如,IRWST 宽量程液位差压变送器,属于安全级仪表且有严酷环境鉴定要求,可以选用 3155 系列压力变送器。根据仪表设计的压力、温度、测量范围、精度、响应时间等要求,选择对照表见表 3。
3155压力变送器型号与技术要求对照
5 结束语
核电站中,会涉及到各种不同类型的测量仪表的采购工作,压力和差压变送器只是其中的一小部分,其他诸如温度变送器、流量计、液位计等,这些设备是工艺系统稳定运行的基础。因此,符合设计要求且合理的选型影响着整个控制系统和安全功能的可靠运行。
 
本文结合对压力变送器的分类、技术要求及环境要求进行说明,以两个简单的选型为例加以说明,旨在结合设计和环境要求,为正确选择变送器型号提供一些分析和依据。
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