摘 要 ：核電設(shè)備的安全運(yùn)行離不開(kāi)自動(dòng)控制系統(tǒng)的保駕護(hù)航，而熱工儀表則是核電站自動(dòng)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(shí)際選型應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)行和安全法規(guī)要求下，討論分析安全級(jí)、非安全級(jí)壓力變送器的選型，為核電安全運(yùn)行提供保障。
0 引言
壓力變送器一直是核電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)與工藝過(guò)程的重要接口之一，隨著自動(dòng)化儀表技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量方式和儀表質(zhì)量（精度、響應(yīng)時(shí)間、漂移等）也在不斷改進(jìn)和更新。但對(duì)于不同應(yīng)用環(huán)境和介質(zhì)，特別是用于保護(hù)系統(tǒng)和事故后檢測(cè)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(yùn)行。
本文從實(shí)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(diǎn)，探討壓力變送器的選型。
1 壓力變送器的分類[1]
1.1 按測(cè)量類型分類
1.2 按測(cè)量原理分類
按測(cè)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(duì)壓水堆核電站的應(yīng)用環(huán)境及測(cè)量要求，多用電容式、壓敏電阻式原理。
1.3 按是否直接測(cè)量介質(zhì)分類
按是否直接測(cè)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(yuǎn)傳法蘭，毛細(xì)管連接的遠(yuǎn)傳型變送器。針對(duì)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(rèn)變送器是否執(zhí)行安全功能、事故后檢測(cè)功能等，可分為安全級(jí)、非安全級(jí)。
2 核電廠壓力變送器的設(shè)計(jì)原則
壓力變送器的選型前提，shou先需要滿足設(shè)計(jì)要求，因此在選型應(yīng)用時(shí)如果能夠了解核電廠在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于壓力變送器的設(shè)計(jì)原則，就大大有助于正確選擇合適的壓力變送器。設(shè)計(jì)主要考慮以下原則 ：
2.1 標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求
滿足核電站壓力變送器相關(guān)的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)及質(zhì)量鑒定標(biāo)準(zhǔn)。以壓水堆為例 ：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中主要需滿足HAF003（核電廠質(zhì)量保證安全規(guī)定）、ASME NQA-1（核設(shè)施應(yīng)用的質(zhì)量保證要求）、RG 1.180（安全相關(guān)儀表和控制系統(tǒng)中電磁和射頻干擾評(píng)估指南）、ASME B16.5（ASME法蘭及緊固件標(biāo)準(zhǔn)）、GB 4208（外殼防護(hù)等級(jí)）、ISO 9001（質(zhì)量管理體系）對(duì)于安全級(jí)設(shè)備還需要滿足 HAF601 或HAF604 的相關(guān)要求，以及機(jī)械和電氣設(shè)備抗震保護(hù)要求，包裝、運(yùn)輸、裝卸、接收、貯存和維護(hù)要求，表面防護(hù)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(cè)量要求
滿足工藝系統(tǒng)的測(cè)量要求，包括工藝介質(zhì)、材質(zhì)、設(shè)計(jì) / 工作壓力、輸出信號(hào)、輻照劑量、工藝 / 電氣的接口尺寸、電源及負(fù)載要求、精度及響應(yīng)時(shí)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（Post Accident Monitoring System， 事 故 檢 測(cè) 系 統(tǒng) ）、ESF（Engineered Safety Features，專設(shè)安全設(shè)施）、RT（Reactor Trip，反應(yīng)堆緊急停堆）所需的運(yùn)行時(shí)間，水淹要求等。
2.4 其他要求
考慮便于儀表進(jìn)行安裝維護(hù)的要求，提高國(guó)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(guó)內(nèi)一律采用法定的計(jì)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(chǎng)引壓管取壓不便時(shí)，應(yīng)選用法蘭式變送器。有時(shí)介于變送器無(wú)法承受測(cè)點(diǎn)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(jìn)行選擇。
3）當(dāng)一般模擬變送器難以達(dá)到精度要求時(shí)，可以考慮選用智能型變送器。智能型的優(yōu)點(diǎn)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(cè)量微小壓力（小于 500Pa）時(shí)，可選用微差壓變送器。常用于測(cè)量室內(nèi)與室外的差壓，例如 MCR 和室外大氣的壓差，熱機(jī)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(shí)間和噪聲抑制的要求。
6）輸出信號(hào)通常為二線制 4mA ～ 20mA 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，若帶有 HART 功能，則需要證明其已經(jīng)過(guò) HART 認(rèn)證機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)和批準(zhǔn)。
3.2 變送器安全分類對(duì)選型的影響
核電站的安全運(yùn)行取決于執(zhí)行安全功能設(shè)備的可靠性。對(duì)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(jí)設(shè)備。特別需要其在地震和事故工況、LOCA（Loss of Coolant Accident）事故，保持其功能與性能。因此，分類為安全級(jí)的壓力變送器，無(wú)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(yùn)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(jí)變送器高出許多，也是在壓力變送器選擇時(shí)需要著重考慮的因素。
3.3 變送器鑒定要求對(duì)選型的影響
為減少環(huán)境對(duì)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設(shè)計(jì)功能，除了老化、EMC（Electro Magnetic Compatibility，簡(jiǎn)稱 EMC）試驗(yàn)以外，還必須對(duì)儀表根據(jù)其所在環(huán)境進(jìn)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(yùn)行工況和異常運(yùn)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(jī)理的儀表不需要確定其鑒定壽命，反之則必須進(jìn)行老化試驗(yàn)。通常需要進(jìn)行正常和異常極端工況、振動(dòng)老化、抗震試驗(yàn)。嚴(yán)酷環(huán)境 ：是指核電站發(fā)生假象的 DBA（Design BasisAccident）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(jìn)行全部的試驗(yàn)，包括老化、正常和異常極端工況、抗震、BDA 等。
輻照嚴(yán)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)保持在正常或異常工況范圍內(nèi)的一類環(huán)境。當(dāng)設(shè)備所處環(huán)境放射性累計(jì)劑量超過(guò) 104rads（102Gy）(γ)【對(duì)設(shè)備中的 I&C（Instrumentation and Control System，簡(jiǎn)稱I&C 系統(tǒng)）電子和微處理器部件為 103rad（10Gy）(γ)】時(shí)，應(yīng)評(píng)估確定是否需要進(jìn)行輻照老化試驗(yàn)。通常需要進(jìn)行輻照老化、正常和異常極端工況、振動(dòng)老化、抗震試驗(yàn)。
2）環(huán)境鑒定內(nèi)容
壓力變送器在 3 類環(huán)境下的試驗(yàn)內(nèi)容對(duì)比詳見(jiàn)表 1 ：和緩、輻照嚴(yán)酷、嚴(yán)酷環(huán)境下的型式試驗(yàn)。其他鑒定內(nèi)容 ：
除了以上所述的環(huán)境鑒定，對(duì)于特定條件和運(yùn)行條件下，需有一些特殊的要求。
a）事故后運(yùn)行時(shí)間 ：安全級(jí)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(yùn)行時(shí)間由幾小時(shí)到幾周不等。特殊環(huán)境的非安全級(jí)變送器，可能需要執(zhí)行幾個(gè)月的 PAMS 功能，例如安注箱壓力。
b）水淹 ：考慮到某個(gè)特定標(biāo)高以下的設(shè)備都可能被水淹，可通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。
c）嚴(yán)重事故 ：可能會(huì)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) HAD 102/17 規(guī)定，在可能的條件下，預(yù)計(jì)在嚴(yán)重事故中運(yùn)行的設(shè)備應(yīng)該通過(guò)試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)或工程分析，以合理的可信度表明能夠在嚴(yán)重事故工況下實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能 [5]。
4 應(yīng)用舉例
1）對(duì)于非核級(jí)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(yán)酷環(huán)境則需要選擇 3155 系列。主要因?yàn)?3051 系列的變送器對(duì)抗震和輻照性能要求較低，不適用于輻射嚴(yán)酷或嚴(yán)酷環(huán)境中。3152 和 3155 系列有做過(guò)相關(guān)的抗震性能和高劑量輻照試驗(yàn)，其中 3155 性能更要優(yōu)于
3152 系列，可使用在更加嚴(yán)苛的環(huán)境下。
例如，測(cè)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(jí)儀表且無(wú)環(huán)境鑒定要求，可以選用 3051S 壓力變送器。根據(jù)儀表設(shè)計(jì)的壓力、溫度、測(cè)量范圍、精度、響應(yīng)時(shí)間等要求，選擇對(duì)照表見(jiàn)表 2。
2）對(duì)于核級(jí)壓力變送器，由于大多處于嚴(yán)酷或輻照嚴(yán)酷環(huán)境，所以只選用 3152 和 3155 這兩個(gè)系列。
例如，IRWST 寬量程液位差壓變送器，屬于安全級(jí)儀表且有嚴(yán)酷環(huán)境鑒定要求，可以選用 3155 系列壓力變送器。根據(jù)儀表設(shè)計(jì)的壓力、溫度、測(cè)量范圍、精度、響應(yīng)時(shí)間等要求，選擇對(duì)照表見(jiàn)表 3。
5 結(jié)束語(yǔ)
核電站中，會(huì)涉及到各種不同類型的測(cè)量?jī)x表的采購(gòu)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(jì)、液位計(jì)等，這些設(shè)備是工藝系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。因此，符合設(shè)計(jì)要求且合理的選型影響著整個(gè)控制系統(tǒng)和安全功能的可靠運(yùn)行。
本文結(jié)合對(duì)壓力變送器的分類、技術(shù)要求及環(huán)境要求進(jìn)行說(shuō)明，以兩個(gè)簡(jiǎn)單的選型為例加以說(shuō)明，旨在結(jié)合設(shè)計(jì)和環(huán)境要求，為正確選擇變送器型號(hào)提供一些分析和依據(jù)。
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