核電廠壓力變送器選型分析

摘要：核電設備的安全運行離不開自動控制系統的保駕護航，而熱工儀表則是核電站自動控制系統中的重要設備，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，是關系到工程好壞的重要因素。本文結合工程中實際選型應用經驗，在現行和安全法規要求下，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與工藝過程的重要接口之一，隨著自動化儀表技術的發展，測量方式和儀表質量（精度、響應時間、漂移等）也在不斷改進和更新。但對于不同應用環境和介質，特別是用于保護系統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用出發，結合壓水堆核電站的環境特點，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用環境，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用環境及測量要求，多用電容式、壓敏電阻式原理。
1.3按是否直接測量介質分類
       按是否直接測量介質，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用環境，這兩種都有所涉及。
1.4按執行功能分類
       按執行功能，需要確認變送器是否執行安全功能、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標準、規范要求
       滿足核電站壓力變送器相關、制造、檢驗及質量鑒定標準。以壓水堆為例：標準中主要需滿足HAF003（核電廠質量保證安全規定）、ASMENQA-1（核設施應用的質量保證要求）、RG1.180（安全相關儀表和控制系統中電磁和射頻干擾評估指南）、ASMEB16.5（ASME法蘭及緊固件標準）、GB4208（外殼防護等級）、ISO9001（質量管理體系）對于安全級設備還需要滿足HAF601或HAF604的相關要求，以及機械和電氣設備抗震保護要求，包裝、運輸、裝卸、接收、貯存和維護要求，表面防護要求，設備用水和清潔要求，傳感器的電磁兼容、環境鑒定要求等。
2.2工藝系統的測量要求
       滿足工藝系統的測量要求，包括工藝介質、材質、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、精度及響應時間等。
2.3核電廠執行安全功能要求
       滿足核電廠要求執行的安全功能，滿足事故后PAMS（PostAccidentMonitoringSystem，事故檢測系統）、ESF（EngineeredSafetyFeatures，專設安全設施）、RT（ReactorTrip，反應堆緊急停堆）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，提高國產化率的要求，適應后續電站設備改造的要求。
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）單位和標度：國內一律采用法定的計量單位。即：Pa（帕）、kPa（千帕）、MPa（兆帕）。
2）結晶、堵塞、粘稠及腐蝕性介質或現場引壓管取壓不便時，應選用法蘭式變送器。有時介于變送器無法承受測點所在區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。與介質接觸的材質，必須根據介質的特性進行選擇。
3）當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。智能型的優點在于精度、重復性、可靠性、量程比等方面技術指標高，且便于調校，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外壓差等。
5）變送器的性能：通常需要滿足相關規范書和數據表中所規定的精度、死區、電源影響、重復性、線性度、回差、響應時間和噪聲抑制的要求。
6）輸出信號通常為二線制4mA～20mA標準信號，若帶有HART功能，則需要證明其已經過HART認證機構的試驗和批準。
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行安全功能設備的可靠性。對于執行反應堆緊急停堆、應急堆芯冷卻、余熱排出、安全殼隔離、安全殼排熱和防止放射性物質外泄等功能的電氣設備，稱為安全級設備。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保證在核電站正常運行工況或事故工況下，經受苛刻的環境條件執行規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
       為減少環境對核電站設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，還必須對儀表根據其所在環境進行相應環境鑒定。
1）環境鑒定分類[4]
       和緩環境：是指正常運行工況和異常運行工況極限情況下的環境條件。位于和緩環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。嚴酷環境：是指核電站發生假象的DBA（DesignBasisAccident）期間或之后的環境條件，是安全殼內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。

       輻照嚴酷環境：是指核電站內輻照條件高于某一閾值，其他環境參數保持在正常或異常工況范圍內的一類環境。當設備所處環境放射性累計劑量超過104rads（102Gy）(γ)【對設備中的I&C（InstrumentationandControlSystem，簡稱I&C系統）電子和微處理器部件為103rad（10Gy）(γ)】時，應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）環境鑒定內容
       壓力變送器在3類環境下的試驗內容對比詳見表1：和緩、輻照嚴酷、嚴酷環境下的型式試驗。
其他鑒定內容：
       除了以上所述的環境鑒定，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執行安全功能的要求，包括PAMS、ESF、RT，通常運行時間由幾小時到幾周不等。特殊環境的非安全級變送器，可能需要執行幾個月的PAMS功能，例如安注箱壓力。
b）水淹：考慮到某個特定標高以下的設備都可能被水淹，可通過模擬實驗來進行驗證。
c）嚴重事故：可能會導致非常惡劣的高溫、高壓、高輻照安全殼環境，包括局部或整體的燃燒，影響設備功能。根據HAD102/17規定，在可能的條件下，預計在嚴重事故中運行的設備應該通過試驗、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功能。
4應用舉例
1）對于非核級壓力變送器，在和緩且低輻照環境多選用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境中。3152和3155系列有做過相關的抗震性能和高劑量輻照試驗，其中3155性能更要優于3152系列，可使用在更加嚴苛的環境下。

       例如，測量燃料操作區與室外環境之間的差壓變送器，屬于非安全級儀表且無環境鑒定要求，可以選用3051S壓力變送器。根據儀表壓力、溫度、測量范圍、精度、響應時間等要求，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境鑒定要求，可以選用3155系列壓力變送器。根據儀表壓力、溫度、測量范圍、精度、響應時間等要求，選擇對照表見表3。

5結束語
       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，這些設備是工藝系統穩定運行的基礎。因此，符合要求且合理的選型影響著整個控制系統和安全功能的可靠運行。本文結合對壓力變送器的分類、技術要求及環境要求進行說明，以兩個簡單的選型為例加以說明，旨在結合和環境要求，為正確選擇變送器型號提供一些分析和依據。