重水機組環(huán)隙氣體系統(tǒng)露點儀標(biāo)定方法改進及應(yīng)用

王仕博，陸惠強，左建新，于 超，代濟嶺，林 熙，江沈偉，盧 輝

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

重水機組環(huán)隙氣體系統(tǒng)露點儀的使用與標(biāo)定，一直存在一些問題困擾著我們，露點儀使用過程中的漂移問題產(chǎn)生了大量的缺陷。因此，急需加強露點儀的標(biāo)定來使儀表工作的更穩(wěn)定、更可靠。該系統(tǒng)的完整性和可運行性，對操縱員及時掌握壓力管運行狀況提供了一個在線的監(jiān)測手段。

圖1 系統(tǒng)簡圖Fig.1 System diagram

圖2 氧化鋁傳感器的結(jié)構(gòu)模型和簡化電路Fig.2 Structure model and simplified circuit of alumina sensor

環(huán)隙氣體系統(tǒng)是低壓系統(tǒng)，工作壓力約為30kPa～45kPa，大部分設(shè)備工作溫度低于65℃（排管容器以及熱交換器前工作溫度可達190℃），介質(zhì)為CO2，系統(tǒng)工藝設(shè)備和管道都采用不銹鋼材料。系統(tǒng)要求長期連續(xù)運行，只有在系統(tǒng)要求檢修且在機組停堆時系統(tǒng)才停止運行[2]。

1 濕度儀表及重水機組環(huán)隙氣體露點儀介紹

濕度對大量的物理、化學(xué)、生物過程產(chǎn)生影響，據(jù)此，可以利用很多與濕度有關(guān)的變化進行濕度的測量。測量濕度的主要方式有下列幾種：機械式、干濕球通風(fēng)式、阻容式（包括電阻式、電容式和阻抗露點型）、冷鏡式、氯化鋰、電解式（五氧化二磷）等。重水機組使用的露點儀主要有阻抗露點型和冷鏡式兩類。

環(huán)隙氣體系統(tǒng)所使用的露點儀是由PANAMETRICS生產(chǎn)的M2系列三氧化二鋁露點探頭和SERIES5系列露點變送器，用于測量壓力管和排管之間的環(huán)形氣隙內(nèi)的濕度。其系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

2 傳感器基本原理和特點介紹

氧化鋁傳感器是通過電化學(xué)方法在金屬鋁表面形成一層氧化膜，進而在膜上沉淀一薄層金膜。這樣，鋁基體和金膜便構(gòu)成了一個電容器。氧化鋁傳感器的結(jié)構(gòu)模型和簡化電路如圖2所示。氧化層吸附水汽之后將引起電抗的改變，濕度計的原理就是建立在這一電性質(zhì)基礎(chǔ)之上的[1]。

氧化鋁傳感器具有體積小、靈敏度高、測量范圍寬，通常能耐冷凝等優(yōu)點，但是也存在高溫或高濕下使用時會發(fā)生校準(zhǔn)漂移（性能改變）。存在漂移和滯后，在很低濕度下穩(wěn)定可能很慢，且有易被腐蝕性化學(xué)物質(zhì)損壞的缺點。

3 早期露點儀的標(biāo)定方法及存在的問題

早期露點儀的標(biāo)定工作是送計量院進行外委標(biāo)定的，因為計量院只有露點發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)露點測量裝置（GE公司生產(chǎn)的M3系列冷鏡式露點儀），而沒有用于讀取MH值的Moisture Image Series 1。所以主要的工作是從現(xiàn)場將SERIES5系列露點變送器和M2系列露點探頭拆下，連同連接部件和電源線儀器送計量院進行標(biāo)定，待標(biāo)定完成后取回安裝回現(xiàn)場。

計量院的標(biāo)定方法是通過露點發(fā)生器與標(biāo)準(zhǔn)露點測量裝置，產(chǎn)生一個穩(wěn)定露點的標(biāo)準(zhǔn)氣源，然后將標(biāo)準(zhǔn)氣體通過連接管路供給待標(biāo)定的M2露點探頭，同時使用SERIES5露點變送器測量M2探頭所測得的信號（MH值），待MH值信號穩(wěn)定后，記錄下相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)露點值與對應(yīng)的MH值，作為一組露點數(shù)據(jù)。在露點儀使用量程范圍內(nèi)，選取6個不同的點檢測出6組數(shù)據(jù)，再根據(jù)這6組露點數(shù)據(jù)對SERIES5露點變送器內(nèi)設(shè)置的MH值數(shù)據(jù)進行修改，以得到準(zhǔn)備的露點示值，然后再進行一次儀器的檢定來確定儀器的準(zhǔn)確性。

由于這種方法需要整體拆除現(xiàn)場儀表，造成現(xiàn)場儀表的不可用，而儀表本身受TS限制，從拆除到恢復(fù)可用必須控制在7天內(nèi)，且設(shè)備送計量院進行標(biāo)定，往返路上所需的時間、儀表標(biāo)定所用時間、因標(biāo)定時工況與現(xiàn)場工況不一致而導(dǎo)致儀表回裝后需要進行二次校準(zhǔn)所需時間。由于上述種種條件限制，導(dǎo)致了標(biāo)定必須在2天內(nèi)完成，這就使低露點時探頭穩(wěn)定時間不足，造成探頭在低露點時的偏差較大。圖3為計量院標(biāo)定的數(shù)據(jù)單。

4 標(biāo)定方法的改進

4.1 氧化鋁傳感器的標(biāo)定方法

氧化鋁傳感器根據(jù)使用條件，一般6～12個月標(biāo)定一次，條件惡劣的需提高頻度，如環(huán)隙氣體系統(tǒng)的露點儀需要每3個月標(biāo)定一次。標(biāo)定的目的是為了重新確定傳感器的校正曲線，一般校正曲線由14組MH值對露點值確定，請參見圖4原PANAMETRICS傳感器出廠的標(biāo)定單數(shù)據(jù)。

圖3 計量院標(biāo)定的數(shù)據(jù)單Fig.3 Data sheet calibrated by metrology Institute

圖4 原PANAMETRICS傳感器出廠的標(biāo)定單數(shù)據(jù)Fig.4 Calibration sheet data of original PANAMETRICS sensor

4.2 國外同類露點儀的標(biāo)定方法

根據(jù)國外電站的資料，其標(biāo)定裝置主要有：露點發(fā)生儀（PANAMETRICS生產(chǎn)的MG101）、標(biāo)準(zhǔn)露點測量儀器（GE的M3）和標(biāo)準(zhǔn)MH值測量儀器（G PANAMETRICS生產(chǎn)的Moisture Image Series 1）。

標(biāo)定一般過程如下：通過標(biāo)定裝置，測出幾組傳感器的MH值和對應(yīng)露點值過氧化鋁傳感器的特性公式：MH(T)=a×EXP(b×T)+c（PANAMETRICS公司提供有軟件計算出常數(shù)a、b、c）[3]，再通過公式計算出在-110℃～20℃上整數(shù)讀數(shù)對應(yīng)的MH值，這些值便組成傳感器新的校正曲線。

4.3 露點儀標(biāo)定方法的改進

考慮重水機組環(huán)隙氣體露點儀的限制和標(biāo)定方法存在的缺點后，對標(biāo)定的方法進行了一次改進，有針對性地解決了拆除儀表以及外圍送檢的問題。

首先，針對拆除儀表進行標(biāo)定需較長時間進TS限制的問題，采取先對探頭備件進行標(biāo)定，等標(biāo)定完合格的探頭備件后，再對現(xiàn)場探頭進行更換。這樣只需要進行一次“在線二次校準(zhǔn)”即可使儀表恢復(fù)正常，大大縮短進入TS限制的時間。

圖5 傳感器新的校正曲線Fig.5 New calibration curve of sensor

其次，參考其它電站的方法，在廠內(nèi)組建了一套相對簡易的標(biāo)定裝置，使用SPMO移交的一臺MG101加標(biāo)準(zhǔn)氮氣瓶作為標(biāo)準(zhǔn)露點氣源，使用Moisture Image Series 1來讀取MH值，使用便攜式露點儀來讀取標(biāo)準(zhǔn)露點值。在儀表的使用量程選取6～8個點來采集對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)露點的MH值數(shù)據(jù)，再通過PANAMETRICS公司的標(biāo)定程序計算出完整的探頭標(biāo)定數(shù)據(jù)。這樣使用時只需要更換探頭，將標(biāo)定數(shù)據(jù)錄入到現(xiàn)場的SERIES5露點變送器內(nèi)，再進行一次在線二次校準(zhǔn)，就可以使儀表正常使用了。

盡管改進后的方法縮短了進TS限制的時間，但仍然不可避免需要進TS這一現(xiàn)狀。為了更好地解決這一問題，考慮了常規(guī)儀表在線標(biāo)定的方法，即現(xiàn)場隔離儀表進行標(biāo)定，標(biāo)定完成后立即恢復(fù)使用。但是，考慮露點儀標(biāo)定過程的特殊情況，這樣的方法不可能完全套用（常規(guī)儀表標(biāo)定過程只需極短的時間就能完成，而露點儀的標(biāo)定過程需要2～3天，甚至更久）。那么，是否可以在不影響現(xiàn)場儀表的正常使用下來完成對儀表的標(biāo)定工作呢？從露點儀標(biāo)定過程來分析這個問題，發(fā)現(xiàn)在理論上是可以滿足露點儀的標(biāo)定條件的：首先，是標(biāo)準(zhǔn)氣。系統(tǒng)露點是在不停地發(fā)生變化的，在一個掃氣周期內(nèi)，露點從掃氣結(jié)束后逐漸上升到滿足再次掃氣的條件，其變化范圍幾乎覆蓋了儀表的全使用量程。解決了標(biāo)準(zhǔn)氣問題，接下來就是標(biāo)準(zhǔn)露點的讀取，可以使用便攜式露點儀對系統(tǒng)露點進行在線取樣來得到。此外，還有對MH值的讀取，可以從現(xiàn)場的SERIES5露點變送器上完成而不影響儀表的正常使用。這樣，數(shù)據(jù)采集的條件就完全滿足了。另外，如果可以實現(xiàn)在線標(biāo)定，還有一個好處就是解決了標(biāo)定工況和現(xiàn)場工況的偏差問題，在完成標(biāo)定后儀表將不再需要進行二次校準(zhǔn)。

那么，在線標(biāo)定方法是否真的可行呢？對此進行了一項長期的試驗，在露點儀正常使用期間，通過定期取樣的方式，使用便攜式露點儀對現(xiàn)場系統(tǒng)露點進行取樣得到標(biāo)準(zhǔn)露點值，并在SERIES5露點變送器上讀取到取樣當(dāng)時的露點示值與MH值，并將這些數(shù)據(jù)進行記錄保存。在每次定期維護時，從這些記錄中選取幾組具有代表性的數(shù)據(jù)，根據(jù)探頭標(biāo)定數(shù)據(jù)處理的方法進行計算處理并得出探頭的標(biāo)定數(shù)據(jù)，與定期維護標(biāo)定時的標(biāo)定數(shù)據(jù)進行比較。經(jīng)過反復(fù)比較發(fā)現(xiàn)，取樣時間越久遠的數(shù)據(jù)存在的偏差越大，反之，取樣時間越近的數(shù)據(jù)存在的偏差越小，一般兩周內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)基本沒有偏差或偏差極小。這樣的試驗結(jié)果表明，只需在兩周內(nèi)采集足夠標(biāo)定所需的數(shù)據(jù)進行標(biāo)定處理，就能完成一次露點探頭的標(biāo)定，而且，環(huán)隙氣體系統(tǒng)的掃氣周期基本都在7～10天左右，正好滿足了兩周內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集的時間要求，也既是說在線標(biāo)定環(huán)隙氣體系統(tǒng)露點儀的方法試驗成功了。

5 結(jié)束語

經(jīng)過長期的實踐證明，在線標(biāo)定環(huán)隙氣體系統(tǒng)露點儀的方法有效地提高了環(huán)隙氣體系統(tǒng)露點儀的穩(wěn)定性和可靠性，有效地控制了故障的發(fā)生，降低了缺陷量，2014年至今沒有發(fā)生環(huán)隙氣體系統(tǒng)露點儀的缺陷。