放射性廢樹脂液位/界面在線測量技術(shù)的研究及應(yīng)用

楊蘭菊 李振臣 周春燕

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院第一研究所）

放射性廢樹脂是一種固體核廢料，必須和水混合才能輸送，并和水一起儲存在廢樹脂槽中等待后續(xù)處理。 在廢樹脂的儲存和處理過程中，對樹脂料位進(jìn)行準(zhǔn)確測量是非常必要的。 但因樹脂屬于固-液混合物，且具有放射性，故不宜采用常規(guī)方法進(jìn)行測量［1］。另外，廢樹脂在下料時(shí)會形成凹凸不平的表面， 和水會形成分界面和懸浮面，造成樹脂和水之間的界面不清晰。 目前，市場上沒有專門的儀表用于測量樹脂和水的分界面。 因此，在實(shí)際工程中，廢樹脂界面測量一直是一個(gè)難點(diǎn)。 以往工程上為了測量廢樹脂和水的分界面，采用了很多測量儀表，如雷達(dá)液位計(jì)、激光液位計(jì)等，但經(jīng)過試驗(yàn)證明，這些儀表只能測量一個(gè)介質(zhì)的界面，而無法真正識別出液面和樹脂界面。 同時(shí)，也改進(jìn)了很多測量裝置，但改進(jìn)后的裝置仍具有一些固有缺陷，且故障率高，無法達(dá)到工藝測量要求。

工程上常采用帶兩個(gè)浮球的磁致伸縮液位計(jì)來測量廢樹脂和水的液面及分界面。 但廢樹脂下料時(shí)經(jīng)常會掩埋測量界面的浮球，導(dǎo)致此浮球浮不起來，無法測量。 后經(jīng)過改進(jìn)［2］，雖然解決了界面浮球被樹脂掩埋的問題，但時(shí)常發(fā)生鋼纜纏繞問題，且不能實(shí)現(xiàn)液位的連續(xù)測量。 而且在廢樹脂下料階段， 水量和廢樹脂量都處于未知狀態(tài)，很容易造成水位超出工藝安全限值，引起設(shè)備安全問題。 為解決上述問題，筆者提出一種液位和樹脂界面分開式的測量方法，設(shè)計(jì)一種新型在線遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)，對樹脂界面測量裝置經(jīng)過多次改進(jìn)并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以便后續(xù)應(yīng)用于實(shí)際工程中。

1 新型測量技術(shù)

1.1 液位測量

磁致伸縮液位計(jì)主要由探測桿、電路單元和浮子3 部分組成， 具有高精度和免維修兩大優(yōu)勢。 由于磁致伸縮液位計(jì)電子元件密封在不銹鋼管體內(nèi)，不受輻射的影響，因此是目前液位測量領(lǐng)域最為精確，便于安裝、維護(hù)，性能穩(wěn)定、可靠的成熟產(chǎn)品［3，4］。故筆者選擇磁致伸縮液位計(jì)用于液位測量。 浮子裝在探測桿上，內(nèi)裝有一組永磁鐵，該磁鐵可以沿著探測桿隨液位的變化而上下移動(dòng)［5］。由于測量介質(zhì)特殊，是廢液和廢樹脂的液固混合物，若選型不當(dāng)，會導(dǎo)致測量浮球被樹脂顆粒卡住，無法實(shí)現(xiàn)測量功能。 因此在選擇測量浮球時(shí)需要考慮兩大因素，一是比重，二是浮球內(nèi)徑與探測桿的空隙間距。 綜合考慮后，測量浮球比重選為0.63～0.75， 以保證浮球始終浮在水面；浮球內(nèi)徑與探測桿的空隙間距按實(shí)際情況選取，需保證廢樹脂顆粒可自動(dòng)滑落，使浮球始終能隨液位在探測桿上自由移動(dòng)，不會被樹脂顆?？ㄗ『脱诼瘛?/p>

1.2 界面測量

界面測量裝置不僅能實(shí)時(shí)測量廢樹脂和水的分界面，而且在廢樹脂下料過程中，為防止測量傳感器被樹脂掩埋，界面測量裝置設(shè)計(jì)為一體化在線裝置，具有實(shí)時(shí)測量、自動(dòng)提升/下降、智能顯示及信號遠(yuǎn)傳等功能。 界面測量裝置主要由重量傳感器、鋼絲繩、微動(dòng)裝置、顯示及控制裝置等組成。 探測過程是：界面測量裝置發(fā)出啟動(dòng)測量信號，給出電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)信號，在原點(diǎn)處開始放繩，當(dāng)重量傳感器降至廢樹脂界面時(shí)被樹脂托起而失重，鋼絲繩松弛，測量裝置得到該信號立即發(fā)出電機(jī)反轉(zhuǎn)命令， 重量傳感器自動(dòng)上升返回，直到重量傳感器上升到接近原點(diǎn)處， 電機(jī)停轉(zhuǎn)，重量傳感器回到廢樹脂槽頂原點(diǎn)位置，完成一次探測過程。 由于該裝置配備了雙重光感系統(tǒng)，因此智能電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)可以確保在重量傳感器接觸介質(zhì)表面的瞬間停止下降， 無需額外的剎車裝置，而后改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向并將料位信號變送輸出。

重量傳感器是界面測量裝置的核心和設(shè)計(jì)難點(diǎn)，如果傳感器重量較重，則測量時(shí)無法停留在樹脂界面上，會一直下降到樹脂下部，導(dǎo)致整個(gè)重量傳感器掩埋在樹脂中； 如果重量過輕，會造成傳感器重量與鋼纜速度不匹配，造成鋼纜無法自動(dòng)提升/下降。 因此，需要綜合考慮重量傳感器的外形尺寸、材料和重量，通過改變與樹脂接觸的面積，保持重量傳感器重量與鋼纜速度相匹配，樹脂界面計(jì)才能準(zhǔn)確測量廢樹脂和水的分界面。 經(jīng)過多次改進(jìn)測試，最終確定傳感器由圓柱形外殼和設(shè)置在外殼內(nèi)的配重塊構(gòu)成。 傳感器以最佳方式匹配鋼纜3 m/s 的下降速度， 且正好停留在分層面上鋼纜自動(dòng)返回，精確實(shí)現(xiàn)了廢樹脂和水的界面測量。 為方便運(yùn)行人員操作，界面信號可引至PLC 系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作界面測量裝置的測量模式，并進(jìn)行遠(yuǎn)程顯示和報(bào)警。

可在PLC 系統(tǒng)上遠(yuǎn)程啟動(dòng)和停止樹脂界面計(jì)，并根據(jù)操作要求設(shè)置測量周期，在周期內(nèi)，啟動(dòng)樹脂界面計(jì)電機(jī)后，樹脂界面計(jì)就會不停地自動(dòng)測量，周期一到，樹脂界面計(jì)自動(dòng)停止測量。 若不設(shè)置測量周期，則樹脂界面計(jì)啟動(dòng)后只測量一次，并保存和顯示此次的測量結(jié)果，若需再次測量，可再啟動(dòng)樹脂界面計(jì)。

為了最大限度地保證人員和設(shè)備的安全，界面測量裝置增加了軟件保護(hù)程序，一旦產(chǎn)生埋錘現(xiàn)象，裝置有3 次試提程序，以避免強(qiáng)行提繩引起的斷纜現(xiàn)象。 界面測量裝置不需要通過加裝另外的氣缸裝置或電動(dòng)裝置進(jìn)行非標(biāo)設(shè)備改造，極大地減少了設(shè)備成本，避免了非標(biāo)設(shè)備的加工制造，解決了實(shí)際工程測量問題。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證液位和界面測量技術(shù)的可行性，建立與實(shí)際工況相似的模擬試驗(yàn)臺架裝置對液位和界面進(jìn)行測試。 試驗(yàn)設(shè)備由液位和界面測量裝置、門形試驗(yàn)臺架和柱形容器組成。 試驗(yàn)對象為新樹脂顆粒和水。 液位和界面在線測量方案如圖1 所示。

圖1 液位和界面在線測量方案

為防止界面測量裝置的重量傳感器在較長的儀表短管內(nèi)晃蕩，影響測量，專門設(shè)計(jì)一套固定限位輔助裝置。 該限位裝置由輔助保護(hù)管和限位套組成，輔助保護(hù)管末端裝有限位套，在提升過程中， 重量傳感器只停在廢樹脂儲槽的頂部，有效減少重量傳感器與套管的碰撞，保證界面的精確測量。

試驗(yàn)中液位測量裝置的浮球的比重比水輕，且浮球內(nèi)徑大小適合樹脂顆粒的自由流動(dòng)，因此該浮球始終浮于水面，保持精確的液位測量。 啟動(dòng)界面測量裝置，重量傳感器通過鋼纜進(jìn)入柱形容器內(nèi)對樹脂界面進(jìn)行探測，每次測量時(shí)重量傳感器從起始位置開始下降，碰到樹脂的懸浮分界面立即返回等待下一次測量。

2.2 結(jié)果分析

從表1 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，液位測量精度較高、誤差小且重復(fù)性好，而且在樹脂下料過程中，磁致伸縮液位計(jì)的浮球始終浮在水面，浮球不會被樹脂卡住或掩埋。

表1 液位測量數(shù)據(jù) mm

廢樹脂和水混合進(jìn)入廢樹脂儲槽時(shí)，由于廢樹脂密度比水的密度稍大， 因此它們很快會分層，若分層的時(shí)間過短，樹脂上層界面比較疏松，與水形成懸浮面，當(dāng)界面測量裝置的重量傳感器接觸到樹脂懸浮面時(shí)，會因?yàn)樽陨硭俣群椭亓坎粫⒓赐Ｖ乖趹腋∶嫔希?還會往下沉降一些，經(jīng)過多次重復(fù)性試驗(yàn)，改進(jìn)后的重量傳感器完全能自動(dòng)停留在廢樹脂與水的懸浮面上。

從表2 數(shù)據(jù)可以看出，樹脂界面計(jì)測量是可行的，測量數(shù)據(jù)精確、重復(fù)性好且與實(shí)際值誤差小，完全滿足工程測量需求。

表2 改進(jìn)后廢樹脂界面計(jì)測量數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語

放射性廢樹脂液位及界面分開在線測量技術(shù)，參數(shù)獨(dú)立采集，信號互不影響。 通過選取合適的浮球比重、 浮球內(nèi)徑與探測桿的空隙間距，實(shí)現(xiàn)了液位的有效實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，避免液位超過工藝安全限值，從而保證了設(shè)備的安全性。 通過多次從外形尺寸、材料和重量方面對重量傳感器進(jìn)行改進(jìn)，界面測量裝置具有實(shí)時(shí)測量、周期測量、自動(dòng)提升/下降、 信號就地顯示及遠(yuǎn)程操作等功能。 試驗(yàn)結(jié)果表明，放射性廢樹脂液位測量效果好，精度高；界面測量裝置能準(zhǔn)確測量廢樹脂和水的分界面，重復(fù)性好，且提升機(jī)構(gòu)運(yùn)行順暢，避免出現(xiàn)被樹脂掩埋的現(xiàn)象。