核电厂通风仪表选型研究

蔡超

摘要：通风系统是核电站重要的辅助系统，肩负着电站安全、稳定运行的重大责任，为设备运行和人员作业提供适宜的工作条件，并对气态污染物进行控制和净化。通风仪表是通风系统运行的先决条件，选择、使用良好的仪表对核岛通风系统正常运行起到至关重要的作用。以往项目中，参与控制的仪表多数选用开关量类型仪表，这类仪表数量较多，同时也暴露出较多问题。相较于开关量仪表，模拟量信号具有控制更精准，对设备状态监控更全面、故障率更低的优点。因此，亟需对现有通风系统仪表重新开展选型与优化工作，以期能够改善现有通风系统开关量仪表的各类缺陷，提高通风系统参数监测的总体性能。

关键词：核电厂；通风；仪表；选型

1温度仪表

1.1原理及结构

1.1.1温度开关

温度开关用惰性气体填充温度袋，气体压力随温度变化，从而触发微动开关动作。过去，使用了大量核电项目。

1.1.2热阻

热阻主要分为金属热阻和半导体热阻。

金属热阻利用金属导体电阻值随温度变化的特性来测量温度。金属铂是热阻仪表中常用的测温元件。铠装铂热电阻主要用于发电厂。铠装铂热敏电阻是将感温元件密封焊接在由金属套管、绝缘材料和金属导体制成的铠装电缆中。

NTC热敏电阻是一种半导体热敏电阻。NTC热敏电阻是一种负温度系数的热敏电阻。它以锰、铜等金属氧化物为材料，电阻值随温度的升高而降低。该仪器的主要特点是：非线性关系、稳定性差、测量范围窄、灵敏度高。

1.2仪器特性对比分析

从仪器原理来看：温度开关通过压力测量温度，由高强度机械结构组成；NTC热敏电阻通过半导体电阻值测量温度，感温元件由金属氧化物组成，精度高，但易氧化；PT100铂热敏电阻通过金属电阻测量温度，铂是一种精度高、性能稳定的温度传感元件。

从仪器的特点考虑：温度开关的远距离传输需要配备毛细管，但毛细管不宜过长，读数容易滞后。毛细管应采取保护措施，防止损坏；NTC热敏电阻的电阻与温度成反比。电阻仅在25℃和50℃时线性最好。如果超过此范围，供应商应提供温度/电阻表进行查询。但是，各供应商提供的NTC温度/电阻不同，这将给应用带来更大的复杂性；PT100铂热敏电阻具有广泛的测量范围。如果选择三线制温度测量，可以消除电阻引起的误差。它具有精度高、响应速度快、不需要冷端补偿等优点。

从仪器的安装角度来看：由于温度袋充满惰性气体，因此温度开关不能安装在侧面。侧面安装会影响温度袋的变形和仪表本体的机械结构，导致测量不准确，甚至弯曲和漏气。NTC热敏电阻和PT100铂热敏电阻可通过垂直安装和侧面安装进行测量。

从仪表操作和维护角度来看：温度开关为国外进口产品，价格昂贵，后期产品维护更换周期长，售后服务不方便。热敏电阻和铂热电阻可以是国内成熟的产品，价格相对较低，后期维护更换及时方便。

考虑工艺要求的温度范围：通风系统低温极限温度为-15℃，高温极限温度为100℃。不同量程的温度开关仪表可分别满足低温和高温的要求。NTC热敏电阻的精度仅在25℃~50℃之间，PT100铂热敏电阻能够满足全量程的要求，精度高。

铂热电阻的电阻信号直接采集到DCS柜或就地箱型调节器，转换成4mA~20mA的标准信号输出。信号可根据工艺要求在不同位置进行控制、报警和显示。

国内厂家也有生产铂热电阻的良好技术和工艺，部分厂家的普通型号已通过抗震和抗辐射鉴定。

2压力仪表

2.1原理及结构

2.1.1微差压开关

微差压开关的工作原理是开关中的膜片随着压力的变化而移动，驱动触点使开关在两个预设点动作。预设点的开、关驱动设备能够达到控制目的，过去已经使用了大量核电项目。

2.1.2模拟压力变送器

压力变送器主要包括电容式和扩散硅压力变送器。

电容式微差压变送器根据可变电容原理工作。它的传感器是电容式的。利用弹性元件的压力变形来改变可变电容器的电容，从而实现压力电容转换。

2.1.3扩散硅式压力变送器

扩散硅压力变送器的工作原理：介质压力作用在波纹膜片上，使膜片产生与介质压力成比例的微位移，从而改变传感器膜片表面硅压敏电阻的电阻值。扩散硅压力变送器的传感元件为扩散硅压阻芯片，也可将电阻信号转换为4mA~20mA的标准信号输出。

扩散硅压力变送器采用半导体压阻效应实现电阻值变化，具有灵敏度高、产品一致性差的特点。

2.2仪器特性对比分析

微差压开关仪表广泛应用于核电厂通风系统中，但其存在的问题也很明显：回差大，导致无法正常解除报警，甚至不能满足设备运行和控制联锁的要求，因此需要人工前往现场解除报警；如果返回差太小，将导致信号抖动、频繁报警或设备频繁启停。由于此类情况经常发生，因此考虑使用其他微差压变送器更换差压开关。

目前，电容式微差压变送器和扩散硅压力变送器广泛应用于核电站其他系统。本节比较了微差压开关和两种变送器的原理、特点、安装、操作和维护要求，总结了三种仪表的优缺点，并对微差压仪表的选择提出了建议。

从仪器原理来看：微差压开关通过位移测量压力，触点的通断由驱动开关控制，驱动开关由机械部分组成；扩散硅压力变送器通过电阻值的变化来测量压力。测量元件由硅和膜片组成，灵敏度高，但膜片容易损坏；电容式差压变送器通过电容的变化来测量压力。测量元件由中心膜片组成，测量精度高，性能稳定。

结合仪器特点：微差压开关仪器的微差压值可达2.5pa。扩散硅压力变送器的差压值不能承受动态过载压力。当温度低于0℃时，温度稳定性大大降低，一般不用于测量差压。电容式差压变送器腔体为封闭式结构，耐腐蚀，抗干扰能力强，稳定性好。中心膜片由不锈钢金属制成，承压性好，不变形。

从仪表安装角度看：开关量仪表的中心膜片应绝对垂直，现场应垂直安装，避免重力对测量精度的影响。变送器可安装在侧面，膜片受重力影响。“0”位置可以通过在线迁移进行调整。

考虑到工艺要求的范围：通风系统一般测量电加热器或风机前后的进出口压差，监测的压差很小，有的甚至只有10Pa。例如，某些通风系统的一些微差压检测仪表，差压值仅为10Pa。部分通风系统处于放射性环境中，接触元件的性能应稳定。微差压开关能满足上述工艺要求。扩散硅压力变送器的供应商难以满足微差压值较低的范围。电容式差压变送器的微差压范围可达到0Pa~160pa，精度可保证满量程的0.5%。当测点低至10Pa时，精度达到10%。

电容式差压变送器分为检测环节和传输环节。检测链路将被测压力的变化转化为电容的变化；传输链路将电容变化转换为4ma~20mA的标准信号输出。信号可直接采集到DCS柜或就地箱型调节器中，根据工艺要求在不同地点进行控制、报警和显示。国内供应商的电容式微差压变送器具有良好的设计和工艺技术，部分厂家的普通型号已通过抗震和抗辐射鉴定。

结论

基于以上分析结果，PT100铂热电阻具有精度高、测量范围宽、稳定性高、电阻与温度线性关系好、安装方式不受限制等优点，能够满足核电厂通风系统温度采集的特点；电容式微差压变送器具有测量值低、稳定性高、压力范围宽等优点，可以满足核电站通风系统微差压采集的大部分需要。然而，当差压值很低时，电容式微差压变送器的精度会降低，且没有明显的优势。因此，在核电厂通风系统仪表优化设计方案中，统一考虑采用PT100铂热敏电阻进行温度测量。当压差值非常低时，仍然使用微压差开关或由风机状态联锁控制压差表监控的设备。普通微差压值测量点可采用电容式微差压变送器进行差压测量。

参考文献：

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