引言

通風(fēng)系統(tǒng)是核電站重要的輔助系統(tǒng)，肩負(fù)著電站安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重大責(zé)任，為設(shè)備運(yùn)行和人員作業(yè)提供適宜的工作條件，并對(duì)氣態(tài)污染物進(jìn)行控制和凈化。通風(fēng)儀表是通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行的先決條件，選擇、使用良好的儀表對(duì)核島通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。以往項(xiàng)目中，參與控制的儀表多數(shù)選用開(kāi)關(guān)量類型儀表，這類儀表數(shù)量較多，同時(shí)也暴露出較多問(wèn)題。相較于開(kāi)關(guān)量?jī)x表，模擬量信號(hào)具有控制更精準(zhǔn)，對(duì)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控更全面、故障率更低的優(yōu)點(diǎn)。因此，亟需對(duì)現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)儀表重新開(kāi)展選型與優(yōu)化工作，以期能夠改善現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量?jī)x表的各類缺陷，提高通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測(cè)的總體性能。本文對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)中常用的溫度、壓力兩種儀表類型，從通風(fēng)儀表的分類、原理、結(jié)構(gòu)、選型、應(yīng)用及其參與控制的實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行分析、探討和研究，并非常終總結(jié)出各類通風(fēng)儀表在選型過(guò)程中需要注意的關(guān)鍵問(wèn)題，以期為后續(xù)項(xiàng)目中通風(fēng)系統(tǒng)儀表選型提供借鑒和指導(dǎo)。

1 溫度儀表

1.1 原理及結(jié)構(gòu)[1,2]

1）溫度開(kāi)關(guān)

溫度開(kāi)關(guān)通過(guò)給溫包充惰性氣體，氣體壓力隨溫度變化而變化，觸發(fā)微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作。以往核電項(xiàng)目使用數(shù)量很多。

 

2）熱電阻

熱電阻主要分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻。金屬熱電阻是利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨著溫度變化而發(fā)生改變這一特性來(lái)測(cè)量溫度的。金屬鉑是熱電阻儀表較常采用的一種測(cè)溫元件，電廠使用多是鎧裝鉑熱電阻。鎧裝鉑熱電阻是將感溫元件封焊在由金屬套管、絕緣材料和金屬導(dǎo)線三者組合加工而成的鎧裝電纜內(nèi)。

 

NTC 熱敏電阻是半導(dǎo)體熱敏電阻的一類，NTC 熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，以錳、銅等金屬氧化物為材料，電阻值隨溫度增大而減小。這類儀表非常主要的特點(diǎn)是 ：非線性關(guān)系、穩(wěn)定性較差、測(cè)量范圍窄、靈敏度高。

 

1.2 儀表特點(diǎn)對(duì)比分析

目前，溫度開(kāi)關(guān)儀表、NTC 熱敏電阻、PT100 鉑熱電阻在核電廠中應(yīng)用均很廣泛，本節(jié)對(duì) 3 種儀表的原理、特性、安裝及運(yùn)行維護(hù)要求等不同方面展開(kāi)對(duì)比，總結(jié)出 3種儀表各自的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，為溫度儀表選型提供建議。從儀表的原理角度考慮 ：溫度開(kāi)關(guān)是通過(guò)壓力測(cè)溫度，由機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，強(qiáng)度大 ；NTC 熱敏電阻通過(guò)半導(dǎo)體電阻值測(cè)溫度，由金屬氧化物構(gòu)成感溫元件，精確度高，但易被氧化 ；Pt100 鉑熱電阻通過(guò)金屬電阻測(cè)溫度，由鉑構(gòu)成感溫元件，精確度高，性質(zhì)穩(wěn)定 [3]。

 

從儀表的特性方面考慮 ：溫度開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)距離傳輸需要配置毛細(xì)管，但毛細(xì)管不宜過(guò)長(zhǎng)，讀數(shù)容易滯后，對(duì)毛細(xì)管需要采取保護(hù)措施，防止損壞 ；NTC 熱敏電阻的阻值和溫度成反比關(guān)系，僅在 25℃和 50℃電阻具有非常佳線性，超出這個(gè)范圍應(yīng)由供貨商提供溫度 / 阻值表來(lái)查詢。但每個(gè)供貨商提供的 NTC 溫度 / 阻值不盡相同，應(yīng)用中會(huì)帶來(lái)更多的復(fù)雜性 ；Pt100 鉑熱電阻，測(cè)量范圍廣，若選用三線制測(cè)溫可消除電阻產(chǎn)生的誤差，精度高，響應(yīng)速度快，不需要冷端補(bǔ)償 。

 

從儀表的安裝角度考慮 ：由于溫包內(nèi)充惰性氣體，溫度開(kāi)關(guān)不可以側(cè)裝，側(cè)裝會(huì)影響溫包的形變，影響儀表本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致測(cè)量不精確，甚至?xí)�折彎、氣體泄漏。NTC 熱敏電阻和 Pt100 鉑熱電阻垂直安裝和側(cè)裝兩種方式都可以測(cè)量。

 

從儀表的運(yùn)行及維護(hù)角度考慮 ：溫度開(kāi)關(guān)都是國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格昂貴，后期產(chǎn)品的維護(hù)、更換周期長(zhǎng)，售后服務(wù)不便。熱敏電阻和鉑熱電阻都可以采用國(guó)內(nèi)成熟產(chǎn)品，價(jià)格相對(duì)低，后期維護(hù)、更換及時(shí)、便捷。

 

從工藝要求溫度范圍考慮 ：通風(fēng)系統(tǒng)極限溫度要求，低溫 -15℃，高溫 100℃。溫度開(kāi)關(guān)不同量程儀表分別可以滿足低溫和高溫要求。NTC 熱敏電阻僅在 25℃～ 50℃精度準(zhǔn)確，Pt100 鉑熱電阻可以滿足全量程要求，精度高。

 

鉑熱電阻的電阻信號(hào)直接被采集進(jìn) DCS 機(jī)柜或者就地箱調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)變?yōu)?4mA ～ 20mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行輸出。信號(hào)可以根據(jù)工藝需求在不同地點(diǎn)進(jìn)行控制、報(bào)警、顯示。國(guó)內(nèi)廠家也具備良好的技術(shù)和工藝生產(chǎn)鉑熱電阻，部分廠家的常用型號(hào)通過(guò)了抗震及耐輻照鑒定。

2 壓力儀表

2.1 原理及結(jié)構(gòu)[1,2]

1）微差壓開(kāi)關(guān)

微差壓開(kāi)關(guān)的工作原理是開(kāi)關(guān)中的膜片響應(yīng)壓力的變化而移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)觸點(diǎn)致使開(kāi)關(guān)在兩個(gè)預(yù)設(shè)點(diǎn)動(dòng)作。預(yù)設(shè)點(diǎn)的斷開(kāi)、閉合驅(qū)動(dòng)設(shè)備達(dá)到控制目的，以往核電項(xiàng)目使用數(shù)量較多。

2）模擬量壓力變送器

壓力變送器主要有電容式和擴(kuò)散硅式壓力變送器。電容式微差壓變送器是根據(jù)變電容原理工作的，它的傳感器是電容，利用彈性元件受壓變形來(lái)改變可變電容器的電容量，從而實(shí)現(xiàn)壓力 - 電容的轉(zhuǎn)換。

 

用數(shù)學(xué)公式更簡(jiǎn)潔地說(shuō)明工作原理 ：

P1-P2=ΔP 

當(dāng) P1=P2 時(shí)，C1=C2=K2/d0，K2=εS/4π。其中，ε 為絕對(duì)介電常數(shù) ；S 為兩極板正對(duì)面積 ；4π為計(jì)算常數(shù)。

 

當(dāng) P1 ＞ P2 時(shí)，Ci1=εA/d1。測(cè)量膜片新移動(dòng)距離 ：d1=Δd+d0，Δd=K1ΔP。其中，K1 是彈力系數(shù) ；ε 是電極板間介質(zhì)的介電常數(shù) ；A 為板面積 ；P2 為大氣壓。

 

3）擴(kuò)散硅式壓力變送器

擴(kuò)散硅式壓力變送器工作原理 ：介質(zhì)壓力作用于波紋膜片上，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，從而使傳感器膜片表面的硅壓敏電阻的電阻值發(fā)生變化。擴(kuò)散硅式壓力變送器的傳感元件是擴(kuò)散硅壓阻芯片，同樣可以將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?4mA ～ 20mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行輸出。擴(kuò)散硅式壓力變送器利用半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)阻值變化，特點(diǎn)是敏感度高，產(chǎn)品一致性差。

 

2.2 儀表特點(diǎn)對(duì)比分析

微差壓開(kāi)關(guān)儀表在核電廠通風(fēng)系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛，但其問(wèn)題也比較明顯 ：回差較大，導(dǎo)致報(bào)警無(wú)法正常消報(bào)，甚至無(wú)法滿足設(shè)備運(yùn)行和控制聯(lián)鎖要求，需要人員手動(dòng)去現(xiàn)場(chǎng)消報(bào) ；回差過(guò)小，又會(huì)導(dǎo)致信號(hào)抖動(dòng)，頻繁報(bào)警，或頻繁啟停設(shè)備。由于這類情況屢次發(fā)生，考慮用其他微差壓變送器替代差壓開(kāi)關(guān)。

 

目前，電容式微差壓變送器、擴(kuò)散硅式壓力變送器在核電廠其他系統(tǒng)有著普遍的應(yīng)用，本節(jié)對(duì)微差壓開(kāi)關(guān)和這兩種變送器的原理、特性、安裝及運(yùn)行維護(hù)要求等不同方面展開(kāi)對(duì)比，總結(jié)出 3 種儀表各自的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，為微差壓儀表選型提供建議。

 

從儀表的原理角度考慮 ：微差壓開(kāi)關(guān)是通過(guò)位移來(lái)測(cè)量壓力的，觸點(diǎn)的通斷由驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)控制，由機(jī)械部件組成 ；擴(kuò)散硅式壓力變送器是通過(guò)電阻值的改變來(lái)測(cè)量壓力的，由硅及膜片構(gòu)成測(cè)量元件，靈敏度高、但膜片易受損 ；電容式差壓變送器是通過(guò)電容的改變來(lái)測(cè)量壓力的，由中心膜片構(gòu)成測(cè)量元件，測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定 [4]。從儀表的特性方面考慮 ：微差壓開(kāi)關(guān)儀表微差壓值可以做到 2.5Pa。擴(kuò)散硅式壓力變送器差壓值不能承受動(dòng)態(tài)過(guò)載壓力，低于 0℃，溫度穩(wěn)定性大幅降低，一般不用于測(cè)量差壓。電容式差壓變送器含有 δ 室，處于密閉結(jié)構(gòu)，耐腐蝕，抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，中心膜片為不銹鋼金屬材質(zhì)，承壓好、不變形。

從儀表的安裝角度考慮 ：開(kāi)關(guān)量?jī)x表中心膜片要求絕對(duì)豎直，現(xiàn)場(chǎng)是垂直安裝，避免因?yàn)橹亓τ绊憸y(cè)量精度。變送器可以側(cè)裝，膜片受重力影響，可以通過(guò)在線遷移調(diào)整“0”位。

 

從工藝要求范圍考慮 ：通風(fēng)系統(tǒng)一般測(cè)量的是電加熱器或風(fēng)機(jī)前后進(jìn)出口的壓力差，監(jiān)測(cè)的差值較小，有的甚至只有 10Pa。如某些通風(fēng)系統(tǒng)的部分微差壓檢測(cè)儀表，差壓值僅 10Pa。部分通風(fēng)系統(tǒng)處于放射性環(huán)境中，要保證接觸元件性質(zhì)穩(wěn)定。微差壓開(kāi)關(guān)可以滿足上述工藝，擴(kuò)散硅式壓力變送器針對(duì)微差壓值較低的量程供貨商難以滿足，電容式差壓變送器微差壓量程范圍可達(dá)到 0Pa ～ 160Pa，精度保證全量程的 0.5%。當(dāng)測(cè)點(diǎn)低至 10Pa 時(shí)，精度達(dá)到10%。

 

電容式差壓變送器分為檢測(cè)環(huán)節(jié)和變送環(huán)節(jié)，檢測(cè)環(huán)節(jié)由被測(cè)壓力的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化 ；變送環(huán)節(jié)則將電容變化量轉(zhuǎn)換成 4mA ～ 20mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行輸出。信號(hào)可以直接被采集進(jìn) DCS 機(jī)柜或者就地箱調(diào)節(jié)器，根據(jù)工藝需求在不同地點(diǎn)進(jìn)行控制、報(bào)警、顯示。差壓變送器信號(hào)框圖如圖 4 所示。

國(guó)內(nèi)供貨商的電容式微差壓變送器具備良好的設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)，部分廠家的常用型號(hào)通過(guò)了抗震及耐輻照鑒定。

 

3 結(jié)論

基于以上分析結(jié)果，Pt100 鉑熱電阻具有精度高、測(cè)量范圍廣、穩(wěn)定性高，且阻值和溫度具有良好的線性關(guān)系，安裝方式?jīng)]有限制等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足核電廠通風(fēng)系統(tǒng)溫度采集的特點(diǎn) ；電容式微差壓變送器具有低測(cè)量值、穩(wěn)定性高、承壓范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足核電廠通風(fēng)系統(tǒng)微差壓采集的多數(shù)需求，但是在差壓值非常低的情況下，電容式微差壓變送器精度降低，不具備明顯優(yōu)勢(shì)。因此，在核電廠通風(fēng)系統(tǒng)儀表優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中，統(tǒng)一考慮采用 Pt100 鉑熱電阻進(jìn)行溫度測(cè)量，考慮差壓值極低時(shí)仍使用微差壓開(kāi)關(guān)或者采集風(fēng)機(jī)狀態(tài)聯(lián)鎖控制差壓表所監(jiān)測(cè)設(shè)備，普通的微差壓值測(cè)點(diǎn)可以采用電容式微差壓變送器進(jìn)行差壓測(cè)量。