吹气式测量装置在放射性废液接收贮存系统中的应用

周春燕，杨兰菊，许 杰，冉洺东，白 泽，刘辰龙

（中国核动力研究设计院 第一研究所，成都 610000）

0 引言

废液接收贮存系统用于分类接收核设施运行、检修、退役产生的各类放射性废液，包括中低放废液、事故应急废液、化学废液、去污废液等，也是进行放射性废液处理的第一道屏障。系统的合理设计和稳定运行，关系到废物

处理中心的设备、运行人员、周边环境的安全。系统安全运行的关键在于可靠、稳定的测量贮槽的液位，而放射性废液的参数测量属于特殊工况下的参数监测。因此，在系统测量仪表的设计选型中，既要考虑项目的安装调试环境，还要考虑后期仪表的检修和维护工作量以及人员的辐射防护安全。

图1 吹气式测量装置工作原理Fig.1 The working principle of blowing type measuring device

吹气式测量装置是一种非接触式液位计，特别适用于强腐蚀、高粘度、易结晶、放射性等特殊工况下的液体液位、界面测量[1]。除此之外，吹气式测量装置还可以对液体密度进行测量，达到一举多得的效果。虽然现有的非接触式雷达、超声波测量仪表有较高的精确度，但是在很多特殊工况下，现场的安装条件很难满足雷达、超声波等仪表的安装，大大影响了仪表的测量准确性。相比之下，吹气式测量装置可以取得很好的应用效果。

综上所述，本文从放射性废液接收贮存系统特殊性和现场安装条件出发，结合非接触式液位测量的特点和优势，采用吹气式测量装置来测量贮槽的液位和密度，并提出可靠的现场安装方案。最后，总结分析了应用调试中遇见的现象和问题。

1 应用场景

根据GB18871-2002《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》中对辐射工作场所分区的要求[2]，将放射性废液接收贮存系统厂区分为控制区和监督区，并考虑潜在事故发生后辐射水平的上升，将放射性控制区又划为3种区域，即控制Ⅰ区、控制Ⅱ区和控制Ⅲ区。废液接收贮槽主要布置在厂区一层的控制Ⅱ区和控制Ⅲ区，贮槽高度在6 m左右。连续液位测量仪表一般安装在贮槽顶部或贮槽的侧面，若将仪表直接安装在贮槽上，仪表检修需要从贮槽房间的底部通过扶梯到达设备顶部或是从二层平面的检修孔到达废液贮槽顶部，调试和运行都极其不方便。

因此，对控制Ⅱ区和控制Ⅲ区的贮槽液位监测仪表应尽量安装在监督区和控制Ⅰ区，减少后期维护的工作量的同时，减少运行维护人员辐射危害。目前，对放射性废液的连续液位监测应用较为广泛的仪表类型包括吹气液位计、静压液位计[3]、导波雷达液位计[4]、磁浮筒液位计[5]等。项目选择吹气式测量装置有以下几点优势[6-8]：

1）吹气液位装置除吹气管外，仪表和传感器部分无需与被测介质接触。仪表部分可根据需要安装在非放区，维护时不会对维护人员造成辐射危害。除吹气管需要定期吹洗保持通畅以外，无需其他额外检修维护工作。静压液位计、磁浮筒液位计需要将传感器部分直接投入到放射性废液中，一旦传感器部分异常或损坏，检修非常困难。

2）非接触式导波雷达液位计虽然精度较高，但废液贮槽较高，所需较长导波管，运输和安装条件受限，往往需要后期人工焊接，而焊接头在工程中很难保证内壁光滑和导管严格垂直，将会大大影响测量精度。

3）超声波液位计等非接触式仪表自身受安装短管长度要求，不能穿出设备间远距离安装，只能安装在设备间槽罐顶部，不利于仪表调试和维护。

因此，采用吹气式液位测量最适合现场工况的测量和安装。吹气法结果简单、安装方便、价格低廉、维护方便。

2 吹气式测量装置工作原理

吹气式测量装置工作原理如图1所示。从气源引入的气流经过滤减压组件，过滤掉气流中的杂质并减压到一定值；再经过转子流量计和稳压组件、截止阀到达到测量吹气管正腔和负腔、密度腔。稳压器的主要作用是稳住流量计两端压力，将气流压力稳定在稍高于被测介质压力附近，使气流刚好能够缓慢均匀的冒出气管，测得几乎接近介质深h处的介质压力的气流压力。正、负腔气流压力经三阀组接入差压变送器，通过差压变送器将正负腔压差转换成4mA～20mA的模拟信号送到控制中心，也可通过变送器表头直接显示。同理，通过正腔、密度腔的气压差可以测得介质密度，假设正、负腔到差压变送器的气压损耗相等且忽略不计，那么液位计算公式如下：

其中，P正为正腔压力，P负为负腔压力，ρ为被测介质密度（已知），g为重力系数（已知），h为液位高度。

同理，可以测得密度腔的压力，那么密度计算公式如下：

其中，P正为正腔压力，P密为密度腔压力，ρ为被测介质密度，g为重力系数，H为安装固定高度（已知）。

3 吹气式测量装置组成及安装

吹气式测量装置主要是由压空管气源、吹气装置、差压变送器和管线组成。吹气装置集成了气源接口、变送器接口、吹气管接口、过滤减压组件、浮子流量计，大大简化现场安装工序。气源经吹气装置处理后，输出的气流压力能够自动跟随吹气管出口压力的变化而变化，并保持输出气体流量稳定。

图2 吹气式测量装置现场安装图Fig.2 The installation diagram of blowing type measuring device

现场安装图如图2所示。贮槽布置在一层放射性区域，正常运行情况下为常温、常压、密封。贮槽最高液位6m，废液密度取1100Kg/m3，那么在废液最高液位测得压力为：

那么，选择吹气装置和差压变送器测量范围为0kPa～65kPa。吹气装置和差压变送器根据放射性隔离需要，布置在贮槽区对应的二层监督区墙面，只需选用普通压力变送器而不需要耐腐蚀耐辐照材质变送器。既能满足放射性隔离要求，又方便调试检修。吹气管经预埋管穿楼板进入放射性贮槽区，与贮槽设备上预留的引压管焊接而成。选用的吹气装置吹气管长度可达30m。现场具体安装时应注意以下几点：

1）吹气式测量装置安装的高度不得低于被测液位最大液位高度，以防发生废液倒灌堵塞吹气管。

2）吹气装置必须垂直安装，以保证浮子流量计垂直，即浮子流量计的玻璃管不允许有明显倾斜。

3）吹气管正腔、负腔不得反接。吹气管长度应不超过允许的最大长度，水平部分应有一定坡度。正腔吹气管底部应留有0.1m～0.2m的测量盲区，有利于气泡溢出，同时防止贮槽底部沉降杂质堵塞吹气管。

4）吹气装置安装完毕后，应进行现场检漏，以确保各接口的密封性，否则将影响测量准确性。

4 调试及总结

安装完毕后进行装置调试。首先，将差压变送器与引压管断开放空，以免压力突增损坏差压变送器。在正腔、负腔通大气的情况下，打开气源进气阀、过滤减压组件，将减压阀输出压力调至所需值。调节完毕后，调节浮子流量计，将浮子均匀调节至2/3处的流量大小（也可根据实际工况需要调至合适的吹气流量）。待吹气管稳定地吹出气泡后，吹气装置即可投入运行。吹气装置调试完毕后，将差压变送器恢复原样。差压变送器调零即可。

现场调试运行后，影响测量准确度的主要是以下几点问题：

1）气源压力波动，导致吹气管流量不稳定。主要是因为调试期间气源管少许泄漏造成，检查紧固后该问题消失。

2）正腔、负腔流量不一致，导致测量存在误差。正腔、负腔吹气管反接，导致测量液位为负值。

3）接头漏气，导致测量液位比实际液位偏低。由于从气源到吹气管接头较多，在安装调试时应逐一检查各接头是否密封。

4）高液位时，出现测量液位值不变。原因是调试液位过高，水位超出测量范围将负腔淹没，导致正腔、负腔压差不变。

5 结论

吹气式测量装置属于非接触式测量仪表，除吹气管需要和放射性废液接触以外，其余吹气装置和变送器可按隔离或现场安装条件选择合适的位置，且现有集成式吹气装置大大简化安装工序。除具有连续液位监测功能外，如需增加密度测量功能，只需增加一根吹气管和一台差压变送器。

总之，吹气式测量装置使用寿命长、故障率低，运行维护工作简单，依靠稳流控制器使吹气流量稳定，测量精度高。但该装置对气源质量要求高，对管路密封性和通畅性要求严格，管路漏气或堵塞时产生虚假信号。