重水机组环隙气体系统露点仪标定方法改进及应用

王仕博，陆惠强，左建新，于 超，代济岭，林 熙，江沈伟，卢 辉

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

0 引言

重水机组环隙气体系统露点仪的使用与标定，一直存在一些问题困扰着我们，露点仪使用过程中的漂移问题产生了大量的缺陷。因此，急需加强露点仪的标定来使仪表工作的更稳定、更可靠。该系统的完整性和可运行性，对操纵员及时掌握压力管运行状况提供了一个在线的监测手段。

图1 系统简图Fig.1 System diagram

图2 氧化铝传感器的结构模型和简化电路Fig.2 Structure model and simplified circuit of alumina sensor

环隙气体系统是低压系统，工作压力约为30kPa～45kPa，大部分设备工作温度低于65℃（排管容器以及热交换器前工作温度可达190℃），介质为CO2，系统工艺设备和管道都采用不锈钢材料。系统要求长期连续运行，只有在系统要求检修且在机组停堆时系统才停止运行[2]。

1 湿度仪表及重水机组环隙气体露点仪介绍

湿度对大量的物理、化学、生物过程产生影响，据此，可以利用很多与湿度有关的变化进行湿度的测量。测量湿度的主要方式有下列几种：机械式、干湿球通风式、阻容式（包括电阻式、电容式和阻抗露点型）、冷镜式、氯化锂、电解式（五氧化二磷）等。重水机组使用的露点仪主要有阻抗露点型和冷镜式两类。

环隙气体系统所使用的露点仪是由PANAMETRICS生产的M2系列三氧化二铝露点探头和SERIES5系列露点变送器，用于测量压力管和排管之间的环形气隙内的湿度。其系统简图如图1所示。

2 传感器基本原理和特点介绍

氧化铝传感器是通过电化学方法在金属铝表面形成一层氧化膜，进而在膜上沉淀一薄层金膜。这样，铝基体和金膜便构成了一个电容器。氧化铝传感器的结构模型和简化电路如图2所示。氧化层吸附水汽之后将引起电抗的改变，湿度计的原理就是建立在这一电性质基础之上的[1]。

氧化铝传感器具有体积小、灵敏度高、测量范围宽，通常能耐冷凝等优点，但是也存在高温或高湿下使用时会发生校准漂移（性能改变）。存在漂移和滞后，在很低湿度下稳定可能很慢，且有易被腐蚀性化学物质损坏的缺点。

3 早期露点仪的标定方法及存在的问题

早期露点仪的标定工作是送计量院进行外委标定的，因为计量院只有露点发生器和标准露点测量装置（GE公司生产的M3系列冷镜式露点仪），而没有用于读取MH值的Moisture Image Series 1。所以主要的工作是从现场将SERIES5系列露点变送器和M2系列露点探头拆下，连同连接部件和电源线仪器送计量院进行标定，待标定完成后取回安装回现场。

计量院的标定方法是通过露点发生器与标准露点测量装置，产生一个稳定露点的标准气源，然后将标准气体通过连接管路供给待标定的M2露点探头，同时使用SERIES5露点变送器测量M2探头所测得的信号（MH值），待MH值信号稳定后，记录下相应的标准露点值与对应的MH值，作为一组露点数据。在露点仪使用量程范围内，选取6个不同的点检测出6组数据，再根据这6组露点数据对SERIES5露点变送器内设置的MH值数据进行修改，以得到准备的露点示值，然后再进行一次仪器的检定来确定仪器的准确性。

由于这种方法需要整体拆除现场仪表，造成现场仪表的不可用，而仪表本身受TS限制，从拆除到恢复可用必须控制在7天内，且设备送计量院进行标定，往返路上所需的时间、仪表标定所用时间、因标定时工况与现场工况不一致而导致仪表回装后需要进行二次校准所需时间。由于上述种种条件限制，导致了标定必须在2天内完成，这就使低露点时探头稳定时间不足，造成探头在低露点时的偏差较大。图3为计量院标定的数据单。

4 标定方法的改进

4.1 氧化铝传感器的标定方法

氧化铝传感器根据使用条件，一般6～12个月标定一次，条件恶劣的需提高频度，如环隙气体系统的露点仪需要每3个月标定一次。标定的目的是为了重新确定传感器的校正曲线，一般校正曲线由14组MH值对露点值确定，请参见图4原PANAMETRICS传感器出厂的标定单数据。

图3 计量院标定的数据单Fig.3 Data sheet calibrated by metrology Institute

图4 原PANAMETRICS传感器出厂的标定单数据Fig.4 Calibration sheet data of original PANAMETRICS sensor

4.2 国外同类露点仪的标定方法

根据国外电站的资料，其标定装置主要有：露点发生仪（PANAMETRICS生产的MG101）、标准露点测量仪器（GE的M3）和标准MH值测量仪器（G PANAMETRICS生产的Moisture Image Series 1）。

标定一般过程如下：通过标定装置，测出几组传感器的MH值和对应露点值过氧化铝传感器的特性公式：MH(T)=a×EXP(b×T)+c（PANAMETRICS公司提供有软件计算出常数a、b、c）[3]，再通过公式计算出在-110℃～20℃上整数读数对应的MH值，这些值便组成传感器新的校正曲线。

4.3 露点仪标定方法的改进

考虑重水机组环隙气体露点仪的限制和标定方法存在的缺点后，对标定的方法进行了一次改进，有针对性地解决了拆除仪表以及外围送检的问题。

首先，针对拆除仪表进行标定需较长时间进TS限制的问题，采取先对探头备件进行标定，等标定完合格的探头备件后，再对现场探头进行更换。这样只需要进行一次“在线二次校准”即可使仪表恢复正常，大大缩短进入TS限制的时间。

图5 传感器新的校正曲线Fig.5 New calibration curve of sensor

其次，参考其它电站的方法，在厂内组建了一套相对简易的标定装置，使用SPMO移交的一台MG101加标准氮气瓶作为标准露点气源，使用Moisture Image Series 1来读取MH值，使用便携式露点仪来读取标准露点值。在仪表的使用量程选取6～8个点来采集对应的标准露点的MH值数据，再通过PANAMETRICS公司的标定程序计算出完整的探头标定数据。这样使用时只需要更换探头，将标定数据录入到现场的SERIES5露点变送器内，再进行一次在线二次校准，就可以使仪表正常使用了。

尽管改进后的方法缩短了进TS限制的时间，但仍然不可避免需要进TS这一现状。为了更好地解决这一问题，考虑了常规仪表在线标定的方法，即现场隔离仪表进行标定，标定完成后立即恢复使用。但是，考虑露点仪标定过程的特殊情况，这样的方法不可能完全套用（常规仪表标定过程只需极短的时间就能完成，而露点仪的标定过程需要2～3天，甚至更久）。那么，是否可以在不影响现场仪表的正常使用下来完成对仪表的标定工作呢？从露点仪标定过程来分析这个问题，发现在理论上是可以满足露点仪的标定条件的：首先，是标准气。系统露点是在不停地发生变化的，在一个扫气周期内，露点从扫气结束后逐渐上升到满足再次扫气的条件，其变化范围几乎覆盖了仪表的全使用量程。解决了标准气问题，接下来就是标准露点的读取，可以使用便携式露点仪对系统露点进行在线取样来得到。此外，还有对MH值的读取，可以从现场的SERIES5露点变送器上完成而不影响仪表的正常使用。这样，数据采集的条件就完全满足了。另外，如果可以实现在线标定，还有一个好处就是解决了标定工况和现场工况的偏差问题，在完成标定后仪表将不再需要进行二次校准。

那么，在线标定方法是否真的可行呢？对此进行了一项长期的试验，在露点仪正常使用期间，通过定期取样的方式，使用便携式露点仪对现场系统露点进行取样得到标准露点值，并在SERIES5露点变送器上读取到取样当时的露点示值与MH值，并将这些数据进行记录保存。在每次定期维护时，从这些记录中选取几组具有代表性的数据，根据探头标定数据处理的方法进行计算处理并得出探头的标定数据，与定期维护标定时的标定数据进行比较。经过反复比较发现，取样时间越久远的数据存在的偏差越大，反之，取样时间越近的数据存在的偏差越小，一般两周内的采样数据基本没有偏差或偏差极小。这样的试验结果表明，只需在两周内采集足够标定所需的数据进行标定处理，就能完成一次露点探头的标定，而且，环隙气体系统的扫气周期基本都在7～10天左右，正好满足了两周内完成数据采集的时间要求，也既是说在线标定环隙气体系统露点仪的方法试验成功了。

5 结束语

经过长期的实践证明，在线标定环隙气体系统露点仪的方法有效地提高了环隙气体系统露点仪的稳定性和可靠性，有效地控制了故障的发生，降低了缺陷量，2014年至今没有发生环隙气体系统露点仪的缺陷。