放射性废树脂液位/界面在线测量技术的研究及应用

杨兰菊 李振臣 周春燕

（中国核动力研究设计院第一研究所）

放射性废树脂是一种固体核废料，必须和水混合才能输送，并和水一起储存在废树脂槽中等待后续处理。 在废树脂的储存和处理过程中，对树脂料位进行准确测量是非常必要的。 但因树脂属于固-液混合物，且具有放射性，故不宜采用常规方法进行测量［1］。另外，废树脂在下料时会形成凹凸不平的表面， 和水会形成分界面和悬浮面，造成树脂和水之间的界面不清晰。 目前，市场上没有专门的仪表用于测量树脂和水的分界面。 因此，在实际工程中，废树脂界面测量一直是一个难点。 以往工程上为了测量废树脂和水的分界面，采用了很多测量仪表，如雷达液位计、激光液位计等，但经过试验证明，这些仪表只能测量一个介质的界面，而无法真正识别出液面和树脂界面。 同时，也改进了很多测量装置，但改进后的装置仍具有一些固有缺陷，且故障率高，无法达到工艺测量要求。

工程上常采用带两个浮球的磁致伸缩液位计来测量废树脂和水的液面及分界面。 但废树脂下料时经常会掩埋测量界面的浮球，导致此浮球浮不起来，无法测量。 后经过改进［2］，虽然解决了界面浮球被树脂掩埋的问题，但时常发生钢缆缠绕问题，且不能实现液位的连续测量。 而且在废树脂下料阶段， 水量和废树脂量都处于未知状态，很容易造成水位超出工艺安全限值，引起设备安全问题。 为解决上述问题，笔者提出一种液位和树脂界面分开式的测量方法，设计一种新型在线远程测量系统，对树脂界面测量装置经过多次改进并进行试验验证，以便后续应用于实际工程中。

1 新型测量技术

1.1 液位测量

磁致伸缩液位计主要由探测杆、电路单元和浮子3 部分组成， 具有高精度和免维修两大优势。 由于磁致伸缩液位计电子元件密封在不锈钢管体内，不受辐射的影响，因此是目前液位测量领域最为精确，便于安装、维护，性能稳定、可靠的成熟产品［3，4］。故笔者选择磁致伸缩液位计用于液位测量。 浮子装在探测杆上，内装有一组永磁铁，该磁铁可以沿着探测杆随液位的变化而上下移动［5］。由于测量介质特殊，是废液和废树脂的液固混合物，若选型不当，会导致测量浮球被树脂颗粒卡住，无法实现测量功能。 因此在选择测量浮球时需要考虑两大因素，一是比重，二是浮球内径与探测杆的空隙间距。 综合考虑后，测量浮球比重选为0.63～0.75， 以保证浮球始终浮在水面；浮球内径与探测杆的空隙间距按实际情况选取，需保证废树脂颗粒可自动滑落，使浮球始终能随液位在探测杆上自由移动，不会被树脂颗粒卡住和掩埋。

1.2 界面测量

界面测量装置不仅能实时测量废树脂和水的分界面，而且在废树脂下料过程中，为防止测量传感器被树脂掩埋，界面测量装置设计为一体化在线装置，具有实时测量、自动提升/下降、智能显示及信号远传等功能。 界面测量装置主要由重量传感器、钢丝绳、微动装置、显示及控制装置等组成。 探测过程是：界面测量装置发出启动测量信号，给出电动机正转信号，在原点处开始放绳，当重量传感器降至废树脂界面时被树脂托起而失重，钢丝绳松弛，测量装置得到该信号立即发出电机反转命令， 重量传感器自动上升返回，直到重量传感器上升到接近原点处， 电机停转，重量传感器回到废树脂槽顶原点位置，完成一次探测过程。 由于该装置配备了双重光感系统，因此智能电机传动系统可以确保在重量传感器接触介质表面的瞬间停止下降， 无需额外的刹车装置，而后改变电机的转动方向并将料位信号变送输出。

重量传感器是界面测量装置的核心和设计难点，如果传感器重量较重，则测量时无法停留在树脂界面上，会一直下降到树脂下部，导致整个重量传感器掩埋在树脂中； 如果重量过轻，会造成传感器重量与钢缆速度不匹配，造成钢缆无法自动提升/下降。 因此，需要综合考虑重量传感器的外形尺寸、材料和重量，通过改变与树脂接触的面积，保持重量传感器重量与钢缆速度相匹配，树脂界面计才能准确测量废树脂和水的分界面。 经过多次改进测试，最终确定传感器由圆柱形外壳和设置在外壳内的配重块构成。 传感器以最佳方式匹配钢缆3 m/s 的下降速度， 且正好停留在分层面上钢缆自动返回，精确实现了废树脂和水的界面测量。 为方便运行人员操作，界面信号可引至PLC 系统远程操作界面测量装置的测量模式，并进行远程显示和报警。

可在PLC 系统上远程启动和停止树脂界面计，并根据操作要求设置测量周期，在周期内，启动树脂界面计电机后，树脂界面计就会不停地自动测量，周期一到，树脂界面计自动停止测量。 若不设置测量周期，则树脂界面计启动后只测量一次，并保存和显示此次的测量结果，若需再次测量，可再启动树脂界面计。

为了最大限度地保证人员和设备的安全，界面测量装置增加了软件保护程序，一旦产生埋锤现象，装置有3 次试提程序，以避免强行提绳引起的断缆现象。 界面测量装置不需要通过加装另外的气缸装置或电动装置进行非标设备改造，极大地减少了设备成本，避免了非标设备的加工制造，解决了实际工程测量问题。

2 试验及结果分析

2.1 试验

为了验证液位和界面测量技术的可行性，建立与实际工况相似的模拟试验台架装置对液位和界面进行测试。 试验设备由液位和界面测量装置、门形试验台架和柱形容器组成。 试验对象为新树脂颗粒和水。 液位和界面在线测量方案如图1 所示。

图1 液位和界面在线测量方案

为防止界面测量装置的重量传感器在较长的仪表短管内晃荡，影响测量，专门设计一套固定限位辅助装置。 该限位装置由辅助保护管和限位套组成，辅助保护管末端装有限位套，在提升过程中， 重量传感器只停在废树脂储槽的顶部，有效减少重量传感器与套管的碰撞，保证界面的精确测量。

试验中液位测量装置的浮球的比重比水轻，且浮球内径大小适合树脂颗粒的自由流动，因此该浮球始终浮于水面，保持精确的液位测量。 启动界面测量装置，重量传感器通过钢缆进入柱形容器内对树脂界面进行探测，每次测量时重量传感器从起始位置开始下降，碰到树脂的悬浮分界面立即返回等待下一次测量。

2.2 结果分析

从表1 的试验数据可以得出，液位测量精度较高、误差小且重复性好，而且在树脂下料过程中，磁致伸缩液位计的浮球始终浮在水面，浮球不会被树脂卡住或掩埋。

表1 液位测量数据 mm

废树脂和水混合进入废树脂储槽时，由于废树脂密度比水的密度稍大， 因此它们很快会分层，若分层的时间过短，树脂上层界面比较疏松，与水形成悬浮面，当界面测量装置的重量传感器接触到树脂悬浮面时，会因为自身速度和重量不会立即停止在悬浮面上， 还会往下沉降一些，经过多次重复性试验，改进后的重量传感器完全能自动停留在废树脂与水的悬浮面上。

从表2 数据可以看出，树脂界面计测量是可行的，测量数据精确、重复性好且与实际值误差小，完全满足工程测量需求。

表2 改进后废树脂界面计测量数据

3 结束语

放射性废树脂液位及界面分开在线测量技术，参数独立采集，信号互不影响。 通过选取合适的浮球比重、 浮球内径与探测杆的空隙间距，实现了液位的有效实时在线监测，避免液位超过工艺安全限值，从而保证了设备的安全性。 通过多次从外形尺寸、材料和重量方面对重量传感器进行改进，界面测量装置具有实时测量、周期测量、自动提升/下降、 信号就地显示及远程操作等功能。 试验结果表明，放射性废树脂液位测量效果好，精度高；界面测量装置能准确测量废树脂和水的分界面，重复性好，且提升机构运行顺畅，避免出现被树脂掩埋的现象。