压力式液位计的原理和异常分析

姬良效 高维伦

（秦山核电运行四处，浙江 嘉兴 314300）

0 引言

电厂运行过程中有大量的系统需要监测液位的变化。在液位测量中主要使用的液位计类型包括传统可视液位计、磁翻板式液位计、浮球式液位计、压力式液位计、超声波式液位计等。在以上几种液位计类型中，压力型液位计，由于其压力信号测量方便，设备简单，在核电厂内广泛应用。本文主要讨论的是压力型液位计在电厂内的具体应用和在实际运行过程中发生过的异常事件，对其进行了分析并提出了优化的建议。

1 压力式液位计工作原理

1.1 静力学基本方程式

设：敞口容器内盛有密度为ρ的静止流体，取任意一个垂直流体液柱，上下底面积均为Am2，作用在上、下端面上，并指向此两端面的压力分别为：该液柱在垂直方向上受到的作用力有P1、P2，

上式均称为流体静力学基本方程式，它表明了静止流体内部压力变化的规律，即静止流体内部某一点的压强等于作用在其上方的压强加上液柱的重力压强,测得系统内部压强，可以计算系统内液柱高度。

1.2 差压式液位计工作原理

差压式液位计应用差压计或差压变送器来测量变送器液位，是目前应用的最广泛的一种液位测量仪表。差压式液位计是利用容器内液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理工作的。差压式液位计一端接液相，另一端接气相时，根据流体静力学基本方程，变送器正室受到的压力为

式中：H为液位高度；ρ为介质密度；g为重力加速度；P气为气相压力。

通常，被测介质的密度是已知的，因此测得差压值就能知道液位高度。

若被测容器是敞口，气相压力为大气压力，则差压变送器的负压室通大气就可以了，这时也可以利用压力变送器或压力计来直接测量液位的高低。

2 压力式液位计异常分析

2.1 REA水箱浮顶工作导致液位上涨

REA系统设计两个补给水箱，REA001/002BA来贮存除氧水，供两套机组共同使用。为防止水箱内的水复氧，两个水箱顶盖均采用浮顶结构和橡胶隔膜密封，两个水箱均配有监测液位和温度的测量仪表。

以REA001BA为例水箱设置有液位相关仪表如下：109MN：测量水箱液位，压力式液位计。101SN：测量浮顶液位，并且确保8TEP012/013PO停运。103SN：水罐高液位时停运8TEP012/013PO。105SN：水罐容积达到80m3时在4号机组报警。107SN：水罐容积达到80m3时在3号机组报警。109SN：在机组控制盘上实现以下报警（并送往KIT）

——20m3容积，低低液位，泵有气蚀风险。

——127m3容积（107m3有效容积）警告已经接近冷停堆要求的容积限值。

——180m3容积（160m3有效容积）两个机组投运时冷停堆要求的限值。

——高液位报警信号。

压力式液位计的测量原理依据静力学基本方程：h=（P2-P0）/ρg

通过测量系统内部某点压力，在已知水箱背压保持不变的情况下，可以换算出水箱液位数据。

在某电站运行过程中发生过REA水箱液位异常上涨的事件：某日主控操作员查看数据,发现正处于供水的8REA002BA液位异常上涨，由8.68m（实际初始液位）开始持续上涨。主控操作员查看计划，发现有两项工作正在开工，分别是8REA002BA浮顶加100kg配重，补给水箱增加背压水，立刻联系现场工作负责人，中止其工作。此时液位计已经涨到9.03m（与实际液位偏差35cm），后稳定。

在该次事件中，由于浮顶加水、加配重后，导致水罐表面背压增加，P2=P0+ρgh增加，导致液位计MN测量的液位增加，但水容积没变。经验教训：对于涉及影响系统背压的工作，要在工作编制校核审批的过程中识别出来，升级完善规程和操作票，明确工作存在的风险，在已经产生后果的情况下，要能及时定位到影响系统状态的工作内容，及时干预。

2.2 入口压力表事故下监测乏燃料液位失真

某电厂未设计地震，乏燃料液位异常下降后造成的超设计基准事故工况下的检测功能。根据福岛核事故经验反馈，上述事故工况下监测乏燃料水池的液位，对事故的处理有很大帮助。因此，电厂通过技改，PTR001PO入口压力表换为双刻度仪表，通过静压转换，技改后的PTR029LP既可以显示压力，也可以显示水位，用于事故下监测乏燃料水池液位。

在PTR001PO运行时，由于流体产生压力，会导致测量不准，在PTR泵运行时，乏燃料水池19.38m对应029LP读数约19m。事故状态下需要注意的事项：以上压力与液位的转换，通过静压转换而来，电站正常运行过程中乏燃料水池房间通风系统维持负压，029LP的液位读数是在房间负压固定的前提下得出的，根据静力学基本方程h=（P2-P0）/ρg可知，乏燃料水池房间压力P0改变，029LP标定的读数也不再准确。如果事故状态下K厂房通风出现问题，乏燃料水池房间无法维持负压或负压产生变化，就地PTR029LP的读数将不再准确，据此判断乏燃料水池液位将对运行人员判断产生误导。事故状态下监测乏燃料水池液位一定要结合乏燃料水池房间当时的真实压力情况。

2.3 低压加热器液位计管线蒸汽冷凝

低压加热器，通过加热循环水，提高循环热效率。每台低压加热器装有就地翻板式液位计和差压式液位计对低压加热器液位进行测量，此外还配有液位开关对低压加热器水位进行控制。

表1 压力与液位对应值

低压加热器正常疏水通过逐级自流方式，依次通过各低压加热器流向凝汽器，紧急疏水通过紧急疏水阀排向凝汽器，正常疏水阀和紧急疏水阀由DCS进行控制，当低压加热器水位达到限值后，液位开关动作，迅速打开紧急疏水阀，进行排水。

2.4 低压加热器液位计和液位开关

每个低压加热器有四个液位开关以实现以下功能：（1）低压加热器高、低水位报警。（2）高高水位时迅速打开紧急疏水阀。（3）高高高水位时隔离受影响的加热器。（4）低压加热器重新投入以前，证实水位已恢复正常。因此低压加热器液位计和液位开关的准确测量和正常工作对低压加热器的状态监测和保护动作起到至关重要的作用。

2.5 低压加热器液位计管线蒸汽冷凝问题分析

2016年3月，某电厂低压加热器4ABP101RE液位突然上涨，触发3高信号，导致一号低压加热器解列，液位恢复正常后，重新投运。后现场对比2A/3A低压加热器检查发现1A低压加热器液位计管线未装保温层，随后紧急对1A低压加热器保温层进行恢复。

4月，现场人员发现4ABP101RE就地液位计101LN显示1 000mm，检查确认为真实液位，根据检修方案，强制4ABP110/101SN为0，避免101RE解列，采用加热方式对MN/SN液位计上部管线内的冷凝水蒸发掉后，101/102/103MN快速上涨至满量程，手动干预将液位排至650mm后，解除强制。

当液位计上部管线积水后，导致液位计无法获得低压加热器气相空间的准确压力，差压式液位计和液位开关功能失效。

造成液位计管线上部积水的原因可能有以下几个：（1）管线缺乏保温或保温失效，导致在管线温度低处，蒸汽冷凝。（2）管线较长，水平管段容易积水，越积越多。（3）管线布置不合理，管线上接口布置在低加最高处，蒸汽受热会向上流动，热蒸汽会沿着管线不断流动，加大了蒸汽在管线内冷凝的可能性。

为了防止液位计管线积水，可以采取以下几个措施：（1）保证液位计管线的保温层完整有效。（2）现场加强巡检观察液位变化趋势，发现异常，及时采用加热方式消除管线上部冷凝液柱。（3）更改液位计上部管线布置方式，将上部管线接口移位到低压加热器上部侧面。

3 结语

压力型液位计，由于其压力信号测量方便，设备简单，在电厂内应用广泛。

（1）对于静压式液位计，系统背压改变将影响测量结果的准确性。（2）对于差压式液位计，工作环境和现场布置会影响液位计能否测量到真实的压力数据，进一步影响对液位测量的准确性。

通过分析此前电厂运行中出现的种种异常，了解压力式液位计的原理和特点，以及运行过程中可能存在的问题。通过技术改造完善系统设计，优化操纵规程，以及在操作中加强监督来避免。前车之鉴值得反思。只有充分认识并理解压力型液位计之后，才能够避免重复同样的错误。