王仕博，陸惠強(qiáng)，左建新，于 超，代濟(jì)嶺，林 熙，江沈偉，盧 輝

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

重水機(jī)組環(huán)隙氣體系統(tǒng)露點(diǎn)儀的使用與標(biāo)定，一直存在一些問題困擾著我們，露點(diǎn)儀使用過程中的漂移問題產(chǎn)生了大量的缺陷。因此，急需加強(qiáng)露點(diǎn)儀的標(biāo)定來使儀表工作的更穩(wěn)定、更可靠。該系統(tǒng)的完整性和可運(yùn)行性，對(duì)操縱員及時(shí)掌握壓力管運(yùn)行狀況提供了一個(gè)在線的監(jiān)測(cè)手段。

圖1 系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 System diagram

圖2 氧化鋁傳感器的結(jié)構(gòu)模型和簡(jiǎn)化電路Fig.2 Structure model and simplified circuit of alumina sensor

環(huán)隙氣體系統(tǒng)是低壓系統(tǒng)，工作壓力約為30kPa～45kPa，大部分設(shè)備工作溫度低于65℃（排管容器以及熱交換器前工作溫度可達(dá)190℃），介質(zhì)為CO2，系統(tǒng)工藝設(shè)備和管道都采用不銹鋼材料。系統(tǒng)要求長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，只有在系統(tǒng)要求檢修且在機(jī)組停堆時(shí)系統(tǒng)才停止運(yùn)行[2]。

1 濕度儀表及重水機(jī)組環(huán)隙氣體露點(diǎn)儀介紹

濕度對(duì)大量的物理、化學(xué)、生物過程產(chǎn)生影響，據(jù)此，可以利用很多與濕度有關(guān)的變化進(jìn)行濕度的測(cè)量。測(cè)量濕度的主要方式有下列幾種：機(jī)械式、干濕球通風(fēng)式、阻容式（包括電阻式、電容式和阻抗露點(diǎn)型）、冷鏡式、氯化鋰、電解式（五氧化二磷）等。重水機(jī)組使用的露點(diǎn)儀主要有阻抗露點(diǎn)型和冷鏡式兩類。

環(huán)隙氣體系統(tǒng)所使用的露點(diǎn)儀是由PANAMETRICS生產(chǎn)的M2系列三氧化二鋁露點(diǎn)探頭和SERIES5系列露點(diǎn)變送器，用于測(cè)量壓力管和排管之間的環(huán)形氣隙內(nèi)的濕度。其系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

2 傳感器基本原理和特點(diǎn)介紹

氧化鋁傳感器是通過電化學(xué)方法在金屬鋁表面形成一層氧化膜，進(jìn)而在膜上沉淀一薄層金膜。這樣，鋁基體和金膜便構(gòu)成了一個(gè)電容器。氧化鋁傳感器的結(jié)構(gòu)模型和簡(jiǎn)化電路如圖2所示。氧化層吸附水汽之后將引起電抗的改變，濕度計(jì)的原理就是建立在這一電性質(zhì)基礎(chǔ)之上的[1]。

氧化鋁傳感器具有體積小、靈敏度高、測(cè)量范圍寬，通常能耐冷凝等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在高溫或高濕下使用時(shí)會(huì)發(fā)生校準(zhǔn)漂移（性能改變）。存在漂移和滯后，在很低濕度下穩(wěn)定可能很慢，且有易被腐蝕性化學(xué)物質(zhì)損壞的缺點(diǎn)。

3 早期露點(diǎn)儀的標(biāo)定方法及存在的問題

早期露點(diǎn)儀的標(biāo)定工作是送計(jì)量院進(jìn)行外委標(biāo)定的，因?yàn)橛?jì)量院只有露點(diǎn)發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)測(cè)量裝置（GE公司生產(chǎn)的M3系列冷鏡式露點(diǎn)儀），而沒有用于讀取MH值的Moisture Image Series 1。所以主要的工作是從現(xiàn)場(chǎng)將SERIES5系列露點(diǎn)變送器和M2系列露點(diǎn)探頭拆下，連同連接部件和電源線儀器送計(jì)量院進(jìn)行標(biāo)定，待標(biāo)定完成后取回安裝回現(xiàn)場(chǎng)。

計(jì)量院的標(biāo)定方法是通過露點(diǎn)發(fā)生器與標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)測(cè)量裝置，產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定露點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)氣源，然后將標(biāo)準(zhǔn)氣體通過連接管路供給待標(biāo)定的M2露點(diǎn)探頭，同時(shí)使用SERIES5露點(diǎn)變送器測(cè)量M2探頭所測(cè)得的信號(hào)（MH值），待MH值信號(hào)穩(wěn)定后，記錄下相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)值與對(duì)應(yīng)的MH值，作為一組露點(diǎn)數(shù)據(jù)。在露點(diǎn)儀使用量程范圍內(nèi)，選取6個(gè)不同的點(diǎn)檢測(cè)出6組數(shù)據(jù)，再根據(jù)這6組露點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)SERIES5露點(diǎn)變送器內(nèi)設(shè)置的MH值數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，以得到準(zhǔn)備的露點(diǎn)示值，然后再進(jìn)行一次儀器的檢定來確定儀器的準(zhǔn)確性。

由于這種方法需要整體拆除現(xiàn)場(chǎng)儀表，造成現(xiàn)場(chǎng)儀表的不可用，而儀表本身受TS限制，從拆除到恢復(fù)可用必須控制在7天內(nèi)，且設(shè)備送計(jì)量院進(jìn)行標(biāo)定，往返路上所需的時(shí)間、儀表標(biāo)定所用時(shí)間、因標(biāo)定時(shí)工況與現(xiàn)場(chǎng)工況不一致而導(dǎo)致儀表回裝后需要進(jìn)行二次校準(zhǔn)所需時(shí)間。由于上述種種條件限制，導(dǎo)致了標(biāo)定必須在2天內(nèi)完成，這就使低露點(diǎn)時(shí)探頭穩(wěn)定時(shí)間不足，造成探頭在低露點(diǎn)時(shí)的偏差較大。圖3為計(jì)量院標(biāo)定的數(shù)據(jù)單。

4 標(biāo)定方法的改進(jìn)

4.1 氧化鋁傳感器的標(biāo)定方法

氧化鋁傳感器根據(jù)使用條件，一般6～12個(gè)月標(biāo)定一次，條件惡劣的需提高頻度，如環(huán)隙氣體系統(tǒng)的露點(diǎn)儀需要每3個(gè)月標(biāo)定一次。標(biāo)定的目的是為了重新確定傳感器的校正曲線，一般校正曲線由14組MH值對(duì)露點(diǎn)值確定，請(qǐng)參見圖4原PANAMETRICS傳感器出廠的標(biāo)定單數(shù)據(jù)。

圖3 計(jì)量院標(biāo)定的數(shù)據(jù)單Fig.3 Data sheet calibrated by metrology Institute

圖4 原PANAMETRICS傳感器出廠的標(biāo)定單數(shù)據(jù)Fig.4 Calibration sheet data of original PANAMETRICS sensor

4.2 國(guó)外同類露點(diǎn)儀的標(biāo)定方法

根據(jù)國(guó)外電站的資料，其標(biāo)定裝置主要有：露點(diǎn)發(fā)生儀（PANAMETRICS生產(chǎn)的MG101）、標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)測(cè)量?jī)x器（GE的M3）和標(biāo)準(zhǔn)MH值測(cè)量?jī)x器（G PANAMETRICS生產(chǎn)的Moisture Image Series 1）。

標(biāo)定一般過程如下：通過標(biāo)定裝置，測(cè)出幾組傳感器的MH值和對(duì)應(yīng)露點(diǎn)值過氧化鋁傳感器的特性公式：MH(T)=a×EXP(b×T)+c（PANAMETRICS公司提供有軟件計(jì)算出常數(shù)a、b、c）[3]，再通過公式計(jì)算出在-110℃～20℃上整數(shù)讀數(shù)對(duì)應(yīng)的MH值，這些值便組成傳感器新的校正曲線。

4.3 露點(diǎn)儀標(biāo)定方法的改進(jìn)

考慮重水機(jī)組環(huán)隙氣體露點(diǎn)儀的限制和標(biāo)定方法存在的缺點(diǎn)后，對(duì)標(biāo)定的方法進(jìn)行了一次改進(jìn)，有針對(duì)性地解決了拆除儀表以及外圍送檢的問題。

首先，針對(duì)拆除儀表進(jìn)行標(biāo)定需較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)TS限制的問題，采取先對(duì)探頭備件進(jìn)行標(biāo)定，等標(biāo)定完合格的探頭備件后，再對(duì)現(xiàn)場(chǎng)探頭進(jìn)行更換。這樣只需要進(jìn)行一次“在線二次校準(zhǔn)”即可使儀表恢復(fù)正常，大大縮短進(jìn)入TS限制的時(shí)間。

圖5 傳感器新的校正曲線Fig.5 New calibration curve of sensor

其次，參考其它電站的方法，在廠內(nèi)組建了一套相對(duì)簡(jiǎn)易的標(biāo)定裝置，使用SPMO移交的一臺(tái)MG101加標(biāo)準(zhǔn)氮?dú)馄孔鳛闃?biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)氣源，使用Moisture Image Series 1來讀取MH值，使用便攜式露點(diǎn)儀來讀取標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)值。在儀表的使用量程選取6～8個(gè)點(diǎn)來采集對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)的MH值數(shù)據(jù)，再通過PANAMETRICS公司的標(biāo)定程序計(jì)算出完整的探頭標(biāo)定數(shù)據(jù)。這樣使用時(shí)只需要更換探頭，將標(biāo)定數(shù)據(jù)錄入到現(xiàn)場(chǎng)的SERIES5露點(diǎn)變送器內(nèi)，再進(jìn)行一次在線二次校準(zhǔn)，就可以使儀表正常使用了。

盡管改進(jìn)后的方法縮短了進(jìn)TS限制的時(shí)間，但仍然不可避免需要進(jìn)TS這一現(xiàn)狀。為了更好地解決這一問題，考慮了常規(guī)儀表在線標(biāo)定的方法，即現(xiàn)場(chǎng)隔離儀表進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定完成后立即恢復(fù)使用。但是，考慮露點(diǎn)儀標(biāo)定過程的特殊情況，這樣的方法不可能完全套用（常規(guī)儀表標(biāo)定過程只需極短的時(shí)間就能完成，而露點(diǎn)儀的標(biāo)定過程需要2～3天，甚至更久）。那么，是否可以在不影響現(xiàn)場(chǎng)儀表的正常使用下來完成對(duì)儀表的標(biāo)定工作呢？從露點(diǎn)儀標(biāo)定過程來分析這個(gè)問題，發(fā)現(xiàn)在理論上是可以滿足露點(diǎn)儀的標(biāo)定條件的：首先，是標(biāo)準(zhǔn)氣。系統(tǒng)露點(diǎn)是在不停地發(fā)生變化的，在一個(gè)掃氣周期內(nèi)，露點(diǎn)從掃氣結(jié)束后逐漸上升到滿足再次掃氣的條件，其變化范圍幾乎覆蓋了儀表的全使用量程。解決了標(biāo)準(zhǔn)氣問題，接下來就是標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)的讀取，可以使用便攜式露點(diǎn)儀對(duì)系統(tǒng)露點(diǎn)進(jìn)行在線取樣來得到。此外，還有對(duì)MH值的讀取，可以從現(xiàn)場(chǎng)的SERIES5露點(diǎn)變送器上完成而不影響儀表的正常使用。這樣，數(shù)據(jù)采集的條件就完全滿足了。另外，如果可以實(shí)現(xiàn)在線標(biāo)定，還有一個(gè)好處就是解決了標(biāo)定工況和現(xiàn)場(chǎng)工況的偏差問題，在完成標(biāo)定后儀表將不再需要進(jìn)行二次校準(zhǔn)。

那么，在線標(biāo)定方法是否真的可行呢？對(duì)此進(jìn)行了一項(xiàng)長(zhǎng)期的試驗(yàn)，在露點(diǎn)儀正常使用期間，通過定期取樣的方式，使用便攜式露點(diǎn)儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)露點(diǎn)進(jìn)行取樣得到標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)值，并在SERIES5露點(diǎn)變送器上讀取到取樣當(dāng)時(shí)的露點(diǎn)示值與MH值，并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄保存。在每次定期維護(hù)時(shí)，從這些記錄中選取幾組具有代表性的數(shù)據(jù)，根據(jù)探頭標(biāo)定數(shù)據(jù)處理的方法進(jìn)行計(jì)算處理并得出探頭的標(biāo)定數(shù)據(jù)，與定期維護(hù)標(biāo)定時(shí)的標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。經(jīng)過反復(fù)比較發(fā)現(xiàn)，取樣時(shí)間越久遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)存在的偏差越大，反之，取樣時(shí)間越近的數(shù)據(jù)存在的偏差越小，一般兩周內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)基本沒有偏差或偏差極小。這樣的試驗(yàn)結(jié)果表明，只需在兩周內(nèi)采集足夠標(biāo)定所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定處理，就能完成一次露點(diǎn)探頭的標(biāo)定，而且，環(huán)隙氣體系統(tǒng)的掃氣周期基本都在7～10天左右，正好滿足了兩周內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集的時(shí)間要求，也既是說在線標(biāo)定環(huán)隙氣體系統(tǒng)露點(diǎn)儀的方法試驗(yàn)成功了。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)踐證明，在線標(biāo)定環(huán)隙氣體系統(tǒng)露點(diǎn)儀的方法有效地提高了環(huán)隙氣體系統(tǒng)露點(diǎn)儀的穩(wěn)定性和可靠性，有效地控制了故障的發(fā)生，降低了缺陷量，2014年至今沒有發(fā)生環(huán)隙氣體系統(tǒng)露點(diǎn)儀的缺陷。