楊蘭菊 李振臣 周春燕

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院第一研究所）

放射性廢樹(shù)脂是一種固體核廢料，必須和水混合才能輸送，并和水一起儲(chǔ)存在廢樹(shù)脂槽中等待后續(xù)處理。 在廢樹(shù)脂的儲(chǔ)存和處理過(guò)程中，對(duì)樹(shù)脂料位進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量是非常必要的。 但因樹(shù)脂屬于固-液混合物，且具有放射性，故不宜采用常規(guī)方法進(jìn)行測(cè)量［1］。另外，廢樹(shù)脂在下料時(shí)會(huì)形成凹凸不平的表面， 和水會(huì)形成分界面和懸浮面，造成樹(shù)脂和水之間的界面不清晰。 目前，市場(chǎng)上沒(méi)有專門的儀表用于測(cè)量樹(shù)脂和水的分界面。 因此，在實(shí)際工程中，廢樹(shù)脂界面測(cè)量一直是一個(gè)難點(diǎn)。 以往工程上為了測(cè)量廢樹(shù)脂和水的分界面，采用了很多測(cè)量?jī)x表，如雷達(dá)液位計(jì)、激光液位計(jì)等，但經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，這些儀表只能測(cè)量一個(gè)介質(zhì)的界面，而無(wú)法真正識(shí)別出液面和樹(shù)脂界面。 同時(shí)，也改進(jìn)了很多測(cè)量裝置，但改進(jìn)后的裝置仍具有一些固有缺陷，且故障率高，無(wú)法達(dá)到工藝測(cè)量要求。

工程上常采用帶兩個(gè)浮球的磁致伸縮液位計(jì)來(lái)測(cè)量廢樹(shù)脂和水的液面及分界面。 但廢樹(shù)脂下料時(shí)經(jīng)常會(huì)掩埋測(cè)量界面的浮球，導(dǎo)致此浮球浮不起來(lái)，無(wú)法測(cè)量。 后經(jīng)過(guò)改進(jìn)［2］，雖然解決了界面浮球被樹(shù)脂掩埋的問(wèn)題，但時(shí)常發(fā)生鋼纜纏繞問(wèn)題，且不能實(shí)現(xiàn)液位的連續(xù)測(cè)量。 而且在廢樹(shù)脂下料階段， 水量和廢樹(shù)脂量都處于未知狀態(tài)，很容易造成水位超出工藝安全限值，引起設(shè)備安全問(wèn)題。 為解決上述問(wèn)題，筆者提出一種液位和樹(shù)脂界面分開(kāi)式的測(cè)量方法，設(shè)計(jì)一種新型在線遠(yuǎn)程測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)樹(shù)脂界面測(cè)量裝置經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以便后續(xù)應(yīng)用于實(shí)際工程中。

1 新型測(cè)量技術(shù)

1.1 液位測(cè)量

磁致伸縮液位計(jì)主要由探測(cè)桿、電路單元和浮子3 部分組成， 具有高精度和免維修兩大優(yōu)勢(shì)。 由于磁致伸縮液位計(jì)電子元件密封在不銹鋼管體內(nèi)，不受輻射的影響，因此是目前液位測(cè)量領(lǐng)域最為精確，便于安裝、維護(hù)，性能穩(wěn)定、可靠的成熟產(chǎn)品［3，4］。故筆者選擇磁致伸縮液位計(jì)用于液位測(cè)量。 浮子裝在探測(cè)桿上，內(nèi)裝有一組永磁鐵，該磁鐵可以沿著探測(cè)桿隨液位的變化而上下移動(dòng)［5］。由于測(cè)量介質(zhì)特殊，是廢液和廢樹(shù)脂的液固混合物，若選型不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量浮球被樹(shù)脂顆?？ㄗ?，無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能。 因此在選擇測(cè)量浮球時(shí)需要考慮兩大因素，一是比重，二是浮球內(nèi)徑與探測(cè)桿的空隙間距。 綜合考慮后，測(cè)量浮球比重選為0.63～0.75， 以保證浮球始終浮在水面；浮球內(nèi)徑與探測(cè)桿的空隙間距按實(shí)際情況選取，需保證廢樹(shù)脂顆?？勺詣?dòng)滑落，使浮球始終能隨液位在探測(cè)桿上自由移動(dòng)，不會(huì)被樹(shù)脂顆?？ㄗ『脱诼瘛?/p>

1.2 界面測(cè)量

界面測(cè)量裝置不僅能實(shí)時(shí)測(cè)量廢樹(shù)脂和水的分界面，而且在廢樹(shù)脂下料過(guò)程中，為防止測(cè)量傳感器被樹(shù)脂掩埋，界面測(cè)量裝置設(shè)計(jì)為一體化在線裝置，具有實(shí)時(shí)測(cè)量、自動(dòng)提升/下降、智能顯示及信號(hào)遠(yuǎn)傳等功能。 界面測(cè)量裝置主要由重量傳感器、鋼絲繩、微動(dòng)裝置、顯示及控制裝置等組成。 探測(cè)過(guò)程是：界面測(cè)量裝置發(fā)出啟動(dòng)測(cè)量信號(hào)，給出電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)信號(hào)，在原點(diǎn)處開(kāi)始放繩，當(dāng)重量傳感器降至廢樹(shù)脂界面時(shí)被樹(shù)脂托起而失重，鋼絲繩松弛，測(cè)量裝置得到該信號(hào)立即發(fā)出電機(jī)反轉(zhuǎn)命令， 重量傳感器自動(dòng)上升返回，直到重量傳感器上升到接近原點(diǎn)處， 電機(jī)停轉(zhuǎn)，重量傳感器回到廢樹(shù)脂槽頂原點(diǎn)位置，完成一次探測(cè)過(guò)程。 由于該裝置配備了雙重光感系統(tǒng)，因此智能電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)可以確保在重量傳感器接觸介質(zhì)表面的瞬間停止下降， 無(wú)需額外的剎車裝置，而后改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向并將料位信號(hào)變送輸出。

重量傳感器是界面測(cè)量裝置的核心和設(shè)計(jì)難點(diǎn)，如果傳感器重量較重，則測(cè)量時(shí)無(wú)法停留在樹(shù)脂界面上，會(huì)一直下降到樹(shù)脂下部，導(dǎo)致整個(gè)重量傳感器掩埋在樹(shù)脂中； 如果重量過(guò)輕，會(huì)造成傳感器重量與鋼纜速度不匹配，造成鋼纜無(wú)法自動(dòng)提升/下降。 因此，需要綜合考慮重量傳感器的外形尺寸、材料和重量，通過(guò)改變與樹(shù)脂接觸的面積，保持重量傳感器重量與鋼纜速度相匹配，樹(shù)脂界面計(jì)才能準(zhǔn)確測(cè)量廢樹(shù)脂和水的分界面。 經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)測(cè)試，最終確定傳感器由圓柱形外殼和設(shè)置在外殼內(nèi)的配重塊構(gòu)成。 傳感器以最佳方式匹配鋼纜3 m/s 的下降速度， 且正好停留在分層面上鋼纜自動(dòng)返回，精確實(shí)現(xiàn)了廢樹(shù)脂和水的界面測(cè)量。 為方便運(yùn)行人員操作，界面信號(hào)可引至PLC 系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作界面測(cè)量裝置的測(cè)量模式，并進(jìn)行遠(yuǎn)程顯示和報(bào)警。

可在PLC 系統(tǒng)上遠(yuǎn)程啟動(dòng)和停止樹(shù)脂界面計(jì)，并根據(jù)操作要求設(shè)置測(cè)量周期，在周期內(nèi)，啟動(dòng)樹(shù)脂界面計(jì)電機(jī)后，樹(shù)脂界面計(jì)就會(huì)不停地自動(dòng)測(cè)量，周期一到，樹(shù)脂界面計(jì)自動(dòng)停止測(cè)量。 若不設(shè)置測(cè)量周期，則樹(shù)脂界面計(jì)啟動(dòng)后只測(cè)量一次，并保存和顯示此次的測(cè)量結(jié)果，若需再次測(cè)量，可再啟動(dòng)樹(shù)脂界面計(jì)。

為了最大限度地保證人員和設(shè)備的安全，界面測(cè)量裝置增加了軟件保護(hù)程序，一旦產(chǎn)生埋錘現(xiàn)象，裝置有3 次試提程序，以避免強(qiáng)行提繩引起的斷纜現(xiàn)象。 界面測(cè)量裝置不需要通過(guò)加裝另外的氣缸裝置或電動(dòng)裝置進(jìn)行非標(biāo)設(shè)備改造，極大地減少了設(shè)備成本，避免了非標(biāo)設(shè)備的加工制造，解決了實(shí)際工程測(cè)量問(wèn)題。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證液位和界面測(cè)量技術(shù)的可行性，建立與實(shí)際工況相似的模擬試驗(yàn)臺(tái)架裝置對(duì)液位和界面進(jìn)行測(cè)試。 試驗(yàn)設(shè)備由液位和界面測(cè)量裝置、門形試驗(yàn)臺(tái)架和柱形容器組成。 試驗(yàn)對(duì)象為新樹(shù)脂顆粒和水。 液位和界面在線測(cè)量方案如圖1 所示。

圖1 液位和界面在線測(cè)量方案

為防止界面測(cè)量裝置的重量傳感器在較長(zhǎng)的儀表短管內(nèi)晃蕩，影響測(cè)量，專門設(shè)計(jì)一套固定限位輔助裝置。 該限位裝置由輔助保護(hù)管和限位套組成，輔助保護(hù)管末端裝有限位套，在提升過(guò)程中， 重量傳感器只停在廢樹(shù)脂儲(chǔ)槽的頂部，有效減少重量傳感器與套管的碰撞，保證界面的精確測(cè)量。

試驗(yàn)中液位測(cè)量裝置的浮球的比重比水輕，且浮球內(nèi)徑大小適合樹(shù)脂顆粒的自由流動(dòng)，因此該浮球始終浮于水面，保持精確的液位測(cè)量。 啟動(dòng)界面測(cè)量裝置，重量傳感器通過(guò)鋼纜進(jìn)入柱形容器內(nèi)對(duì)樹(shù)脂界面進(jìn)行探測(cè)，每次測(cè)量時(shí)重量傳感器從起始位置開(kāi)始下降，碰到樹(shù)脂的懸浮分界面立即返回等待下一次測(cè)量。

2.2 結(jié)果分析

從表1 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，液位測(cè)量精度較高、誤差小且重復(fù)性好，而且在樹(shù)脂下料過(guò)程中，磁致伸縮液位計(jì)的浮球始終浮在水面，浮球不會(huì)被樹(shù)脂卡住或掩埋。

表1 液位測(cè)量數(shù)據(jù) mm

廢樹(shù)脂和水混合進(jìn)入廢樹(shù)脂儲(chǔ)槽時(shí)，由于廢樹(shù)脂密度比水的密度稍大， 因此它們很快會(huì)分層，若分層的時(shí)間過(guò)短，樹(shù)脂上層界面比較疏松，與水形成懸浮面，當(dāng)界面測(cè)量裝置的重量傳感器接觸到樹(shù)脂懸浮面時(shí)，會(huì)因?yàn)樽陨硭俣群椭亓坎粫?huì)立即停止在懸浮面上， 還會(huì)往下沉降一些，經(jīng)過(guò)多次重復(fù)性試驗(yàn)，改進(jìn)后的重量傳感器完全能自動(dòng)停留在廢樹(shù)脂與水的懸浮面上。

從表2 數(shù)據(jù)可以看出，樹(shù)脂界面計(jì)測(cè)量是可行的，測(cè)量數(shù)據(jù)精確、重復(fù)性好且與實(shí)際值誤差小，完全滿足工程測(cè)量需求。

表2 改進(jìn)后廢樹(shù)脂界面計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語(yǔ)

放射性廢樹(shù)脂液位及界面分開(kāi)在線測(cè)量技術(shù)，參數(shù)獨(dú)立采集，信號(hào)互不影響。 通過(guò)選取合適的浮球比重、 浮球內(nèi)徑與探測(cè)桿的空隙間距，實(shí)現(xiàn)了液位的有效實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，避免液位超過(guò)工藝安全限值，從而保證了設(shè)備的安全性。 通過(guò)多次從外形尺寸、材料和重量方面對(duì)重量傳感器進(jìn)行改進(jìn)，界面測(cè)量裝置具有實(shí)時(shí)測(cè)量、周期測(cè)量、自動(dòng)提升/下降、 信號(hào)就地顯示及遠(yuǎn)程操作等功能。 試驗(yàn)結(jié)果表明，放射性廢樹(shù)脂液位測(cè)量效果好，精度高；界面測(cè)量裝置能準(zhǔn)確測(cè)量廢樹(shù)脂和水的分界面，重復(fù)性好，且提升機(jī)構(gòu)運(yùn)行順暢，避免出現(xiàn)被樹(shù)脂掩埋的現(xiàn)象。