Rolls-Royce-K1类压力变送器调试技术分析及研究

Rolls-Royce-K1类压力变送器调试技术分析及研究

李世成

中国核工业二三建设有限公司甘肃矿区项目部   调试队

2019年度申报专业技术职务任职资格

评审答辩论文

题    目：Rolls-Royce-K1类压力变送器

    调试技术分析及研究  

姓    名：李世成

单    位： 中国核工业二三建设有限公司

申报职务：           工程师         

专    业：          电仪技术        

二〇一九年九月三十日

摘要：核电站正常热态运行工况下，反应堆压力容器充满水，平均温度达到314℃，压力达到15.5MPa，当一回路失水事故工况（LOCA）出现，反应堆保护系统整体液位可能下降到堆芯以下，使用变送器实时、精确监测堆芯淹没情况十分重要，同时为使一回路进水、水压试验、及运行期间的一回路液位监控信号和事故分析更加准确，在前期变送器的单体调试工作尤为关键。为保证对进口的Rolls-Royce厂家生产的K1类压力变送器进行正确的调试，确保其卡件精度误差符合设计以及使用要求，本文叙述相关技术分析与研究，对问题研究结果表明相关方法切实可行。

关键词：进口、变送器、卡件、信号

1、引言

核电站的能源转换建立在高温高压下水的热能传递过程之上，通过控制水的压力、温度等参数保证正常运行时反应堆的稳定性和经济性，扰动或事故工况时保证反应堆的安全性，因此，遍布在全厂、尤其是测量一回路主冷却剂系统参数的压力、温度传感器能否安全稳定运行至关重要，特别是在发生LOCA事故（失去一回路冷却剂）后，安全壳内存在大量高温蒸汽和高放射性射线，对传感器的正常工作带来很大挑战。Rolls-Royce的变送器被设置在远离辐射的区域，在仪表出现故障的情况的下，检修人员可以很快的进行故障排查和解决问题，而不用等待机组停机或采取其他方式，提高了电厂的连续运行率。

Rolls-RoyceK1类核级分体式变送器由两部分组成：传感部分和变送部分，按测量特性可分为差压式、相对压力式（BUA）、真空式（BUF）三种，其中差压式因其隔离模块的数量不同又分为BUL（无隔离模块）、BUM（1个隔离模块）、BUN（2个隔离模块），在电厂中运用较多。差压式、相对压力式、真空式的区别仅体现在传感部分上，其变送部分均为通用，给日常维护带来了极大的方便，传感部分符合K1技术要求，电气部分达K3要求。K1类（分体式）变送器因其LOCA下仍能保持正常工作和可观的精度而越来越受到重视和应用。

2、K1类压力变送器原理简介及运用

如下图1所示为Rolls-RoyceK1类核级分体式变送器的工作原理图，传感部分的核心为一个磁棒和线圈，磁棒随着压力的改变而在线圈中产生位移，从而形成一个电感信号，并由三线制电线送至变送部分的电路，经转换后成为4～20mA的标准电流信号供DCS采集和记录。变送部分安装在电气厂房中，而传感部分安装在就地距离辐射源较近的厂房中，传感器结构简单，具有很好的抗辐射、抗LOCA性能。而差压变送器中隔离器的工作原理是通过毛细管的引压作用将传感器放置在距离放射性介质更远的地方，目的就是为了防止放射性介质沾污仪表管内压力传送介质以及保持一回路完整性的目的，因为隔离器的存在，可以确保仪表设备更加安全、可靠地运行。

图1：核级分体式变送器的工作原理图

压力变送器的标识代码如下表格所示：

其中：

第1/2位的B、U表示核级变送器

第3位表示压力变送器的类型：A 相对；F 绝压；L 不带隔离器的差压变送器；M 带一个隔离器的差压变送器；N 带两个隔离器的差压变送器

第4位表示质量等级：A为 K1； B为 K2 ；C为NC

第5位表示测量范围，共计18种量程范围选择，其中 A-J为差压变送器专有使用，L-R为相对压力变送器使用，T-V为绝压变送器使用

第6位为电气转换参数

第7位为电气连接参数

第8位为版本号

第10位为填充油参数

第12位为毛细管长度

2.1差压变送器（BUL/M/N）与常规变送器的差异分析及核岛厂的实际运用

常规变送器的安装使用只在一些常规区域、对核岛现场工况要求一般的厂房，其变送器单元无法在LOCA工况的高辐照、高温、高压工作环境中工作。而对于K1类分体式差压变送器，完全可以适应核岛现场特殊的恶劣坏境，因K1类分体式差压变送器的稳定性、精度准确度、工作环境特殊性，因此对其研究具有重要的意义。

由于K1类分体式差压变送器较其他变送器运用更广泛，因此本文重点其进行叙述，K1类差压变送器主要可分为三类：

对于BUL（无隔离模块）类型的分体式差压变送器，我们主要用于测量二回路等非放射性的介质例如蒸汽发生器水位测量，在这种情况下无需考虑放射性距离和保护，故而可以使用无隔离模块的分体式差压变送器。

对于BUM（1个隔离模块）类型的分体式差压变送器，主要在一端HP/LP测量存在高放射性介质工况或者离放射性介质较近区域的情况下使用，比如稳压器的液位测量，因传感器的安装位置与稳压器之间隔了一堵厚重墙壁，放射性较小，且引压管线不存在被意外破坏的风险，故而在HP端可以不使用隔离器，而在LP端则因为是测量放射性介质且存在仪表管线被意外破坏的风险故而使用了隔离器。

对于BUN（2个隔离模块）类型的分体式差压变送器，一般使用在压力容器本体的液位测量上面，这主要是因为压力容器内含硼水含有大量的放射性介质，不管在高压侧（HP）还是在低压侧(LP)都必须加装隔离器以此来保证传感器离压力容器的高放射性介质有足够的距离，确保设备的精度，同时保证对放射性介质的隔离。

从以上描述和辐射距离我们可以看出，隔离器的主要作用主要有两个：1、隔离放射性回路，确保放射性回路完整性；2、保护传感器，通过使用引压管和隔离器来增加传感器与放射性介质之间的距离，保证了传送器的精度。

所以其选取和使用也主要是根据现场以下两点实际需求：1、传感器安装的位置的放射性强度是否太大，离放射源的距离是否过近；2、是否需要采取措施防止意外风险造成放射性回路完整性被破坏。

如下图所示，完整的差压变送器主要有一下三部分组成：1.隔离器及毛细管，2.传感器，3.转换器，如下图2～5。

图2：高压隔离器及其毛细管        图3：低压隔离器及其毛细管

图4：     传感器                  图5：     转换器

差压变送器的传感器原理图如下图6所示：

图6：差压变送器的传感器原理图

其低压侧入口为左侧法兰的⑨，高压侧入口为右侧法兰的⑨。受压时推动膜片④向内挤压油性填充介质，低压侧在膜片⑤的左侧产生一个压力，高压侧在膜片的右侧产生一个压力，因为在金属膜片⑤左右两端的压力不一样，故此推动磁棒③线圈⑥内运动，因而在线圈⑥内产生感应电流，最终通过变送器转换为可识别的4-20mA信号。

2.2相对压力变送器（BUA）简述

如上原理图所示，相对压力变送器的敏感元件为弹簧管，表内腔体充满油性介质，用来阻止事故工况下温度的快速上升起缓冲作用，其压力与安全壳内压力相同，并设有一个波纹管③用以平衡LOCA事故下腔内和安全壳内压力。正常情况下磁棒⑤完全插入线圈⑧内，当安全壳内压力增高时，被测压力通过⑩导入弹簧管，弹簧发生形变，进而通过导杆⑥提起磁棒⑤，因磁棒的位移在线圈⑧产生了感应电流，再通过变送器将之转换为可识别的4-20mA信号。

3、施工重点难点、问题分析

3.1仿真模拟器（JUS）和转换卡件（BUX）

Simulator-JUS是分体式压力变送器的配套专用工器具，BUR机架则是作为连接传感器及JUS的转换工具，BUX卡件是附属于DCS机柜中的专用卡件，正式安装前需要通过仿真模拟器（JUS）进行精密调试调整，调试质量的好坏直接影响后期仪表正式投用运行，对仪表正式安装及现场实际运用有着非常重要的意义。下图依次为JUS仿真模拟工具、BUR机架、BUX卡件及其连接、如下图所示：

其中，JUS工具的重难点操作及问题处理是K1类压力变送器调试的核心。仪表与BUR机架的电线连接：仪表插针的4、7、9端子依次连接处理机架BUR的4、5、6端子（对应通道端子与安装在BUR机架上的检验卡位置一致）；

如上图JUS工具实物图所示：矩形红线圈中的为待检查或待校验的BUX，内部矩形蓝色线圈中含有两个螺丝，分别是其零点（ZERO）和量程上限（ECH SPAN），对BUX卡件的量程的调节就是通过这两个螺丝实现的。七段显示器下方的矩形绿色方框，包含6个按钮，从左至右分别为“receiver”、“IE”、“IS”、“S”、“R”、“C”，按下不同的按钮，将会实现不同的功能。椭圆红色线框内包含两个模拟旋钮（fine&coarse adjustment、上面是微调，下面是粗调），用于调节模拟值的大小。

其调试过程有如下几个重点难点问题，下面将对问题进行展开并分析：1、如何使用模拟器进行就地压力传感器校验？2、如何使用模拟器对送往DCS的通道信号进行验证测试？3、如何控制与就地传感部分的连接检查？4、若实际到货仪表量程无法满足现场实际工况的需求，如何调整？5、如何检查零点（S0）和满点（Sf）的电压值（mV）？6、若在模拟试验中，仪表出现故障，如何尽快解决仪表故障？对新的BUX卡件又该如何进行设置？7、与常规压力变送器相比，K1类分体式差压变送器在处理压力传导问题上有何差异？

3.2、如何使用模拟器进行就地压力传感器校验？

在进行就地压力传感器校验时，如何准确测试传感器输出电流尤为关键，经过研究Rolls-Royce技术厂家资料分析发现，JUS模拟工具即有电流测试功能，在确保操作可行性情况下，可将JUS当作一个电流表，实现电流信号的测量，经过研究分析操作可行性如下：

1、按下“IE”按钮；

2、向变送器传感部分施加量程下限的压力值；

3、通过调整BUX上的零点（ZERO）螺丝，使输出电流大小为4.00mA（如下图所示）；

4、向变送器传感部分施加量程上限的压力值；

5、通过调整BUX上的量程上限（ECH SPAN），使输出电流大小为20.00mA（如下图所示）；

6、重新校验一下各个压力点的输出是否符合要求；

7、检查零点（S0）和满点（Sf）的电压值（mV），并记录在卡件背面的标签上（如下图所示）。

3.3、如何使用模拟器对送往DCS的通道信号进行验证测试？

在进行就地压力传感器校验合格安装后，最终要通过仪表回路发出电流信号至DCS侧进行信号采集，如何将有效的4～20mA信号发出至DCS也是一个重要问题，经过研究JUS工具的功能，对送往DCS的通道进行测试时，认为JUS工具作为信号发生器的可行性，在JUS工具上即可模拟信号发生器送出4～20mA电流信号，可按如下方法进行操作：

1、按下“IS”按钮；

2、按下“receiver”；

3、通过调节模拟值的两个模拟旋钮（fine&coarse adjustment），输出所期望电流值。

4、注意：在模拟DCS回路试验时，禁止调整BUX上的零点（ZERO）和量程上限（ECH SPAN）螺丝。

3.4、如何控制与就地传感部分的连接检查？

当整个回路按照原理图、接线图将JUX、BUR、BUX、传感器等设备正确连接后，试验前必须对整个回路连接的正确性进行校核，控制与就地传感部分的连接检查时，可以对电容电阻回路的电阻值、电容值进行检查，根据厂家资料：电阻R的测试取值范围: 0.55kΩ±0.05 kΩ，电容 C的测试取值范围: 0.7μF±0.05μF，同时需要对回路进行绝缘电阻测试。

1、按下JUS面板按钮“R”，若电阻值显示不在要求范围内，应检查整个通道线路情况，排除故障后重新测试，直至符合要求；

2、按下JUS面板按钮“C”，若电容值显示不在要求范围内，应检查整个通道线路情况，排除故障后重新测试，直至符合要求；

3、待数值稳定后，读取数值并及时记录。

3.5、若实际到货仪表量程无法满足现场实际工况的需求，如何调整？

当仪表根据设计图纸安装至现场后，若仪表量程无法满足实际工况的测试要求，紧急情况下又无施工窗口对仪表进行更换，如何对该情况进行及时响应十分重要。我们联想到，在核岛常规变送器出现类似问题，往往需对仪表进行量程迁移，同理转移至K1类分体式压力变送器，对JUS模拟器的学习研究，认为此套工具能使BUX卡件满足量程迁移需求。

例如：可设P0和PF为初始状态时的零点值与满量程值。通过JUS模拟器的调节，可以实现对量程的迁移，新的量程范围记为P0*和PF*。通过这样的调节方式，结论是：可以实现10%量程范围内的量程改变（-10%～110%），因此而产生的误差最大为0.20%，研究得出具体操作步聚如下：

1、在未进行调节前，根据P0*和PF*，计算出当前状态下，输出电流值（I0*和IF*）的大小。计算公式如下：

2、确认经过计算得到的I0*和IF*电流值在2.4mA～24mA之间（10%的量程范围迁移）；

3、通过JUS面板上的模拟旋钮（fine&coarse adjustment），根据I0*获取S0*的值，根据IF*获取SF*的值，并记录下来。（以获取S0*为例；按下“IS”，调节模拟旋钮，使电流值为4.00mA，按下“S”，读取S0*数值，并记录。）

4、在JUS上，按下“S”，通过模拟旋钮（fine&coarse adjustment），调节至S0*值。按下“IS”，通过调节BUX上的零点（ZERO）螺丝，使输出电流值为4.00mA。（注意：按下“IS”后，禁止调节模拟旋钮）

5、在JUS上，按下“S”，通过模拟旋钮（fine&coarse adjustment），调节至SF*值。按下“IS”，通过调节BUX上的量程上限（ECH SPAN）螺丝，使输出电流值为20.00mA。（注意：按下“IS”后，禁止调节模拟旋钮）

6、在BUX转换器的背面标签上，分别记录S0*、SF*、P0*、PF*的值。

3.6、如何检查零点（S0）和满点（Sf）的电压值（mV）？

由于JUS模拟器具备记忆功能，频繁的校验工作可能会影响下一个卡件的测试精度，因此在每次卡件校验完成后，需要检查零点（S0）和满点（Sf）的电压值（mV），并记录在BUX背面，具体方法如下：

1、将BUX卡件插入JUS模拟器中，按下“IS”按钮（输出电流）；

2、通过两个调节旋钮（fine&coarse adjustment），将电流值调整到4.00mA，并记录该模拟信号下的零点电压值（S0）；

3、通过两个调节旋钮（fine&coarse adjustment），将电流值调整到20.00mA，并记录该模拟信号下的零点电压值（SF）；

4、在BUX转换器的背面标签上，准确记录S0*、SF*、P0*、PF*的值同时也将这些值记录在检查记录表格中备用。

3.7、若在模拟试验中，仪表出现故障，如何尽快解决仪表故障？对新的BUX卡件又该如何进行设置？

由于Rolls-Royce的分体式压力变送器，不仅仅抗辐射、抗信号干扰能力强，而且在设计中充分考虑了后期仪表检修问题，若DCS中心监测出仪表故障，只需要在电气厂房区域即远离高辐射的核岛区，进行BUX的检修及更换即可。在模拟试验及现场实际操作过程中，若更换新的BUX卡件，需要对其重新进行设置，方法如下：

1、将新的BUX卡件插入JUS模拟器中；

2、在JUS面板上，按下“S”，通过模拟旋钮（fine&coarse adjustment），调节至S0值（数据在被替换的BUX背面）。按下“IS”，通过调节BUX上的零点（ZERO）螺丝，使输出电流值为4.00mA。（注意：按下“IS”后，禁止调节模拟旋钮）

3、在JUS面板上，按下“S”，通过模拟旋钮（fine&coarse adjustment），调节至SF值（数据在被替换的BUX背面）。按下“IS”，通过调节BUX上的量程上限（ECH SPAN）螺丝，使输出电流值为20.00mA。（注意：按下“IS”后，禁止调节模拟旋钮）

4、把被替换的BUX背面的S0*、SF*、P0*、PF*的数值，转移到新的BUX转换器的背面，同时也将这些值记录在检查记录表格中备用。

4、总结

核电站前期安装、调试阶段的K1类压力变送器的调试对核岛一回路进水、水压试验、及核电站运行期间等阶段的一回路液位监控信号和事故故障分析有极重要的意义，其前期单体调试工作的完成度直接影响后续一系列试验的可靠性、是后续各项相关试验安全性的保证，是确保核电机组安全投运的关键环节。

本文通过对Rolls-Royce的K1类压力变送器与常规变送器的差异分析，内容上涵盖了分体式变送器原理、调试、安装、维护、以及JUS模拟器、对调试过程中遇到的问题、调试过程的重点、难点进行分析、研究，通过贴切现场实际应用的模拟试验，为后续核电站K1类压力变送器的单体调试工作提供参考，攻克技术、质量、操作方面的难题。

参考文献

    [1]EQUIPMENT OPERATION AND MAINTENANCE MANUAL 《FQZ42EOM001543B45SS》（厂家技术文件）

[2]Rolls-Royce Civil Nuclear SAS .Fujian Fuqing Unit1 Transmitters on-site-filling and on-site-control [M].France,2013. (厂家技术文件）

[3]Rolls-Royce  Civil   Nuclear  SAS . Fujian Fuqing Nuclear Power Plant Units 1&2 Equipment Operation and Maintenance Manualfor K1 Transmitter [M]. France,2013. (厂家技术文件）

    [4]自动化仪表工程施工及质量验收规范 《GB 50093-2013》（国家标准规范)