Датчики и КИП на АЭС: давление, температура, расход и уровень

• 4–20 мАтоковый сигнал датчика: 4 мА — начало шкалы, 20 мА — её конец
• 2 из 3пример логики защиты: решение по совпадению сигналов независимых датчиков
• ≈ 0,4 %на столько растёт сопротивление платины при нагреве на 1 °C
• ≈ 150 °Cрасчётная температура под оболочкой ВВЭР-1200 при аварии — в таких условиях датчики должны работать

Тысячи датчиков энергоблока

Оператор на блочном щите не видит ни реактора, ни насосов — он видит их параметры. Их измеряют тысячи датчиков, и по этим сигналам работают не только люди, но и регуляторы, защиты и системы безопасности.

Всё это хозяйство называют КИП — контрольно-измерительными приборами. Цепочка измерения везде похожа: датчик воспринимает величину и превращает её в электрический сигнал, линия связи передаёт сигнал к шкафам системы управления, а оттуда значение попадает на экраны, в регуляторы, защиты и архив. Всю цепочку, от восприятия величины до результата, называют измерительным каналом.

Кроме этих величин, на станции измеряют нейтронный поток, радиационную обстановку, химический состав воды, вибрацию, положение арматуры; о нейтронных измерениях рассказано в статье «Управление реактором: СУЗ и приводы». Здесь речь о теплотехнических параметрах.

Как измеряют на трубопроводе и баке (схема). Расход — по перепаду давления на диафрагме: импульсные линии подводят давление до и после неё к датчику перепада. Температуру измеряет термометр в гильзе, установленной в бобышку на трубе, давление — датчик на отборе. Уровень в баке тоже находят по перепаду давления между нижним и верхним отборами. Сигналы датчиков идут в шкаф системы управления.

Давление: мембрана и импульсные линии

Чувствительный элемент датчика давления — упругий: мембрана, сильфон или изогнутая манометрическая трубка, которые под давлением деформируются. В местном показывающем манометре трубка через механизм поворачивает стрелку. В датчике с электрическим выходом прогиб мембраны превращают в сигнал: в тензорезистивных датчиках меняется сопротивление тензорезисторов на мембране, в ёмкостных — ёмкость между мембраной и неподвижной обкладкой. Электроника датчика переводит это изменение в стандартный токовый сигнал.

По тому, что измеряют, датчики бывают избыточного давления — сверх атмосферного, абсолютного давления, разрежения и разности давлений. У датчика разности давлений две камеры по обе стороны мембраны; по разности давлений измеряют также расход и уровень.

Датчик редко ставят прямо на трубопровод. Давление подводят к нему по импульсной линии — тонкой трубке, которая начинается у отбора: отверстия в стенке трубопровода или сосуда с приваренной бобышкой или штуцером. У отбора стоит запорный вентиль, у датчика — вентильный блок: им отключают датчик, а у датчика разности давлений ещё и соединяют обе камеры, чтобы проверить ноль. Так датчик выносят из горячего, тесного или радиационно опасного места туда, где его можно обслуживать.

Импульсную линию прокладывают с уклоном: в линии с водой не должно оставаться воздуха, в линии с газом — скапливаться конденсат, иначе пузырь или столбик жидкости исказит давление. На паре линию заполняют конденсатом через конденсационный сосуд, чтобы горячий пар не доходил до датчика. Две линии датчика разности давлений ведут рядом, чтобы вода в них была одной температуры и плотности.

Если среда горячая, агрессивная, вязкая или может кристаллизоваться, датчик отделяют от неё разделителем сред. Давление передаётся через гибкую мембрану или разделительную жидкость, а сама среда к датчику не попадает.

Температура: термопары и термометры сопротивления

Температуру на станции измеряют в основном датчиками двух типов. Термопара — два проводника из разных сплавов, сваренных на конце в спай. Если спай и свободные концы нагреты по-разному, в цепи возникает термо-ЭДС — десятки микровольт на градус разницы. Термопары малы, быстро откликаются и работают в широком диапазоне температур, поэтому ими, например, измеряют температуру на выходе из тепловыделяющих сборок.

Сигнал термопары слабый и зависит ещё и от температуры свободных концов, которую приходится учитывать. До прибора термопару доводят компенсационными проводами, близкими к ней по термоэлектрическим свойствам.

Термометр сопротивления — тонкая проволока или плёнка из платины, реже из меди, сопротивление которой растёт с температурой: у платины — примерно на 0,4 % на каждый градус. В диапазоне температур контуров АЭС он точнее и стабильнее термопары, поэтому его ставят там, где важна точность, — например, в петлях первого контура.

Термопара и термометр сопротивления

Ни термопару, ни термометр сопротивления обычно не опускают прямо в воду под давлением. В трубопровод вваривают или вворачивают защитную гильзу — глухую трубку с толстым дном, — а датчик вставляют в неё. Гильза держит давление и защищает датчик, а сам датчик можно заменить, не вскрывая контур. Цена — инерция: тепло идёт к датчику через стенку гильзы, поэтому датчик должен плотно, без зазора, упираться в её дно.

Гильза, выступающая в поток, — консоль, которую обтекает вода, пар или жидкий металл, и за ней срываются вихри. Если частота их срыва близка к собственной частоте гильзы, она раскачивается и может сломаться от усталости. Так в декабре 1995 года на японском реакторе на быстрых нейтронах «Мондзю» во втором натриевом контуре отломился конец гильзы термопары, и через неё вытек натрий: трещина пошла от уступа, где диаметр гильзы резко менялся. Поэтому длину и форму гильзы проверяют расчётом на вибрацию в потоке, а резких уступов на ней избегают.

Расход: от диафрагмы до ультразвука

Самый распространённый в энергетике способ измерить расход — по перепаду давления на сужающем устройстве. В трубу ставят диафрагму — диск с отверстием точного диаметра, — сопло или трубу Вентури. В сужении поток ускоряется и давление в нём падает, а разность давлений до и после сужения измеряет датчик разности давлений, подключённый к двум отборам.

Перепад растёт пропорционально квадрату расхода, поэтому расход вычисляют как корень из перепада. Если при наибольшем расходе перепад принять за 100 %, то при половине расхода он составит 25 %, а при 10 % расхода — всего 1 %. Поэтому при малых расходах точность резко падает, и один датчик перепада уверенно работает лишь в ограниченном диапазоне.

Перепад давления на диафрагме при разном расходе

• 100 %наибольший расход
• 25 %половина расхода
• 1 %расход 10 % от наибольшего

Перепад растёт пропорционально квадрату расхода, поэтому при малых расходах точность резко падает.

Диафрагма проста, но безвозвратно теряет заметную часть давления, а её острая входная кромка со временем притупляется, и показания искажаются. Сопло с плавным входом устойчивее к износу, а труба Вентури с плавным расширением за горловиной возвращает большую часть перепада.

Стандартные сужающие устройства делают и устанавливают по серии стандартов ГОСТ 8.586, согласованной с международным стандартом ISO 5167: если выдержаны требования к геометрии, отборам и прямым участкам трубы, расход рассчитывают по формулам стандарта, без градуировки. Прямой участок перед сужением — от нескольких до нескольких десятков диаметров трубы: колено, тройник или задвижка выше по течению искажают и закручивают поток.

Есть расходомеры и без сужения. Ультразвуковой посылает импульсы по потоку и против него: по течению звук идёт быстрее, и по разнице времени вычисляют скорость. Накладные преобразователи ставят снаружи трубы, не врезаясь в неё.

Электромагнитный расходомер создаёт поперёк трубы магнитное поле, и в движущейся жидкости наводится напряжение, пропорциональное скорости. Но жидкость должна проводить ток: у обессоленной воды контуров АЭС проводимость для этого слишком мала, зато для технической воды или жидкого натрия быстрых реакторов такой расходомер подходит.

Уровень: столб воды и поплавок

Уровень в сосудах под давлением — компенсаторе давления, парогенераторах, гидроёмкостях — чаще всего измеряют по перепаду давления. Нижний отбор делают под водой, верхний — над ней и подключают его через уравнительный сосуд: в нём конденсируется пар, и импульсная линия всегда заполнена водой до одной и той же высоты. Датчик разности давлений сравнивает этот постоянный столб с переменным столбом воды в сосуде и по разности находит уровень. Так измеряют, например, уровень в компенсаторе давления — о нём рассказано в статье «Компенсатор давления».

Горячая вода легче холодной — при температурах контуров АЭС на четверть и больше. Поэтому один и тот же перепад при разной температуре означает разный уровень, и в расчёт вводят поправку на плотность воды в сосуде и в импульсных линиях. В кипящей воде с пузырями пара перепад показывает так называемый весовой уровень — каким был бы уровень, если бы пар из воды убрать.

В баках и ёмкостях без давления применяют и другие уровнемеры. Поплавковый следит за поверхностью поплавком, буйковый — по выталкивающей силе, действующей на погружённый буёк, радарный — по времени, за которое отражённый от поверхности сигнал возвращается к прибору.

Сигнал, резервирование, поверка

От датчика к системе управления сигнал чаще всего передают током — по токовой петле 4–20 мА. Датчик сам задаёт в двухпроводной линии ток от 4 мА в начале шкалы до 20 мА в её конце, середине шкалы соответствует 12 мА. По тем же двум проводам датчик получает питание, а ток не зависит от сопротивления длинного кабеля. «Живой ноль» 4 мА позволяет отличить нулевое показание от обрыва: ток около нуля — признак неисправности линии, а не нулевого давления.

Токовая петля 4–20 мА: что означает ток в линии

• около нуляобрыв линии
• 4начало шкалы
• 12середина шкалы
• 20конец шкалы

Современные датчики — микропроцессорные: они компенсируют влияние температуры, сами следят за исправностью и могут передавать цифровые данные поверх токового сигнала или по цифровым линиям связи. Как сигналы собирают на блочном щите, рассказано в статье «Кто и как управляет энергоблоком».

Датчики, по сигналам которых срабатывают защиты и системы безопасности, резервируют. Один параметр измеряют несколько независимых датчиков, их кабели идут по раздельным трассам в разные комплекты аппаратуры, а решение принимают по совпадению сигналов — например, двух из трёх, как в аварийной защите реактора. Тогда ни отказ одного датчика, ни его ложный сигнал не помешают защите и не остановят блок без причины.

• Класс безопасности. Датчики и измерительные каналы защит и систем безопасности — элементы, важные для безопасности: от класса, указанного в проекте, зависят требования к надёжности, независимости каналов, изготовлению и документам.
• Сейсмостойкость. Датчики систем безопасности вместе с креплениями и импульсными линиями должны работать во время и после максимального расчётного землетрясения; это подтверждают расчётом и испытаниями на вибростенде.
• Работа в аварии. Датчик внутри гермооболочки должен давать верный сигнал, когда под ней пар с температурой около 150 °C и избыточным давлением около 0,4 МПа, как в расчёте оболочки ВВЭР-1200, а излучение намного сильнее обычного. Это доказывают квалификациейобразцы состаривают нагревом и облучением, а потом испытывают в камере по режиму аварии.
• Помехи и диагностика. Сигнал не должен искажаться от наводок и сбоев питания, поэтому кабели экранируют и прокладывают отдельно от силовых, а система управления сама замечает обрыв, выход сигнала за пределы и расхождение с резервными датчиками.

Датчик на станции — средство измерений, и его поверяют или калибруют по правилам, о которых рассказано в статье «Измерения и метрология». Многие датчики стоят там, куда на работающем блоке не войти, поэтому их проверяют во время ремонта — в лаборатории или на месте, подавая давление от переносного калибратора через вентильный блок. А между проверками датчик, который начал «уплывать», виден по расхождению с резервными соседями.

Что важно изготовителю деталей

Датчик обычно покупают готовым, но точность измерения зависит и от простых на вид деталей, которые делают по чертежам: защитных гильз, сужающих устройств, бобышек и штуцеров отборов, уравнительных сосудов. Это закладные конструкции: их устанавливают на трубопровод или сосуд на весь срок службы. Гильза, бобышка и штуцер держат давление среды, поэтому требования к их металлу, сварке и контролю — того же уровня, что и к трубопроводу, на котором они стоят.

• Гильзы. Их точат и сверлят из прутка или поковки. Глубокое отверстие должно быть соосным наружной поверхности, стенка — равной толщины, а дно — точно под датчик, чтобы тот упирался в него без зазора. Переходы диаметров делают плавными: острый уступ — готовое начало усталостной трещины. Внутри не должно остаться стружки, из-за которой датчик не дойдёт до дна.
• Сужающие устройства. Диафрагма должна быть плоской, входная кромка отверстия — острой, без заусенцев и завалов, а диаметр отверстия выдержан точно. Фактический диаметр измеряют в нескольких направлениях и записывают в паспорт — по нему считают расход. Сторону, которой диафрагму ставят навстречу потоку, отмечают на ней, а при монтаже выдерживают соосность с трубой.
• Отборы. Отверстие в стенке трубы под отбор давления сверлят так, чтобы на его кромке не осталось заусенцев и выступов: они искажают давление, которое видит датчик. Сварные швы бобышек и штуцеров контролируют так же, как другие швы трубопровода.

Документы те же, что для любой продукции для АЭС: сертификаты на металл, протоколы измерений, контроля и испытаний, маркировка для прослеживаемости. Типичные ошибки — гильза из «похожей» стали вместо указанной в чертеже, завал на кромке диафрагмы после снятия заусенцев, заусенец отбора внутри трубы, фактический диаметр диафрагмы, не записанный в паспорт.

Термины

• КИПКонтрольно-измерительные приборы — датчики, преобразователи и показывающие приборы, которыми измеряют параметры оборудования.
• Измерительный каналЧасть системы контроля и управления от восприятия измеряемой величины до получения результата: датчик, линия связи, входной модуль, обработка.
• Импульсная линияТрубка, по которой давление от отбора на трубопроводе или сосуде передаётся к датчику.
• Разделитель средУстройство с гибкой мембраной или разделительной жидкостью, которое передаёт давление датчику, не пуская к нему рабочую среду.
• Защитная гильзаГлухая трубка, вваренная или ввёрнутая в трубопровод, в которую вставляют термометр; держит давление среды и защищает датчик.
• Сужающее устройствоДиафрагма, сопло или труба Вентури, по перепаду давления на которых измеряют расход.
• Уравнительный сосудСосуд на верхнем отборе уровнемера, который поддерживает в импульсной линии столб воды постоянной высоты.
• Квалификация оборудованияПодтверждение испытаниями и расчётами, что оборудование выполнит свои функции в условиях, на которые рассчитано, включая аварийные.

Частые вопросы

Что такое импульсная линия?

Тонкая трубка, по которой давление от отбора на трубопроводе или сосуде передают к датчику. Её прокладывают с уклоном, чтобы в линиях с водой не оставалось воздуха, а в линиях с газом не скапливался конденсат, и снабжают запорной арматурой для отключения датчика.

Чем термопара отличается от термометра сопротивления?

Термопара вырабатывает термо-ЭДС на спае двух разных сплавов: она мала, быстра и работает в широком диапазоне температур. Термометр сопротивления измеряет температуру по сопротивлению платины или меди и в диапазоне температур контуров АЭС точнее и стабильнее.

Как измеряют расход по перепаду давления?

В трубе ставят сужающее устройство — диафрагму, сопло или трубу Вентури. В сужении поток ускоряется, давление падает, и по разности давлений до и после сужения вычисляют расход: он пропорционален корню из перепада.

Почему токовый сигнал начинается с 4 мА, а не с нуля?

«Живой ноль» позволяет отличить нулевое показание от обрыва линии: исправный датчик в рабочем диапазоне не выдаёт меньше 4 мА. Кроме того, по тем же двум проводам датчик получает питание, а ток не зависит от сопротивления длинного кабеля.

Зачем датчики защиты ставят по нескольку на один параметр?

Чтобы отказ или ложный сигнал одного датчика не помешал защите и не остановил блок без причины. Решение принимают по совпадению сигналов независимых каналов — например, двух из трёх.