华龙一号核电厂内置换料水箱钢衬里焊缝泄漏监测装置研究

 

引言

华龙一号核电厂安注系统在换料冷停堆期间，有向反应堆换料水池充水的功能，该功能由内置换料水箱( IＲWST) 完成。IＲWST 能提供足够的含硼水: 在换料操作之前充满反应堆换料水池; 在 LOCA 或蒸汽管线破裂事故工况下，为安全注入( ＲSI) 泵和安全壳喷淋( CSP) 泵供水; 同时也作为堆腔注水冷却系统 CIS能动部分的水源。

 

内置换料水箱位于安全壳内的zui低的位置，兼做安全壳地坑，收集 LOCA 事故工况下通过破口进入安全壳的反应堆冷却剂，并收集安喷系统投入后的喷淋水。内置换料水箱的水量要求保证换料期间使换料水池建立足够高的液位，并保证事故工况下内置换料水箱的液位满足安注泵和安喷泵有效运行所需的汽蚀余量要求。由此可见，准确及时的对内置换料水箱的钢衬里焊缝泄漏进行监测报警具有重要意义。本文在分析泄漏监测要求及安装环境后提出一种可准确监测内置换料水箱钢衬里泄漏的监测装置，证明其合理可行及非常好的性。

 

1 内置换料水箱钢衬里焊缝泄漏监测要求

内置换料水箱为混凝土结构并覆有不锈钢衬里，是安全壳结构的一部分，位于安全壳内的zui底层，底标高为－6. 7 m。如果 IＲWST 出现泄漏，则泄漏水由位于钢敷面外侧的收集管道收集并通过核岛疏水排气系统( ＲVD) 监测和排放。

 

一般情况下，水箱钢衬里的泄漏测量装置是在水箱外设置一小型储水箱。换热水箱钢衬里焊缝处下面的混凝土中埋有泄漏收集管道，通过管道与泄漏储水箱连接，再经储水箱定期将泄漏的水排放到地坑收集。通过侧底装外浮筒液位开关［1－2］检测储水箱的液位，当液位达到一定高度时，发出报警，表明水箱钢衬里产生了泄漏，提醒电厂运行人员检查并处理系统泄漏。

 

但是这种常规的设计在内置换料水箱钢衬里泄漏监测中并不适用。因为内置换料水箱已经位于安全壳内的zui低的位置，泄漏收集装置只能埋在混凝土中，为了能实现泄漏监测，考虑采用顶装液位测量方式，在钢敷面引漏管下方预埋一个泄漏收集水箱，水箱上部除接收引漏管外还需要开孔用于安装液位探测装置。根据钢敷面焊缝位置的设计在内置换料水箱zui低点( 伐基) 底部设置预埋水箱，伐基底部标高为－9. 2 m，水箱上部液位探测装置安装孔与一根不锈钢管连接，不锈钢管一直向上引到－3. 3 m 层楼板上方，因内置换料水箱正常运行时储水，没有仪表安装位置和维修空间。布置设计示意图如图 1 所示。

 

2 内置换料水箱钢衬里焊缝泄漏监测仪表选型研究

鉴于上述设计，液位传感器需要从－3. 3 m 标高下探到－9. 2 m 以下的收集水箱中，长度约 6 m，要求收集水箱中在收集到泄漏液体后尽早报警，即报警液位尽量低，同时不锈钢管上部不要求密封，环境条件为常温常压，但预埋的收集水箱只有泄漏收集没有排出口，所以就要求选择的仪表不仅精度高，而且易安装、易调校、易维护，可见仪表选型工作既重要又有难度。

 

内置换料水箱钢衬里泄漏监测的目的是在测量过程中，当液位探测装置探测到液位高于某一定值时发出报警，提示操作员水箱有泄漏，操作员再结合电站运行状态采取相应的处理措施。因此在选择监测仪表时开关量仪表和模拟量仪表都能满足要求。但是鉴于安装环境的特殊性，对核电厂常用顶装液位监测仪表包括机械缆式液位开关、顶装磁浮子液位开关、顶装磁翻板液位计、导波雷达液位变送器、浮筒液位变送器以及压力法测液位等各类仪表进行适用性分析［3－10］，对比其优缺点，选择满足要求的仪表。

 

2. 1 机械缆式液位开关

这是控制液位zui简单的方法［11］。其原理是一个由自身电缆所需高度自由悬垂的塑料壳体内放置一个机械开关，当液位到达该控制器时，塑料壳体会倾斜，机械开关将闭合或断开，从而启动或关闭一台泵，或发出一个报警信号。这种缆绳长度zui长可以做到几十米，长度上完全可以满足要求，但其塑料外壳不能耐受高温，影响仪表寿命，有一定的测量死区。

 

2. 2 顶装沉筒式液位开关

顶装沉筒式液位开关是根据阿基米德定律和磁藕合原理设计而成的液位测量仪表，如图 3。弹簧被重于液体的浮子加载，浮子浸没在液体时，浮力产生变化，致使弹簧向上移动。一块永久磁铁装在带支点的开关执行机构上，当浮子随液位升高时，它将铁芯提升到磁铁的磁场中。此时，铁芯与永久磁铁相吸并靠在非磁性的密封管上，使开关机构动作液位下降时，复位弹簧将永久磁铁拉回，开关机构复位。这种开关结构简单、价格低廉、需要现场调校，该类仪表存在一定的死区，死区与浮子直径有关。

 

2. 3 顶装磁翻板液位计

顶装磁翻板液位计［12］是根据浮力原理，利用测量筒内磁性浮子随被测液面的升高或降低，通过磁场的作用，使测量筒外部显示器上的双色翻板随之翻转，实现显示被测液面位置的目的。顶装磁翻板液位计由测量管、指示器以及信号输出部分组成，它通过法兰或承插焊的连接方式与液位储罐连接，随着储罐内液位的上下变化，带动含有永久磁钢的浮子上下移动。该类仪表可以就地显示液位，但是因浮子需在安装接口上部上下移动，移动空间由测量范围决定，所以安装接口顶端对空间要求较高，底部液位测量死区大。

 

2. 4 导波雷达液位变送器

        导波雷达液位变送器的工作原理［13］是基于电磁波的时域反射原理，电磁波发生器产生一个沿探测杆向下传送的电磁脉冲波。当电磁脉冲遇到比先前传导介质( 比如空气) 介电常数大的液体表面时，脉冲波会被反射。通过超高速计时电路计算脉冲从发射到反射的时间差△T，设导波雷达液位计顶部到液面的距离 S = V×△T /2，如果导波雷达液位计到容器底部的距离为 H，则液位 L =H－S。导波雷达液位计测量原理和同轴探头如图 4 所示。

 

导波雷达液位变送器的特点如下:

( 1) 发射的电磁波是恒定的，不需要进行现场校验、也不需要通过迁移来改变仪表量程;

( 2) 安装方式多样，可以使用螺纹和法兰连接;

( 3) 没有会被磨损和破坏的机械运动部件。

一般对于介电常数小或者液面有扰动的情况下需要考虑安装导波管，导波管应由金属或金属加衬塑制成，导波管内径需光滑，无毛刺，导波管内径应始终保持不变，长度应大于或等于导波杆长度。但是本文内置换料水箱钢衬里泄漏监测环境下，底部预埋的不锈钢管起到了导波的作用，而从不锈钢管末端到水箱底部这段距离因失去导波管会造成失波，无法满足液位从水箱底部开始测量的要求。

 

2. 5 电浮筒液位变送器

电浮筒液位变送器的测量元件是圆柱型沉筒，如图 5，沉筒悬挂在杠杆上，杠杆另一端架在一个支点上，并与扭力管连接，当挂沉筒一端的杠杆上下移动时，架在支点上面一端的杠杆绕支点旋转，带动扭力管旋转，扭力管输出一个转角给表头，这个转角带动表头中的霍尔磁钢感应器的磁钢运动，根据霍尔效应电压相应作出变化，输出电压通过转换电路转变为4 mA～20 mA的电流信号。液位越高，淹没沉筒越高，浮力越大。电浮筒液位变送器沉筒可以触底安装，4 mA只对应 0 m 液位，全量程精度一致，测量精度高，兼具有现场指示和远程监测的功能，同时沉筒底部不需要固定安装，只需将沉筒上部法兰固定到不锈钢管顶部的配对法兰上即可，沉筒和法兰之间采用刚性连接，因此可靠性高，维护量少。

 

2. 6 差压法测液位

差压、压力方式测量液位［14－16］，液位越高，容器底部压力越大，通过测量容器底部压力的方式测量液位。如果容器液位上部本身有压力( 或真空) ，就选用差压变送器来测量，以克服液位上面的压力影响。内置换料水箱的泄漏监测如果选用此原理测量液位，因变送器安装位置较高，需要选用远传毛细管的压力变送器，而要尽量准确的测得液位需要将传感膜片和远传法兰固定在水箱底部，但是因内置换料水箱已经是zui低点，安装人员无法进入水箱，无法实施安装操作，所以该方案几乎不可行。

 

综合上述，对几种核电厂常用顶装液位仪表的原理、特点以及对内置换料水箱应用环境的适用性分析，可见采用电浮筒液位变送器是比较理想的选择。

 

3 内置换料水箱钢衬里泄漏监测装置

在上述分析基础上，对于华龙一号核电厂内置换料水箱钢衬里焊缝泄漏监测提出预埋的泄漏收集水箱高 度 270 mm，电浮筒液位变送器选用 ＲOSEMOUNT 的 MLT 系列仪表，该仪表沉筒高度zui短可以做到 300 mm，沉筒触底安装，水箱底部即可发出 4 mA信号，对应液位 0 m，精度＜+ /1%全量程，仪表过程接口采用法兰安装，配对法兰安装在从预埋水箱引出的不锈钢管顶部，不锈钢管长度 6. 54 m，该长度已经考虑了－3. 3 m 楼板以上的仪表安装空间。同时仪表输出 4 mA～20 mA 的电流信号可以在主控室显示液位的实时变化，同时液位报警定值也可以在主控室进行设定和修改，方便可靠。内置换料水箱钢衬里焊缝泄漏监测装置安装示意图如图 6。

 

4 结束语

综上所述，华龙一号核电厂安注系统在换料冷停堆期间完成向反应堆换料水池充水功能必不可少的内置换料水箱位置特殊，功能重要，准确及时的对其钢衬里焊缝泄漏进行监测报警意义重大。

 

本文在分析内置换料水箱土建结构特点及环境要求的基础上，结合目前国内常用液位仪表的现状、原理及应用特点［17－20］，zui终选择电浮筒液位变送器作为性价比相对较高的设计方案，进一步证明了选择仪表要密切结合使用环境、安装要求、测量要求，更要充分考虑仪表的可靠性、既可以节约成本，也有利于现场的安装、调试和控制。随着自动化仪表技术的发展，测量液位的方法及相应的仪表也在不断的改进和更新。本文给出的监测装置研究为今后项目的仪表选型、技术更新都有一定的指导意义。