瞬态条件下稳压器水位测量特性试验研究

 

引 言 至整个装置的安全与运行控制具有重要的意义。

在压水堆核动力装置中，压力安全系统负 目前，针对稳压器水位测量与控制问题，国内外责反应堆一回路系统运行压力的稳定与控制保 均开展了大量的研究工作。国外主要研究利用状护[1]，电加热稳压器是压力安全系统的主要设备。 态反馈[2]、模糊控制[3]、神经网络[4]等手段实现更在一回路系统和设备发生泄漏的瞬态条件下，准 为精准的水位控制。国内方面，袁明春等提出对确测量稳压器水位的变化，对于核动力一回路乃 稳压器内介质密度进行补偿实现高精度测量[5]；王晓龙等根据稳压器水位参数与反应堆进出口平均温度、稳压器压力与温度、主回路系统的冷却剂装量、充排水流量等热工水力参数的祸合关系，提出一种基于支持向量回归的稳压器水位信号重构方法U;马进等通过对压水堆核电厂稳压器实际运行特性的分析研究，在合理简化与假设的墓础上分别对稳压器蒸汽区以及液体区建立质量和能量守恒方程，建立两区不平衡的稳压器模型，通过仿真对稳压器主要参数进行了动态特性分析川。目前的研究主要集中在稳压器稳态水位测量和水位控制方面，对于压力瞬变情况下，水位测量特性方面的研究关注较少。

 

   鉴于工程实际需求，本文针对压力瞬变条件下的水位测量特性进行了试验研究，提出了利用压差进行液相区的密度修正的测量方法，并搭建了热态试验回路，测量获得了不同蒸汽泄漏瞬态工况下的稳压器内压力、温度以及水位测量变化信号，构建了分析模型，研究了压力瞬变条件下，稳压器液相区的密度变化特征以及对水位测量特性的影响规律。

 

1、稳压器水位测量原理

    在额定功率下，稳压器内60%是饱和水，40%为饱和蒸汽181，稳压器水位通过测量稳压器内已知高度间的压差，再利用密度修正计算得出。压差测点分别布置在蒸汽空间与液体空间，核电厂稳压器水位(h)测量原理如下:

 

%%%%%%%%%%%%%

 

式中，P0、Pr Ps分别为引压管内液体密度、稳压器内饱和水和饱和蒸汽密度，k留M3., h，是高低引压点高度差，m;明为测量压差，Pa; g为重力加速度，m·S-2.

    由式(1)可以看出，密度对于水位测量的结果影响很大。当压力瞬态变化时，对应的饱和水和饱和蒸汽密度会同时发生变化，同时，引压管内液体密度也发生相应变化，尤其是在压力瞬间下降时，液相饱和水部分发生汽化，如果一直采用饱和水密度代替，容易出现水位测量偏差。

 

2、试验装置与试验步骤

    正常运行过程中，回路管道、稳压器泄压阀以及人孔密封发生泄漏都会导致稳压器内非降温影响的压力下降，压力下降将导致液相区蒸发以及区内密度变化，从而使得水位发生变化，可能存在测量水位值与真实水装量变化不符的情况，容易导致水位控制的误操作进而影响运行安全。

    为了模拟稳压器的蒸汽泄漏工况，研究水位测量随泄漏率的变化情况，试验以电加热稳压器为试验体，配置了相应的补水、排放装置。考虑泄漏发生的较恶劣工况，本次试验模拟了2.6-7.8kPa/、的降压速率，降压期间不进行喷淋，且稳压器与一回路系统进行了隔离，避免了一回路容积波动对稳压器压力的影响。

 

2.1试验回路系统

    试验回路系统流程如图I所示。上充泵将水箱的水送入稳压器内，稳压器内的电加热装置将稳压器压力升至相应工作压力并稳定，通过调节稳压器蒸汽排放阀的开度，模拟不同的蒸汽泄漏率。当稳压器内水位低于设定值时，启动上充泵向稳压器内补水。

 

2.2试验体设计

    电加热稳压器是本次试验的试验体，为了对比不同水位测量方式的测量特性，试验体上设计了3套水位测量装置，其中一套为模拟核电厂稳压器水位测量装置，利用稳压器压力修正密度:一套利用压差修正密度测量水位，在液体区域设置了已知高度的压差测量装置，用于补偿稳压器内密度:一套就地水位计，该水位计采用连通器原理实时反应稳压器水容积状态，并且将该状态转换为模拟信号输出。

 

2.3试验测量装置

    采用iluke2645采集器进行试验数据采集，频率为I liz。试验设备和仪表主要参数见表1.

%%%%%%%%%%%

 

2.4试验工况安排

    试验主要是为了研究瞬态条件下水位测量特性的变化，通过调节排气阀的开度模拟排放量，试验工况参数如表2所示。

%%%%%%%%%%%%

 

2.5试验不确定度分析

    依据计算公式，各因素灵敏系数为水位计算函数的偏导。高度的不确定度采用B类评定方法，考虑装配误差与读数误差，按经验给定5 mm的偏差，按照均匀分布计算。考虑简化计算，一般间接测量值采用相对不确定度来进行传递。水位压差直接测量，其合成不确定度考虑仪表基本误差引入的不确定度、配电器引入的不确定度以及采集器引入的不确定度，依据IAPWS-IF97工业公式未饱和与饱和水密度计算公式计算密度修正引入的不确定度。经计算，瞬态试验在不考虑测量序列的不确定度外，水位测量的相对不确定度不超过1.48%。

 

4试验结果与分析

4.1稳压器内水位变化趋势

    试验体上布置有3套水位计。其中，就地水位计采用的是连通器原理，zui能够直接反应稳压器内水位变化，为精确测量，试验过程中，在就地水位计内布置有温度测点，用于修正就地水位计与稳压器内的密度差，将其作为实测水位。将实测水位、利用压力计算饱和水密度以及利用液体区压差进行密度修正的结果进行比较，结果如图3所示。

    如图3所示，3者测量趋势与理论分析结果一致，其中压差修正密度方式与就地水位计测量结果zui为接近，测量偏差在2%以内。因此，采用压差进行密度修正有利于提高水位测量的精度。采用饱和密度进行水位计算的结果与就地水位计结果有偏差，其原因在于稳压器内液相区因压力陡降，存在局部汽化现象，液相区密度低于饱和水密度，故仅采用压力对应饱和密度进行修正存在较大测量偏差。

 

4.2稳压器内液相区密度与降压速率的关系

    从水位计算原理分析，压力瞬变导致的稳压器内液相区密度变化是导致水位测量出现偏差的主要贡献因素，AP2为稳压器窄量程水位压差，是稳压器内液相区密度与引压管密度差的表征量，不同压降幅度与降压速率对」P2影响如图4-图6所示。

    如图4所示，各种工况情况下」弓变化趋势一致，即随着稳压器内压力的降低呈现先增大后减小的趋势。假设」弓随稳压器内压力下降升至的zui高值与」P2初始值之间的差为」P2的变化幅值，其幅值与压力变化幅值并非线性关系，当稳压器内压力变化幅值大于1 MPH时，姚变化幅值出现较大的增长，详见图5。

    AP2的变化幅值与稳压器内降压速率趋势如图6所示，AP,的变化幅值随降压速率增大而增长较快。

    定义」弓随稳压器内压力下降升至zui高值的时间为过渡时间，各降压速率下，AP2的变化幅值和过渡时间详见表3。不同压降速率条件下，P的过渡时间均小于40s，且与降压速率单因素无强相关性。

 

5、结论

    核电厂稳压器水位采用压差测量的方式，利用压力对应密度曲线修正稳压器内液相区密度，针对本稳压器试验模拟体，与液相区压差测量修正密度分析对比发现:

    (1)试验参数范围内，稳压器内压力下降过程中，稳压器内水位因为液相区的密度变化，常用的饱和密度修正水位计算值与实际水位差值zui大可达200 mm.

    (2)采用压差修正密度方法在压力瞬变情况下有较好的跟随性，能够更好的反应水位特性，与实际水位差值小于50 mm.

    (3)试验参数范围内，表征稳压器内液相区密度变化的」乃的变化幅值与稳压器内压力变化速率正强相关，随着稳压器内压力变化速率的增大，AP2变化幅值逐渐增大。

    (4)试验参数范围内，AP,在压力减小的过程中，过渡时间小于40、，且过渡时间与压变速率单因素无强相关性。