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磁翻板液位计和差压变送器测量堆芯补水箱液位的可行性方案研究
发布时间： 2020-12-02
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摘 要: 堆芯补水箱是三代核电非能动技术的重要组成部分之一。当发生设计基准事故时，其中的反应堆冷却剂受重力影响直接注入堆芯，以控制事故的发展。目前采用 1E 级磁翻板液位计来测量堆芯补水箱的液位。考虑到长期以来对于堆芯补水箱的安全级液位测点选型方案存在不同见解，为了验证现有选型方案的正确性，在目前常见的液位仪表中尝试寻找其他可行的测量方式。针对其他测量方式在测量不确定度、可行性等方面进行讨论和分析。zui后，比较几种方案的优缺点并进行总结以确定堆芯补水箱液位测点的仪表选型方案。
0 引言
堆芯补水箱是三代核电技术非能动安全设施中的重要组成部分，其液位的高低将直接驱动保护系统的投运［1］［2］。目前在堆芯补水箱上分别采用了磁翻板液位计和差压变送器用来测量其液位，其中安全级窄量程液位采用了 1E 级磁翻板液位计。
较长一段时间，针对液位测点的仪表选择存在不同见解。本文将在分析液位仪表的使用情况以及目前常见液位仪表使用情况的基础上，从堆芯补水箱的特殊工况出发，来探讨和分析液位测量方案中液位仪表的选择、面临的问题以及解决方案。
1 堆芯补水箱的介绍
1. 1 堆芯补水箱功能简介［3］
三代核电技术的非能动堆芯冷却系统一般设有两个互为冗余的堆芯补水箱，其形状为带有半球状上封头和下封头的立式圆柱箱。它们由碳钢材料制成并内衬不锈钢。
堆芯补水箱可在一回路压力下运行。在 LOCA 事故下，堆芯补水箱将提供高压安注。堆芯补水箱与安注箱和内置换料水箱共用一条注射管线。堆芯补水箱所处位置高于反应堆冷却剂系统环路，并且每个堆芯补水箱设置一条由冷段到补水箱顶部的压力平衡管线。
初始假设反应堆运行在稳态满功率状态下，破口发生，当一回路冷却剂通过破口流失时，稳压器压力开始下降，卸压速率主要由通过破口的流量决定。当稳压器压力低于安全信号整定值时，引起反应堆停堆，堆芯补水箱隔离阀开启。当剩余裂变消失时，堆芯功率由衰变热功率决定。经过一段时间的延迟，反应堆冷却剂泵停泵，随后一回路通过自然循环冷却，通过蒸汽发生器和破口排出热量。
在此期间，各个系统设备内的热工水力现象基本无异于正常运行状态。当堆芯补水箱隔离阀开启后，堆芯补水箱依靠自然循环向堆芯注射含硼水，堆芯补水箱内的冷水被来自冷段的热水置换，zui终在堆芯补水箱顶部形成一个热水层［3］。此时堆芯补水箱处于自然循环阶段。随着事故的进展，一回路冷段热水逐渐转化为水蒸气，zui终在堆芯补水箱顶部形成蒸汽空间，开始进入堆芯补水箱的蒸汽补偿阶段。随着堆芯补水箱的水位逐渐降低，触发保护设施开启。
2 常见的液位测量方法
在三代核电技术设计中常见的液位测量方式为: 雷达式、超声波式、射频导纳、磁浮子式以及差压式。堆芯补水箱上也使用了差压变送器作为正常工况时的液位测量方案。针对堆芯补水箱安全相关的窄量程测点则采用了 1E 级磁翻板液位计进行测量，以下先简单介绍下几种液位计的测量原理和优缺点。
2. 1 几种液位测量方式的工作原理和优缺点
2. 1. 1 磁翻板液位计［4］
磁翻板液位计带远传由液位计主体和传感器和信号转换变送器组成。传感器由干簧链组件、测量管、磁浮子等部件组成。干簧链组件由并接的磁力驱动的常开干簧管和串联的电阻器组成，并组装在密封管内。浮子置于一根浮子室测量管内，可在测量管内自由地随液位的变化上下移动，干簧链组件位于测量管外部，磁浮子所产生的磁力通过测量管管壁驱动干簧管接通。通过引线，引出与液位高度相对应的电阻链阻值，再经电子部件转换成规范的信号输出。该仪表受环境条件影响较小，且测量较为直观。目前三代核电技术普遍在堆芯补水箱液位这一安全有关测点采用磁翻板液位计作为测量手段。
2. 1. 2 超声波液位计和雷达液位计［5－6］
雷达物位计和超声波液位计的测量原理类似，都是利用设备中的传感器发出脉冲或者超声波经过被测介质后返回并接收。由于脉冲或者超声波在不同介质中的传递速度不同，从而可以通过对脉冲或者超声波接收时间的不同计算出被测介质的液位。但鉴于超声波式不能用于高温高压环境，而雷达式的电子部件又对于辐照十分敏感，且之前同样没有 1E 级产品。故此两者皆不宜采用。
2. 1. 3 射频导纳液位计［7－8］
导纳的定义为电学中阻抗的倒数，由电阻性成分、电容性成分、感性成分组成，其与电容两极间的介质的介电常数和导电性密切相关，可以通过高频电波进行测量。射频导纳式液位计的测量原理为将仪表探针和容器内壁理解为电容的两极。通过探针不断发射高频电波来测量探针和容器内壁之间的导纳值。随着液位的变化，容器内导纳值也随之变化。因此可以通过测量导纳值来得到实际液位。其缺点在于耐温耐压能力较差，射频导纳式无法满足这一要求。且之前同样没有 1E 级
产品，故不宜采用。
差压变送器通过测量设备或者管道内介质产生的压力差来推算液位的高度。差压变送器在三代核电技术设计中被广泛使用。蒸发器液位、稳压器液位、内置换料水箱液位等安全有关测量通道皆采用该种测量原理。且 1E 级变送器产品较为成熟，供货较为方便，有利于运行维护需要。因此差压变送器测量被也选为堆芯补水箱正常工况下的宽量程液位测量方案。
3 差压法测量问题和讨论
如果将差压法测量作为堆芯补水箱安全相关的窄量程液位测量方案，差压法测量还需进一步考虑实际测量过程中可能遇到的问题和解决对策。 3. 1 差压法测量的误差问题正常运行状态下，堆芯补水箱内部介质密度基本不变，因此可采用差压变送器来测量堆芯补水箱非 1E 级宽量程液位测点。而事故状态( 包括自然循环状态和蒸汽补偿状态) 下，由于介质密度动态变化，直接采用差压法测液位，产生的误差较大。 表 1 为使用磁浮子法和差压法测量堆芯补水箱液位所产生的不确定度。
从表 1 的计算结果可知，使用变送器代替磁翻板液位计会导致误差变大。鉴于堆芯补水箱内介质密度对差压变送器测量法产生的影响较大( 造成约 15% SPAN的不确定度误差) ，需要增加 1E 级铂热电阻对被测介质密度进行补偿以减小误差。 3. 2 堆芯补水箱内部状态模式判断问题事故情况下，堆芯补水箱内部存在自然循环和蒸汽补偿两个状态［11－12］。堆芯补水箱在这两种状态模式下，注入的热水和蒸汽都会造成介质总密度降低，而水箱内相应的液位高度变化却完全不同，自然循环状态时，液位不会发生变化。蒸汽补偿状态时，液位会随着 ＲCS 冷端蒸汽的注入而下降。由于差压法测量为二次测量，因此有可能会发生差压变送器在自然循环状态测得数值与蒸汽补偿状态时的相同，从而导致保护设备误开启产生严重后果。因此要用差压法测量事故工况下的液位，必须先识别出堆芯补水箱处于哪种状态模式。
3. 2. 1 仪表布置的示意图
由于不同事故工况下，一回路破口大小，一回路完整性、堆芯补水箱注射时间等客观因素会导致由冷段注入堆芯补水箱的介质的压力、温度都不尽相同。图 4 为某一事故工况下由 NOTＲUMP 软件［13－15］模拟的堆芯补水箱上部和下部不同标高位置温度随时间变化的曲线。
由图可见，从堆芯补水箱开始注射后，单一事故情况下堆芯补水箱不同标高位置的 20 个节点温度差异较大。再到可能会存在复合事故发生的情况，差压变送器所测压差:
其中，ρi 为不同标高介质的密度; h 为变送器上下取压口之间的距离; g 为重力加速度; h1 为上部取压口标高; h2 为上部取压口标高。
3. 2. 2 保护设备误开启的可能性
根据上节的称述，堆芯补水箱在自然循环和蒸汽补偿两个状态时，堆芯补水箱的介质的压力、温度都不尽相同。为了分析保护设备误开启的可能性，堆芯补水箱一个标准的圆柱体，其中介质为单一密度的热水、冷水和蒸汽。则变送器测得的差压值为:
再循环工况( 热水+冷水) 时: ΔPＲ = ρc* H* g+ρh * ( h－H) * g ( 2)蒸汽补偿工况( 蒸汽+热水) 时: ΔPS = ρh * H* g+ρs* ( h－H) * g ( 3)
其中，H 为液面高度; h 为变送器上下取压口之间的距离; ρup为上取压口的液体密度; ρdown为下取压口的液体密度
如果再将堆芯补水箱内部再循环工况时介质密度热水密度冷水密度，蒸汽补偿工况时介质密度为蒸汽密度热水密度，则可以得到一个简易函数曲线，见图 6。
由图可知，两种模式的测量差压值存在重叠的情况，即当堆芯补水箱处于蒸汽补偿模式，液位从满水开始下降的过程中，差压变化范围可能与自然循环模式相等。此时，若无其他工艺参数参考，液位信号将无法向操纵员提供准确的堆芯补水箱，导致其失去判断电站运行情况的能力，甚至有导致保护设施误开启的可能。由于不同事故情况下，当堆芯补水箱内部液位下降到整定值时，介质的状态也相同，并不能简单的以热水加冷水或者蒸汽加热水来堆芯补水箱也不是简单的标准圆柱筒体。实际上事故发生时，内部处于一种气液两相混合的复杂热工水力。目前尚缺少可以完全分析堆芯补水箱整个热工水力工况，不宜用差压变送器替代现有的磁翻板液位计测量。
4 差压测量法和磁浮子测量法的比较
与磁浮子测量法相比，差压法测量的优势包括: 仪表成熟度较高，类似安全有关测点应用较为广泛; 造价相对较低，供货商较多，便于后期维护; 设备体积重量较小、易于现场布置等。
差压测量法的不足在于为间接测量，会出现第 3 章中提到的模式判断问题，进一步分析各工况和复合工况发生时堆芯补水箱内的热工水力。
与差压测量法相比，磁浮子测量法为一次测量，更为直观，不会产生类似差法测量法误的情况。同时 1E级磁翻板液位计已经完成了所有 1E 级设备鉴定，包括抗震、耐高温、耐高压性能、辐照等指标均满足三代核电的技术要求。
5 总结
堆芯补水箱是三代核电技术非能动安全设施中的重要组成部分，其液位的降低将直接驱动保护系统的投运，是反应堆安全运行的重要保证，因此需谨慎对待其液位测量仪表的选择。目前设计采用 1E 级磁翻板液位计来测量堆芯补水箱的液位。本文在目前上液位仪表的使用情况以及目前常见液位仪表使用情况的基础上，从堆芯补水箱的特殊工况出发，探讨和分析了堆芯补水箱液位测量方案中液位仪表的选择、面临的问题以及解决方案。
首先分析了当前三代核电技术中堆芯补水箱热工水力工况，探讨了当前堆芯补水箱安全级液位测点使用1E 级磁翻板液位计的原因。结合堆芯补水箱工况要求和差压测量法的原理，整理了差法测量法可能存在的问题，并尝试给出了这些问题的解决方法和研究方向。根据现有三代核电技术的要求以及堆芯补水箱热工水力工况来判断，差压法由于受介质密度变化影响较大且存在误动作的可能，因此尚无法替代磁浮子测量法作为堆芯补水箱的安全有关液位测点测量方式。而其他液位测量方式的仪表又由于辐照等因素无法应用于堆芯补水箱上的安全有关液位测点，因此就现有的条件而言，磁翻板液位计是zui合适堆芯补水箱安全有关液位测点的测量方式。应积极争取该仪表，以便推进堆型出口和后续项目应用。
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