引言

華龍一號(hào)核電廠安注系統(tǒng)在換料冷停堆期間，有向反應(yīng)堆換料水池充水的功能，該功能由內(nèi)置換料水箱( IＲWST) 完成。IＲWST 能提供足夠的含硼水: 在換料操作之前充滿反應(yīng)堆換料水池; 在 LOCA 或蒸汽管線破裂事故工況下，為安全注入( ＲSI) 泵和安全殼噴淋( CSP) 泵供水; 同時(shí)也作為堆腔注水冷卻系統(tǒng) CIS能動(dòng)部分的水源。

 

內(nèi)置換料水箱位于安全殼內(nèi)的zui低的位置，兼做安全殼地坑，收集 LOCA 事故工況下通過(guò)破口進(jìn)入安全殼的反應(yīng)堆冷卻劑，并收集安噴系統(tǒng)投入后的噴淋水。內(nèi)置換料水箱的水量要求保證換料期間使換料水池建立足夠高的液位，并保證事故工況下內(nèi)置換料水箱的液位滿足安注泵和安噴泵有效運(yùn)行所需的汽蝕余量要求。由此可見(jiàn)，準(zhǔn)確及時(shí)的對(duì)內(nèi)置換料水箱的鋼襯里焊縫泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警具有重要意義。本文在分析泄漏監(jiān)測(cè)要求及安裝環(huán)境后提出一種可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)內(nèi)置換料水箱鋼襯里泄漏的監(jiān)測(cè)裝置，證明其合理可行及非常好的性。

 

1 內(nèi)置換料水箱鋼襯里焊縫泄漏監(jiān)測(cè)要求

內(nèi)置換料水箱為混凝土結(jié)構(gòu)并覆有不銹鋼襯里，是安全殼結(jié)構(gòu)的一部分，位于安全殼內(nèi)的zui底層，底標(biāo)高為－6. 7 m。如果 IＲWST 出現(xiàn)泄漏，則泄漏水由位于鋼敷面外側(cè)的收集管道收集并通過(guò)核島疏水排氣系統(tǒng)( ＲVD) 監(jiān)測(cè)和排放。

 

一般情況下，水箱鋼襯里的泄漏測(cè)量裝置是在水箱外設(shè)置一小型儲(chǔ)水箱。換熱水箱鋼襯里焊縫處下面的混凝土中埋有泄漏收集管道，通過(guò)管道與泄漏儲(chǔ)水箱連接，再經(jīng)儲(chǔ)水箱定期將泄漏的水排放到地坑收集。通過(guò)側(cè)底裝外浮筒液位開(kāi)關(guān)［1－2］檢測(cè)儲(chǔ)水箱的液位，當(dāng)液位達(dá)到一定高度時(shí)，發(fā)出報(bào)警，表明水箱鋼襯里產(chǎn)生了泄漏，提醒電廠運(yùn)行人員檢查并處理系統(tǒng)泄漏。

 

但是這種常規(guī)的設(shè)計(jì)在內(nèi)置換料水箱鋼襯里泄漏監(jiān)測(cè)中并不適用。因?yàn)閮?nèi)置換料水箱已經(jīng)位于安全殼內(nèi)的zui低的位置，泄漏收集裝置只能埋在混凝土中，為了能實(shí)現(xiàn)泄漏監(jiān)測(cè)，考慮采用頂裝液位測(cè)量方式，在鋼敷面引漏管下方預(yù)埋一個(gè)泄漏收集水箱，水箱上部除接收引漏管外還需要開(kāi)孔用于安裝液位探測(cè)裝置。根據(jù)鋼敷面焊縫位置的設(shè)計(jì)在內(nèi)置換料水箱zui低點(diǎn)( 伐基) 底部設(shè)置預(yù)埋水箱，伐基底部標(biāo)高為－9. 2 m，水箱上部液位探測(cè)裝置安裝孔與一根不銹鋼管連接，不銹鋼管一直向上引到－3. 3 m 層樓板上方，因內(nèi)置換料水箱正常運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)水，沒(méi)有儀表安裝位置和維修空間。布置設(shè)計(jì)示意圖如圖 1 所示。

 

2 內(nèi)置換料水箱鋼襯里焊縫泄漏監(jiān)測(cè)儀表選型研究

鑒于上述設(shè)計(jì)，液位傳感器需要從－3. 3 m 標(biāo)高下探到－9. 2 m 以下的收集水箱中，長(zhǎng)度約 6 m，要求收集水箱中在收集到泄漏液體后盡早報(bào)警，即報(bào)警液位盡量低，同時(shí)不銹鋼管上部不要求密封，環(huán)境條件為常溫常壓，但預(yù)埋的收集水箱只有泄漏收集沒(méi)有排出口，所以就要求選擇的儀表不僅精度高，而且易安裝、易調(diào)校、易維護(hù)，可見(jiàn)儀表選型工作既重要又有難度。

 

內(nèi)置換料水箱鋼襯里泄漏監(jiān)測(cè)的目的是在測(cè)量過(guò)程中，當(dāng)液位探測(cè)裝置探測(cè)到液位高于某一定值時(shí)發(fā)出報(bào)警，提示操作員水箱有泄漏，操作員再結(jié)合電站運(yùn)行狀態(tài)采取相應(yīng)的處理措施。因此在選擇監(jiān)測(cè)儀表時(shí)開(kāi)關(guān)量?jī)x表和模擬量?jī)x表都能滿足要求。但是鑒于安裝環(huán)境的特殊性，對(duì)核電廠常用頂裝液位監(jiān)測(cè)儀表包括機(jī)械纜式液位開(kāi)關(guān)、頂裝磁浮子液位開(kāi)關(guān)、頂裝磁翻板液位計(jì)、導(dǎo)波雷達(dá)液位變送器、浮筒液位變送器以及壓力法測(cè)液位等各類儀表進(jìn)行適用性分析［3－10］，對(duì)比其優(yōu)缺點(diǎn)，選擇滿足要求的儀表。

 

2. 1 機(jī)械纜式液位開(kāi)關(guān)

這是控制液位zui簡(jiǎn)單的方法［11］。其原理是一個(gè)由自身電纜所需高度自由懸垂的塑料殼體內(nèi)放置一個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)，當(dāng)液位到達(dá)該控制器時(shí)，塑料殼體會(huì)傾斜，機(jī)械開(kāi)關(guān)將閉合或斷開(kāi)，從而啟動(dòng)或關(guān)閉一臺(tái)泵，或發(fā)出一個(gè)報(bào)警信號(hào)。這種纜繩長(zhǎng)度zui長(zhǎng)可以做到幾十米，長(zhǎng)度上完全可以滿足要求，但其塑料外殼不能耐受高溫，影響儀表壽命，有一定的測(cè)量死區(qū)。

 

2. 2 頂裝沉筒式液位開(kāi)關(guān)

頂裝沉筒式液位開(kāi)關(guān)是根據(jù)阿基米德定律和磁藕合原理設(shè)計(jì)而成的液位測(cè)量?jī)x表，如圖 3。彈簧被重于液體的浮子加載，浮子浸沒(méi)在液體時(shí)，浮力產(chǎn)生變化，致使彈簧向上移動(dòng)。一塊永久磁鐵裝在帶支點(diǎn)的開(kāi)關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，當(dāng)浮子隨液位升高時(shí)，它將鐵芯提升到磁鐵的磁場(chǎng)中。此時(shí)，鐵芯與永久磁鐵相吸并靠在非磁性的密封管上，使開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)動(dòng)作液位下降時(shí)，復(fù)位彈簧將永久磁鐵拉回，開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)復(fù)位。這種開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)校，該類儀表存在一定的死區(qū)，死區(qū)與浮子直徑有關(guān)。

 

2. 3 頂裝磁翻板液位計(jì)

頂裝磁翻板液位計(jì)［12］是根據(jù)浮力原理，利用測(cè)量筒內(nèi)磁性浮子隨被測(cè)液面的升高或降低，通過(guò)磁場(chǎng)的作用，使測(cè)量筒外部顯示器上的雙色翻板隨之翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)顯示被測(cè)液面位置的目的。頂裝磁翻板液位計(jì)由測(cè)量管、指示器以及信號(hào)輸出部分組成，它通過(guò)法蘭或承插焊的連接方式與液位儲(chǔ)罐連接，隨著儲(chǔ)罐內(nèi)液位的上下變化，帶動(dòng)含有永久磁鋼的浮子上下移動(dòng)。該類儀表可以就地顯示液位，但是因浮子需在安裝接口上部上下移動(dòng)，移動(dòng)空間由測(cè)量范圍決定，所以安裝接口頂端對(duì)空間要求較高，底部液位測(cè)量死區(qū)大。

 

2. 4 導(dǎo)波雷達(dá)液位變送器

        導(dǎo)波雷達(dá)液位變送器的工作原理［13］是基于電磁波的時(shí)域反射原理，電磁波發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)沿探測(cè)桿向下傳送的電磁脈沖波。當(dāng)電磁脈沖遇到比先前傳導(dǎo)介質(zhì)( 比如空氣) 介電常數(shù)大的液體表面時(shí)，脈沖波會(huì)被反射。通過(guò)超高速計(jì)時(shí)電路計(jì)算脈沖從發(fā)射到反射的時(shí)間差△T，設(shè)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)頂部到液面的距離 S = V×△T /2，如果導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)到容器底部的距離為 H，則液位 L =H－S。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量原理和同軸探頭如圖 4 所示。

 

導(dǎo)波雷達(dá)液位變送器的特點(diǎn)如下:

( 1) 發(fā)射的電磁波是恒定的，不需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)、也不需要通過(guò)遷移來(lái)改變儀表量程;

( 2) 安裝方式多樣，可以使用螺紋和法蘭連接;

( 3) 沒(méi)有會(huì)被磨損和破壞的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件。

一般對(duì)于介電常數(shù)小或者液面有擾動(dòng)的情況下需要考慮安裝導(dǎo)波管，導(dǎo)波管應(yīng)由金屬或金屬加襯塑制成，導(dǎo)波管內(nèi)徑需光滑，無(wú)毛刺，導(dǎo)波管內(nèi)徑應(yīng)始終保持不變，長(zhǎng)度應(yīng)大于或等于導(dǎo)波桿長(zhǎng)度。但是本文內(nèi)置換料水箱鋼襯里泄漏監(jiān)測(cè)環(huán)境下，底部預(yù)埋的不銹鋼管起到了導(dǎo)波的作用，而從不銹鋼管末端到水箱底部這段距離因失去導(dǎo)波管會(huì)造成失波，無(wú)法滿足液位從水箱底部開(kāi)始測(cè)量的要求。

 

2. 5 電浮筒液位變送器

電浮筒液位變送器的測(cè)量元件是圓柱型沉筒，如圖 5，沉筒懸掛在杠桿上，杠桿另一端架在一個(gè)支點(diǎn)上，并與扭力管連接，當(dāng)掛沉筒一端的杠桿上下移動(dòng)時(shí)，架在支點(diǎn)上面一端的杠桿繞支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)扭力管旋轉(zhuǎn)，扭力管輸出一個(gè)轉(zhuǎn)角給表頭，這個(gè)轉(zhuǎn)角帶動(dòng)表頭中的霍爾磁鋼感應(yīng)器的磁鋼運(yùn)動(dòng)，根據(jù)霍爾效應(yīng)電壓相應(yīng)作出變化，輸出電壓通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變?yōu)? mA～20 mA的電流信號(hào)。液位越高，淹沒(méi)沉筒越高，浮力越大。電浮筒液位變送器沉筒可以觸底安裝，4 mA只對(duì)應(yīng) 0 m 液位，全量程精度一致，測(cè)量精度高，兼具有現(xiàn)場(chǎng)指示和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的功能，同時(shí)沉筒底部不需要固定安裝，只需將沉筒上部法蘭固定到不銹鋼管頂部的配對(duì)法蘭上即可，沉筒和法蘭之間采用剛性連接，因此可靠性高，維護(hù)量少。

 

2. 6 差壓法測(cè)液位

差壓、壓力方式測(cè)量液位［14－16］，液位越高，容器底部壓力越大，通過(guò)測(cè)量容器底部壓力的方式測(cè)量液位。如果容器液位上部本身有壓力( 或真空) ，就選用差壓變送器來(lái)測(cè)量，以克服液位上面的壓力影響。內(nèi)置換料水箱的泄漏監(jiān)測(cè)如果選用此原理測(cè)量液位，因變送器安裝位置較高，需要選用遠(yuǎn)傳毛細(xì)管的壓力變送器，而要盡量準(zhǔn)確的測(cè)得液位需要將傳感膜片和遠(yuǎn)傳法蘭固定在水箱底部，但是因內(nèi)置換料水箱已經(jīng)是zui低點(diǎn)，安裝人員無(wú)法進(jìn)入水箱，無(wú)法實(shí)施安裝操作，所以該方案幾乎不可行。

 

綜合上述，對(duì)幾種核電廠常用頂裝液位儀表的原理、特點(diǎn)以及對(duì)內(nèi)置換料水箱應(yīng)用環(huán)境的適用性分析，可見(jiàn)采用電浮筒液位變送器是比較理想的選擇。

 

3 內(nèi)置換料水箱鋼襯里泄漏監(jiān)測(cè)裝置

在上述分析基礎(chǔ)上，對(duì)于華龍一號(hào)核電廠內(nèi)置換料水箱鋼襯里焊縫泄漏監(jiān)測(cè)提出預(yù)埋的泄漏收集水箱高 度 270 mm，電浮筒液位變送器選用 ＲOSEMOUNT 的 MLT 系列儀表，該儀表沉筒高度zui短可以做到 300 mm，沉筒觸底安裝，水箱底部即可發(fā)出 4 mA信號(hào)，對(duì)應(yīng)液位 0 m，精度＜+ /1%全量程，儀表過(guò)程接口采用法蘭安裝，配對(duì)法蘭安裝在從預(yù)埋水箱引出的不銹鋼管頂部，不銹鋼管長(zhǎng)度 6. 54 m，該長(zhǎng)度已經(jīng)考慮了－3. 3 m 樓板以上的儀表安裝空間。同時(shí)儀表輸出 4 mA～20 mA 的電流信號(hào)可以在主控室顯示液位的實(shí)時(shí)變化，同時(shí)液位報(bào)警定值也可以在主控室進(jìn)行設(shè)定和修改，方便可靠。內(nèi)置換料水箱鋼襯里焊縫泄漏監(jiān)測(cè)裝置安裝示意圖如圖 6。

 

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，華龍一號(hào)核電廠安注系統(tǒng)在換料冷停堆期間完成向反應(yīng)堆換料水池充水功能必不可少的內(nèi)置換料水箱位置特殊，功能重要，準(zhǔn)確及時(shí)的對(duì)其鋼襯里焊縫泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警意義重大。

 

本文在分析內(nèi)置換料水箱土建結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及環(huán)境要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)常用液位儀表的現(xiàn)狀、原理及應(yīng)用特點(diǎn)［17－20］，zui終選擇電浮筒液位變送器作為性價(jià)比相對(duì)較高的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)一步證明了選擇儀表要密切結(jié)合使用環(huán)境、安裝要求、測(cè)量要求，更要充分考慮儀表的可靠性、既可以節(jié)約成本，也有利于現(xiàn)場(chǎng)的安裝、調(diào)試和控制。隨著自動(dòng)化儀表技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量液位的方法及相應(yīng)的儀表也在不斷的改進(jìn)和更新。本文給出的監(jiān)測(cè)裝置研究為今后項(xiàng)目的儀表選型、技術(shù)更新都有一定的指導(dǎo)意義。