差壓變送器通過(guò)測(cè)量設(shè)備或者管道內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生的壓力差來(lái)推算液位的高度。差壓變送器在三代核電技術(shù)設(shè)計(jì)中被廣泛使用。蒸發(fā)器液位、穩(wěn)壓器液位、內(nèi)置換料水箱液位等安全有關(guān)測(cè)量通道皆采用該種測(cè)量原理。且 1E 級(jí)變送器產(chǎn)品較為成熟，供貨較為方便，有利于運(yùn)行維護(hù)需要。因此差壓變送器測(cè)量被也選為堆芯補(bǔ)水箱正常工況下的寬量程液位測(cè)量方案。

 

3 差壓法測(cè)量問(wèn)題和討論

如果將差壓法測(cè)量作為堆芯補(bǔ)水箱安全相關(guān)的窄量程液位測(cè)量方案，差壓法測(cè)量還需進(jìn)一步考慮實(shí)際測(cè)量過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題和解決對(duì)策。 3. 1 差壓法測(cè)量的誤差問(wèn)題正常運(yùn)行狀態(tài)下，堆芯補(bǔ)水箱內(nèi)部介質(zhì)密度基本不變，因此可采用差壓變送器來(lái)測(cè)量堆芯補(bǔ)水箱非 1E 級(jí)寬量程液位測(cè)點(diǎn)。而事故狀態(tài)( 包括自然循環(huán)狀態(tài)和蒸汽補(bǔ)償狀態(tài)) 下，由于介質(zhì)密度動(dòng)態(tài)變化，直接采用差壓法測(cè)液位，產(chǎn)生的誤差較大。 表 1 為使用磁浮子法和差壓法測(cè)量堆芯補(bǔ)水箱液位所產(chǎn)生的不確定度。

從表 1 的計(jì)算結(jié)果可知，使用變送器代替磁翻板液位計(jì)會(huì)導(dǎo)致誤差變大。鑒于堆芯補(bǔ)水箱內(nèi)介質(zhì)密度對(duì)差壓變送器測(cè)量法產(chǎn)生的影響較大( 造成約 15% SPAN的不確定度誤差) ，需要增加 1E 級(jí)鉑熱電阻對(duì)被測(cè)介質(zhì)密度進(jìn)行補(bǔ)償以減小誤差。 3. 2 堆芯補(bǔ)水箱內(nèi)部狀態(tài)模式判斷問(wèn)題事故情況下，堆芯補(bǔ)水箱內(nèi)部存在自然循環(huán)和蒸汽補(bǔ)償兩個(gè)狀態(tài)［11－12］。堆芯補(bǔ)水箱在這兩種狀態(tài)模式下，注入的熱水和蒸汽都會(huì)造成介質(zhì)總密度降低，而水箱內(nèi)相應(yīng)的液位高度變化卻完全不同，自然循環(huán)狀態(tài)時(shí)，液位不會(huì)發(fā)生變化。蒸汽補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，液位會(huì)隨著 ＲCS 冷端蒸汽的注入而下降。由于差壓法測(cè)量為二次測(cè)量，因此有可能會(huì)發(fā)生差壓變送器在自然循環(huán)狀態(tài)測(cè)得數(shù)值與蒸汽補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)的相同，從而導(dǎo)致保護(hù)設(shè)備誤開(kāi)啟產(chǎn)生嚴(yán)重后果。因此要用差壓法測(cè)量事故工況下的液位，必須先識(shí)別出堆芯補(bǔ)水箱處于哪種狀態(tài)模式。 

 

3. 2. 1 儀表布置的示意圖

由于不同事故工況下，一回路破口大小，一回路完整性、堆芯補(bǔ)水箱注射時(shí)間等客觀因素會(huì)導(dǎo)致由冷段注入堆芯補(bǔ)水箱的介質(zhì)的壓力、溫度都不盡相同。圖 4 為某一事故工況下由 NOTＲUMP 軟件［13－15］模擬的堆芯補(bǔ)水箱上部和下部不同標(biāo)高位置溫度隨時(shí)間變化的曲線。

 

由圖可見(jiàn)，從堆芯補(bǔ)水箱開(kāi)始注射后，單一事故情況下堆芯補(bǔ)水箱不同標(biāo)高位置的 20 個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度差異較大。再到可能會(huì)存在復(fù)合事故發(fā)生的情況，差壓變送器所測(cè)壓差:

其中，ρi 為不同標(biāo)高介質(zhì)的密度; h 為變送器上下取壓口之間的距離; g 為重力加速度; h1 為上部取壓口標(biāo)高; h2 為上部取壓口標(biāo)高。

 

3. 2. 2 保護(hù)設(shè)備誤開(kāi)啟的可能性

根據(jù)上節(jié)的稱述，堆芯補(bǔ)水箱在自然循環(huán)和蒸汽補(bǔ)償兩個(gè)狀態(tài)時(shí)，堆芯補(bǔ)水箱的介質(zhì)的壓力、溫度都不盡相同。為了分析保護(hù)設(shè)備誤開(kāi)啟的可能性，堆芯補(bǔ)水箱一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體，其中介質(zhì)為單一密度的熱水、冷水和蒸汽。則變送器測(cè)得的差壓值為:

 

再循環(huán)工況( 熱水+冷水) 時(shí): ΔPＲ = ρc* H* g+ρh * ( h－H) * g ( 2)蒸汽補(bǔ)償工況( 蒸汽+熱水) 時(shí): ΔPS = ρh * H* g+ρs* ( h－H) * g ( 3)

 

其中，H 為液面高度; h 為變送器上下取壓口之間的距離; ρup為上取壓口的液體密度; ρdown為下取壓口的液體密度

 

如果再將堆芯補(bǔ)水箱內(nèi)部再循環(huán)工況時(shí)介質(zhì)密度熱水密度冷水密度，蒸汽補(bǔ)償工況時(shí)介質(zhì)密度為蒸汽密度熱水密度，則可以得到一個(gè)簡(jiǎn)易函數(shù)曲線，見(jiàn)圖 6。

 

由圖可知，兩種模式的測(cè)量差壓值存在重疊的情況，即當(dāng)堆芯補(bǔ)水箱處于蒸汽補(bǔ)償模式，液位從滿水開(kāi)始下降的過(guò)程中，差壓變化范圍可能與自然循環(huán)模式相等。此時(shí)，若無(wú)其他工藝參數(shù)參考，液位信號(hào)將無(wú)法向操縱員提供準(zhǔn)確的堆芯補(bǔ)水箱，導(dǎo)致其失去判斷電站運(yùn)行情況的能力，甚至有導(dǎo)致保護(hù)設(shè)施誤開(kāi)啟的可能。由于不同事故情況下，當(dāng)堆芯補(bǔ)水箱內(nèi)部液位下降到整定值時(shí)，介質(zhì)的狀態(tài)也相同，并不能簡(jiǎn)單的以熱水加冷水或者蒸汽加熱水來(lái)堆芯補(bǔ)水箱也不是簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)圓柱筒體。實(shí)際上事故發(fā)生時(shí)，內(nèi)部處于一種氣液兩相混合的復(fù)雜熱工水力。目前尚缺少可以完全分析堆芯補(bǔ)水箱整個(gè)熱工水力工況，不宜用差壓變送器替代現(xiàn)有的磁翻板液位計(jì)測(cè)量。

 

4 差壓測(cè)量法和磁浮子測(cè)量法的比較

與磁浮子測(cè)量法相比，差壓法測(cè)量的優(yōu)勢(shì)包括: 儀表成熟度較高，類似安全有關(guān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)用較為廣泛; 造價(jià)相對(duì)較低，供貨商較多，便于后期維護(hù); 設(shè)備體積重量較小、易于現(xiàn)場(chǎng)布置等。

 

差壓測(cè)量法的不足在于為間接測(cè)量，會(huì)出現(xiàn)第 3 章中提到的模式判斷問(wèn)題，進(jìn)一步分析各工況和復(fù)合工況發(fā)生時(shí)堆芯補(bǔ)水箱內(nèi)的熱工水力。

 

與差壓測(cè)量法相比，磁浮子測(cè)量法為一次測(cè)量，更為直觀，不會(huì)產(chǎn)生類似差法測(cè)量法誤的情況。同時(shí) 1E級(jí)磁翻板液位計(jì)已經(jīng)完成了所有 1E 級(jí)設(shè)備鑒定，包括抗震、耐高溫、耐高壓性能、輻照等指標(biāo)均滿足三代核電的技術(shù)要求。

 

5 總結(jié)

堆芯補(bǔ)水箱是三代核電技術(shù)非能動(dòng)安全設(shè)施中的重要組成部分，其液位的降低將直接驅(qū)動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)的投運(yùn)，是反應(yīng)堆安全運(yùn)行的重要保證，因此需謹(jǐn)慎對(duì)待其液位測(cè)量?jī)x表的選擇。目前設(shè)計(jì)采用 1E 級(jí)磁翻板液位計(jì)來(lái)測(cè)量堆芯補(bǔ)水箱的液位。本文在目前上液位儀表的使用情況以及目前常見(jiàn)液位儀表使用情況的基礎(chǔ)上，從堆芯補(bǔ)水箱的特殊工況出發(fā)，探討和分析了堆芯補(bǔ)水箱液位測(cè)量方案中液位儀表的選擇、面臨的問(wèn)題以及解決方案。

 

首先分析了當(dāng)前三代核電技術(shù)中堆芯補(bǔ)水箱熱工水力工況，探討了當(dāng)前堆芯補(bǔ)水箱安全級(jí)液位測(cè)點(diǎn)使用1E 級(jí)磁翻板液位計(jì)的原因。結(jié)合堆芯補(bǔ)水箱工況要求和差壓測(cè)量法的原理，整理了差法測(cè)量法可能存在的問(wèn)題，并嘗試給出了這些問(wèn)題的解決方法和研究方向。根據(jù)現(xiàn)有三代核電技術(shù)的要求以及堆芯補(bǔ)水箱熱工水力工況來(lái)判斷，差壓法由于受介質(zhì)密度變化影響較大且存在誤動(dòng)作的可能，因此尚無(wú)法替代磁浮子測(cè)量法作為堆芯補(bǔ)水箱的安全有關(guān)液位測(cè)點(diǎn)測(cè)量方式。而其他液位測(cè)量方式的儀表又由于輻照等因素?zé)o法應(yīng)用于堆芯補(bǔ)水箱上的安全有關(guān)液位測(cè)點(diǎn)，因此就現(xiàn)有的條件而言，磁翻板液位計(jì)是zui合適堆芯補(bǔ)水箱安全有關(guān)液位測(cè)點(diǎn)的測(cè)量方式。應(yīng)積極爭(zhēng)取該儀表，以便推進(jìn)堆型出口和后續(xù)項(xiàng)目應(yīng)用。