付皓；劉路

（深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，深圳518172）

0 引言

根據(jù)福島事故反饋，在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故引發(fā)核電廠喪失電源和冷卻水源的情況下，乏燃料水池內(nèi)貯存的乏燃料所產(chǎn)生的衰變熱僅能依靠池水的蒸發(fā)、沸騰帶走，從而導(dǎo)致水池液位的下降，水池襯里以及與水池相連的管線也可能發(fā)生破口而導(dǎo)致水池液位的快速下降。為防止燃料組件裸露，判斷水池內(nèi)的事故狀態(tài)，需為操作人員提供事故后長期冷卻期間準(zhǔn)確可靠的乏燃料水池液位信號，進(jìn)而判斷水池補(bǔ)水操作啟停的時(shí)機(jī)，同時(shí)為制定事故處理策略提供依據(jù)。

目前，在建電站國內(nèi)外已有較多儀表選型及配置方案，但在役電站受到機(jī)組投運(yùn)后客觀條件的制約，在施工條件、時(shí)間窗口和控制邊界等問題上對改進(jìn)方案的可行性提出了更高的要求，帶來了一定的難度。本文通過對比在建和在役電站乏池液位改進(jìn)中存在的客觀差異，給出一種適用于在役電站切實(shí)可行的改進(jìn)方案。

1 現(xiàn)狀分析

現(xiàn)有CPR1000 機(jī)組反應(yīng)堆換料水池和乏燃料水池冷卻和處理系統(tǒng)（PTR）具有一定的液位及溫度監(jiān)測能力，通過設(shè)置的浮球式液位開關(guān)對乏池正常補(bǔ)水操作進(jìn)行監(jiān)視，并提供乏池水位低、乏池水位高報(bào)警功能，其報(bào)警在主控室進(jìn)行顯示，但以上所用液位測量儀表均為非安全級，未經(jīng)過抗震和環(huán)境鑒定，其安裝方式在嚴(yán)重事故下不具備抗震能力，同時(shí)設(shè)備由普通電源供電，無法在事故后提供有效的監(jiān)測信息。乏池現(xiàn)有液位儀表配置如表1 所示。

2 法規(guī)或規(guī)范要求

在國家核安全局發(fā)布的《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求（試行）》中明確提出：通過增設(shè)能在嚴(yán)重事故后可用的乏燃料水池監(jiān)測設(shè)備和手段，如液位、溫度監(jiān)測以獲取事故后乏燃料水池的必要信息；并明確了監(jiān)測參數(shù)要求：液位測量區(qū)間應(yīng)包括乏燃料開始裸露的水位到滿水位，可采用連續(xù)測量或間斷式測量設(shè)備和手段，間斷式測量的測點(diǎn)布置應(yīng)滿足必要的關(guān)鍵水位報(bào)警和指導(dǎo)操縱員相關(guān)補(bǔ)水操作的需要。

表1 乏池現(xiàn)有儀表配置

3 在建電站改進(jìn)方案概述

在建電站目前主要通過對安裝于發(fā)池內(nèi)的液位測量設(shè)備配置改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)嚴(yán)重事故后乏池應(yīng)急補(bǔ)水操作的監(jiān)測需求，該方案下儀表的抗震性、鑒定等級需要符合相應(yīng)要求，同時(shí)需要為儀表配置滿足事故后長期工作的供電電源。

方案一：熱電阻組件測量方案。

安全級一體式熱電阻測量組件，可以實(shí)現(xiàn)液位連續(xù)、溫度連續(xù)測量和關(guān)鍵液位斷續(xù)測量。

方案二：熱電偶組件測量方案。

安全級一體式熱電偶組件由熱電偶和帶加熱器的熱電偶組成，由于氣相、液相傳熱系數(shù)不同，加熱的熱電偶與不加熱的熱電偶測得的溫度不同，比較加熱的熱電偶與不加熱的熱電偶的溫度，當(dāng)溫差超過閾值，則認(rèn)為液面在兩熱電偶之間，從而確定水位。同時(shí)組件底部設(shè)置專用的測溫探頭，實(shí)現(xiàn)對乏池水溫的連續(xù)監(jiān)測。

方案三：超聲波液位計(jì)測量方案。

超聲波液位計(jì)具有測量范圍廣、安裝檢修簡便等優(yōu)點(diǎn)，也是一種進(jìn)行液位連續(xù)測量的有效方法，但嚴(yán)重事故后乏池現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，所用超聲波液位計(jì)難以在高溫環(huán)境下測量乏池在沸騰狀態(tài)下的水位。

方案四：差壓式液位計(jì)測量方案。

利用差壓式液位計(jì)進(jìn)行液位測量，結(jié)合熱電阻測水溫的方式也是一種可以考慮的解決方案。但乏池池水沸騰后，大量蒸發(fā)導(dǎo)致燃料大廳環(huán)境溫度、水蒸汽含量升高，市場現(xiàn)有設(shè)備可用性需要繼續(xù)調(diào)研分析。

4 在役電站改進(jìn)方案

4.1 在建與在役電站差異

在役電站與在建電站相比，為確保反應(yīng)堆的穩(wěn)定運(yùn)行和乏燃料棒位于屏蔽液位以下，機(jī)組投運(yùn)后乏燃料水池中的池水不允許排空，保證持續(xù)帶走乏燃料釋放的衰變熱，避免其重返臨界，所以在役電站無法提供時(shí)間窗口和施工條件進(jìn)行乏池內(nèi)儀表的安裝工作。另外，需要避免改造過程中對在運(yùn)設(shè)備和生產(chǎn)環(huán)境造成較大影響，導(dǎo)致因施工范圍過大而產(chǎn)生區(qū)域不可控。根據(jù)上述情況進(jìn)行評估，在建電站方案均難以應(yīng)用于在役電站。

4.2 在役電站改進(jìn)方案

該方案以嶺澳核電站二期4 號機(jī)組（以下簡稱PK4）為參考電站，通過增設(shè)非能動(dòng)應(yīng)急高位冷卻水系統(tǒng)，使核電站發(fā)生內(nèi)外部電源喪失和冷卻水喪失的嚴(yán)重事故后，可通過補(bǔ)水管線上的手動(dòng)隔離閥實(shí)現(xiàn)高位水源向乏燃料水池的有效補(bǔ)水，補(bǔ)水速率和水池蒸發(fā)損失相匹配，以保證燃料組件的淹沒水平。所以需要在滿足全廠斷電事故（SBO）工況下，乏池完全喪失正常冷卻能力時(shí)仍具備乏池15.5m 以上液位監(jiān)測能力，為操作員進(jìn)行乏池補(bǔ)水操作提供相關(guān)參數(shù)依據(jù)。

本方案以壓力式液位測量儀表為手段，提出在乏池冷卻泵入口處取壓來實(shí)現(xiàn)壓力信號向液位信號的轉(zhuǎn)換。在SBO 工況下，乏池冷卻泵PTR001PO、PTR002PO 出現(xiàn)停運(yùn)，乏池冷卻泵PTR001PO、PTR002PO 取源管口位于乏池15.5m 標(biāo)高處，此處壓力經(jīng)過遷移計(jì)算后與乏池液位成線性關(guān)系，通過在 PTR001PO、PTR002PO 入口壓力表PTR029LP、PTR030LP 引壓管線上引出兩路抗震取壓管線，接入新增核級壓力變送器PTR929MN、PTR930MN，測得冷卻泵前入口管線處壓力，并進(jìn)行遷移計(jì)算，實(shí)現(xiàn)乏池15.5m 以上的液位測量。操作員對乏池補(bǔ)水時(shí)需能監(jiān)測乏池液位，故在補(bǔ)水閥附近安裝乏池液位就地顯示箱盒，內(nèi)置兩臺多功能數(shù)字顯示表，用于事故后顯示乏池液位。整套液位監(jiān)測裝置需滿足抗震要求，并由蓄電池實(shí)現(xiàn)SBO工況下的電源供應(yīng)。改進(jìn)方案流程簡圖如圖1 所示。

圖1 乏燃料水池應(yīng)急補(bǔ)水改進(jìn)方案流程簡圖

4.3 可行性分析

該方案通過測量乏池冷卻水泵入口管線靜壓換算得到乏池水位，但嚴(yán)重事故情況下乏燃料廠房的環(huán)境壓力、蒸發(fā)及補(bǔ)水過程中乏池水位水溫的變化，連接乏池和冷卻水泵的管道內(nèi)介質(zhì)參數(shù)均會對測量的準(zhǔn)確性和精度產(chǎn)生影響。因此需要對乏池冷卻系統(tǒng)完全喪失以及執(zhí)行補(bǔ)水操作過程中的上述參數(shù)變化進(jìn)行分析。壓力變送器液位測量示意圖如圖2 所示。

圖2 壓力變送器液位測量示意圖

乏池?zé)峋畣适Ш螅驗(yàn)榉θ剂蠌S房本身并非完全密閉，而且根據(jù)事故規(guī)程要求，需在事故后乏池沸騰前，打開乏池房間對外通道（門）來排放蒸汽進(jìn)行泄壓，保證房間內(nèi)壓力和外界壓力接近，由此判定事故工況下乏池房間的壓力近乎為大氣壓。

事故后乏池水溫逐漸升高，但在達(dá)到沸騰前，水位將不會出現(xiàn)明顯下降，反而在升溫至大量蒸發(fā)前會因池水密度變小出現(xiàn)暫時(shí)的水位升高。水溫升至100℃時(shí)，乏燃料釋放的熱量將依靠池水蒸發(fā)帶走，乏池水位開始明顯下降，操作員需要通過就地顯示儀表監(jiān)測水位變化，當(dāng)水位降至16.5m 時(shí)，開啟補(bǔ)水閥對乏池補(bǔ)水，當(dāng)水位升至19.5m 時(shí)，關(guān)閉補(bǔ)水閥防止池水溢出乏池。超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故發(fā)生時(shí)的機(jī)組狀態(tài)按照對乏燃料水池最不利的情況考慮，即異常工況的完全卸料模式，此時(shí)，乏燃料水池的最大熱負(fù)荷為11.98MW（此為峰值熱負(fù)荷，隨時(shí)間推移逐漸衰減）。根據(jù)安全分析結(jié)論要求，總的補(bǔ)水能力應(yīng)不低于45m3/h，按此當(dāng)前補(bǔ)水能力計(jì)算，此過程中池水將一直處于沸騰狀態(tài)。

表2 壓力變送器液位測量遷移計(jì)算表

表3 乏池儀表改進(jìn)配置方案

在SBO 工況下，冷卻泵PTR001PO、PTR002PO 停運(yùn)，泵前入口管道至乏池取水口間無隔離閥關(guān)斷，管道中水流靜止，無法與乏池池水對流傳熱，僅靠熱傳導(dǎo)對管道中的水加熱能力有限，故此垂直下降段的水可取常溫（40℃）水進(jìn)行計(jì)算。

依據(jù)上述條件，可由遷移公式得出變送器4～20mA 輸出信號對應(yīng)的乏池液位。液位測量遷移計(jì)算詳見表2。

4.4 儀表技術(shù)及安裝要求

4.4.1 液位測量儀表技術(shù)要求

羅斯蒙特1152GP 壓力變送器可以實(shí)現(xiàn)乏池液位測量的功能需求，改進(jìn)后的液位測量儀表配置方案如表3所示。

4.4.2 液位測量儀表安裝要求

利用現(xiàn)有PTR001PO、PTR002PO 入口壓力測點(diǎn)，可有效降低施工過程中對在役設(shè)備造成的改動(dòng)和影響，通過在壓力PTR029LP、PTR030LP 引壓管線上各增加一個(gè)三通，引出兩路滿足抗震設(shè)計(jì)的取壓管線，接入核級壓力變送器PTR929MN、PTR930MN。

4.4.3 數(shù)字顯示儀表技術(shù)要求

通過數(shù)字顯示表 （001ID、002ID） 將 PTR929MN、PTR930MN 測得的乏池液位信號在就地予以顯示，并設(shè)置乏池液位高、低報(bào)警，為現(xiàn)場操作人員提供乏池的液位信息，以判斷事故狀態(tài)并執(zhí)行相關(guān)應(yīng)急操作。

數(shù)字顯示表技術(shù)要求如下：

①輸入電源：24VDC，1A；

②信號輸入：無源變送器4～20mA；

③顯示范圍：15.5～19.6m；

④報(bào)警值：16.5m，19.5m 聲光報(bào)警。

設(shè)備滿足抗震I 類要求，根據(jù)安裝區(qū)域和環(huán)境條件確定安全等級和防護(hù)等級。

4.4.4 數(shù)字顯示儀表安裝要求

就地顯示儀表的安裝位置需滿足如下條件：

①現(xiàn)場人員操作補(bǔ)水管線手動(dòng)隔離閥進(jìn)行應(yīng)急補(bǔ)水時(shí)，應(yīng)可方便使用該顯示儀表監(jiān)測乏池液位；

②設(shè)備安裝位置需便于運(yùn)行人員操作和正常的維護(hù)保養(yǎng)；

③需確保數(shù)字顯示表與壓力變送器之間的測量電纜路徑暢通。

5 結(jié)論

本改進(jìn)方案主要針對在役電站設(shè)計(jì)，為超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下乏池監(jiān)視提供了手段，為事故后應(yīng)急處理提供了重要的參考信息，同時(shí)也能有效降低現(xiàn)場施工對在役機(jī)組產(chǎn)生的不利影響。通過該改進(jìn)的實(shí)施，可有效解決嚴(yán)重事故下現(xiàn)有配置對乏池液位監(jiān)測能力不足的問題，采用壓力向液位轉(zhuǎn)換的改進(jìn)方案為乏池嚴(yán)重事故監(jiān)測提供了一種可行的解決方案。