劉建光，徐建飛，李 劍

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

CPR1000核電機(jī)組中，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(reactor coolant system，RCP)的RCP 090MN～RCP095MN液位儀表應(yīng)用于堆芯水位測(cè)量，尤其是在發(fā)生冷卻劑喪失事故(loss of coolant accident,LOCA)情況下,為操作員提供準(zhǔn)確的堆芯液位監(jiān)測(cè)信號(hào)，保證機(jī)組安全穩(wěn)定[1]。其中:RCP090MN、RCP091MN為窄量程液位測(cè)量?jī)x表；RCP092MN、RCP093MN為寬量程液位測(cè)量?jī)x表；RCP094MN、RCP095MN為參考液位測(cè)量?jī)x表。6塊儀表在不同工況下提供液位測(cè)量信號(hào)。CPR1000核電機(jī)組中，RCP094MN、RCPO95MN正負(fù)壓側(cè)隔離膜盒高度差比理論值高150 mm，RCP090MN～RCP093MN負(fù)壓側(cè)隔離膜盒的安裝高度超出設(shè)計(jì)高度32 mm。上述安裝偏差都會(huì)影響堆芯液位測(cè)量的準(zhǔn)確性，對(duì)操作員產(chǎn)生誤導(dǎo)，不利于反應(yīng)堆的安全、可靠運(yùn)行[2]。

本文對(duì)6000型水位測(cè)量?jī)x表偏差進(jìn)行分析和處理，保證了反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)堆芯水位測(cè)量的準(zhǔn)確性，同時(shí)為變密度條件下的儀表遷移提供詳細(xì)的理論計(jì)算方法。

1 測(cè)量原理

壓力容器液位測(cè)量?jī)x表為差壓式6000型變送器，屬于電站1E級(jí)K1類級(jí)設(shè)備，帶2個(gè)隔離器，主要分類如下。

①窄量程：RCP090MN、RCP091MN(-110～+40 kPa)。

②寬量程：RCP092MN、RCP093MN(-140～+270 kPa)。

③參考：RCP094MN、RCP095MN(-140.0～-26.5 kPa)。

堆芯水位測(cè)量?jī)x表安裝如圖1所示。

圖1 堆芯水位測(cè)量?jī)x表安裝示意圖

當(dāng)安全殼內(nèi)發(fā)生LOCA時(shí)，反應(yīng)堆堆芯內(nèi)液位可能下降。此時(shí)利用RCP090MN～RCP093MN監(jiān)測(cè)堆芯淹沒(méi)情況。RCP090MN～RCP093MN的變送器正壓側(cè)通過(guò)毛細(xì)管與壓力容器底部相連，負(fù)壓側(cè)通過(guò)毛細(xì)管與壓力容器頂部相連。變送器變送的壓差ΔP1為：

ΔP1=(H-h)γV+hγL-HγL1

(1)

式中：H為壓力容器水位測(cè)量高度;h為壓力容器水位;γL為壓力容器內(nèi)水的重度;γV為壓力容器內(nèi)蒸汽的重度;γL1為毛細(xì)管內(nèi)水的重度。

毛細(xì)管安置在安全殼內(nèi)。其中，水是密封不流通的。故γL1只隨環(huán)境溫度的變化而變化。安全殼內(nèi)的溫度在失水事故時(shí)升高，致使毛細(xì)管內(nèi)水的重度減少，造成測(cè)量誤差。為了消除這個(gè)誤差，本文增加了RCP094MN和RCP095MN，并將其置于同一環(huán)境。這將修正堆芯冷卻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(core cooling monitoring system,CCMS)堆芯水位測(cè)量計(jì)算中反應(yīng)堆廠房環(huán)境溫度對(duì)堆芯水位測(cè)量的影響。

RCP094MN和RCP095MN的壓差ΔP2為：

ΔP2=0-HγL1

(2)

式(1)與式(2)相減，得：

ΔP1=(H-h)γV+hγL+ΔP2

(3)

按照式(3)計(jì)算ΔP2的理論值，要求式(3)中H等于壓力容器高度，即RCP094MN和RCP095MN的正負(fù)側(cè)隔離膜盒安裝高度差要等于H，否則式(3)就會(huì)引入新的誤差。

堆芯水位測(cè)量原理如圖2所示。

圖2 堆芯水位測(cè)量原理圖

2 測(cè)量誤差分析

RCP094MN和RCP095MN實(shí)際安裝高度如圖3所示。圖3中：正壓側(cè)隔離膜盒安裝設(shè)計(jì)高度要求為827 mm，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際高度為677 mm；負(fù)壓側(cè)隔離膜盒安裝設(shè)計(jì)高度要求為13 350 mm，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際高度為13 350 mm。RCP094MN、RCP095MN儀表正壓側(cè)隔離膜盒實(shí)際安裝高度與設(shè)計(jì)高度理論值偏差150 mm，導(dǎo)致正負(fù)壓側(cè)隔離膜盒高度差比理論值高150 mm，RCP094MN、RCP095MN測(cè)量出的壓力值比理論值偏低，從而影響CCMS中堆芯水位測(cè)量的準(zhǔn)確性。

圖3 RCP094MN和RCP095MN實(shí)際安裝高度

RCP094MN和RCP095MN儀表量程為-140.0～-26.5 kPa。當(dāng)前狀態(tài)下正負(fù)壓側(cè)隔離膜盒高度差將導(dǎo)致壓力偏差-1.467 kPa，引起誤差1.3%。

RCP090MN～RCP093MN負(fù)壓側(cè)高度增加32 mm，相比于式(1)設(shè)計(jì)壓差，RCP090MN～RCP093MN測(cè)量的壓差ΔP實(shí)際為:

ΔP實(shí)際=(H+ΔH-h)γV+hγL-(H+ΔH)γL1

(4)

ΔP實(shí)際與理論壓差值相差ΔH(γV-γL1),導(dǎo)致測(cè)量的實(shí)際液位比真實(shí)液位偏低。由于安全殼內(nèi)溫度不是1個(gè)恒定值，尤其是在LOCA情況下，安全殼內(nèi)的溫度一直在變化，因此γL1也一直是1個(gè)變化量。

RCP090MN～RCP095MN不可用，將影響堆芯水位測(cè)量的功能。在反應(yīng)堆一回路封閉情況下,運(yùn)行技術(shù)規(guī)范要求檢修工作必須在3 d內(nèi)完成，否則機(jī)組狀態(tài)需要后撤[3]。

3 處理方案

3.1 RCP094MN和RCP05MN處理方案

通過(guò)查看儀表現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝情況，可以確認(rèn)如果采用調(diào)整膜盒實(shí)際高度的處理方法，需要將與膜盒相連的毛細(xì)管重新布置并調(diào)整彎曲度。處理過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)毛細(xì)管彎曲過(guò)度或不滿足最小彎曲半徑要求的情況，影響毛細(xì)管使用壽命，因此只能采取儀表遷移方案。

3.1.1 常規(guī)遷移方式

目前，核電站中普遍采用的液位傳感器主要是差壓式液位傳感器。差壓式液位傳感器通過(guò)測(cè)量變送器正負(fù)壓側(cè)之間壓差的方法對(duì)液位進(jìn)行測(cè)量[4]。應(yīng)用差壓變送器測(cè)量液面時(shí)，如果差壓變送器的正、負(fù)壓室與容器的取壓點(diǎn)處在同一水平面上，就不需要遷移。而在實(shí)際應(yīng)用中，出于對(duì)設(shè)備安裝位置和便于維護(hù)等方面的考慮，測(cè)量?jī)x表不一定都能與取壓點(diǎn)在同一水平面上。如被測(cè)介質(zhì)是強(qiáng)腐蝕性或重粘度的液體，則不能直接把介質(zhì)引入測(cè)壓儀表，而必須安裝隔離液罐，用隔離液來(lái)傳遞壓力信號(hào)，以防止測(cè)量?jī)x表被腐蝕。這時(shí)就要考慮介質(zhì)和隔離液的液柱對(duì)測(cè)壓儀表讀數(shù)的影響[5]。為了正確指示液位的高度，差壓變送器必須作一些技術(shù)處理，即遷移。遷移分為無(wú)遷移、負(fù)遷移和正遷移。

①無(wú)遷移。

無(wú)遷移是將差壓變送器的正、負(fù)壓室與容器的取壓點(diǎn)安裝在同一水平面上。無(wú)遷移原理如圖4所示。

變送器變送的壓差ΔP無(wú)遷移如式(5)所示。

ΔP無(wú)遷移=PB-PA=ρgh+PA-PA=ρgh

(5)

式中：ΔP無(wú)遷移為無(wú)遷移變送器變送的壓差值;PA為A點(diǎn)的壓力;PB為B點(diǎn)的壓力;ρ為被測(cè)介質(zhì)的密度;g為重力加速度。

如果容器為敞口容器、PA為大氣壓力，則ΔP無(wú)遷移=PB=ρgh。由此可見(jiàn)，如果差壓變送器正壓室和取壓點(diǎn)相連，負(fù)壓室通大氣，通過(guò)測(cè)B點(diǎn)的表壓力就可知液面的高度。當(dāng)液面由h=0變化為h=hmax時(shí)，差壓變送器所測(cè)得的差壓由ΔP無(wú)遷移=0變?yōu)棣無(wú)遷移=ρghmax，輸出由4 mA變?yōu)?0 mA[6]。

②負(fù)遷移。

負(fù)遷移原理如圖5所示。

圖5 負(fù)遷移原理圖

為了防止密閉容器內(nèi)的液體或氣體進(jìn)入差壓變送器的取壓室，造成引壓管線的堵塞或腐蝕，在差壓變送器的正、負(fù)壓室與取壓點(diǎn)之間分別裝有隔離液罐，并充以隔離液，其密度為ρ1。則：

ΔP負(fù)遷移=PB-PA=ρ1gh高+ρgH高-ρ1g(h高+H高)

(6)

式中：ΔP負(fù)遷移為負(fù)遷移變送器變送的壓差值;ρ1為隔離液罐中液體密度;H高為被測(cè)液體高度;h高為變送器到正壓側(cè)取壓口高度。

當(dāng)測(cè)量高度為0時(shí)，ΔP負(fù)遷移=-ρ1gH，在差壓變送器的負(fù)壓室存在靜壓力，使差壓變送器的輸出小于4 mA。當(dāng)測(cè)量高度為H時(shí)，ΔP負(fù)遷移=(ρ-ρ1)gH，由于在實(shí)際工作中ρ1>ρ，所以在最高液位時(shí)，負(fù)壓室的壓力也遠(yuǎn)大于正壓室的壓力，使儀表輸出仍小于實(shí)際液面所對(duì)應(yīng)的儀表輸出。這樣就破壞了變送器輸出與液位之間的正常關(guān)系。為了使儀表輸出和實(shí)際液面相對(duì)應(yīng)，就必須把負(fù)壓室引壓管線這段H液柱產(chǎn)生的靜壓力消除掉。要想消除這段靜壓差，就必須將變送器進(jìn)行負(fù)向遷移。

③正遷移。

正遷移原理如圖6所示。

圖6 正遷移原理圖

圖6中容器為敞口容器。差壓變送器的位置比最低液位低h的距離。變送器變送的壓差為：

ΔP正遷移=ρgH+ρ環(huán)gh

(7)

式中:ΔP正遷移為正遷移變送器變送的壓差值;ρ環(huán)為環(huán)境中液體密度[7]。

當(dāng)H=0時(shí)，ΔP正遷移=ρ環(huán)gh，在差壓變送器正壓室存在靜壓力，使其輸出大于4 mA。當(dāng)H=Hmax時(shí)，ΔP正遷移=ρgH+ρ環(huán)gh，變送器輸出也遠(yuǎn)大于20 mA。因此必須把這段靜壓力消除掉。這就是正遷移。

3.1.2 等比例遷移法

上述所采用的遷移方法都是恒定量的遷移方法，只要根據(jù)儀表的高度進(jìn)行相應(yīng)的正遷移或負(fù)遷移即可。RCP094MN和RCP095MN堆芯水位測(cè)量?jī)x表為6000型變送器，與常規(guī)的儀表在測(cè)量原理和應(yīng)用場(chǎng)景上都存在區(qū)別。為了能夠在LOCA發(fā)生時(shí)監(jiān)測(cè)堆芯淹沒(méi)情況，6000型變送器設(shè)置分體結(jié)構(gòu)，主要包括變送器本體、正負(fù)壓側(cè)隔離膜盒、傳遞壓力信號(hào)的毛細(xì)管以及獨(dú)立的信號(hào)處理單元[8]。由于機(jī)組正常運(yùn)行期間以及發(fā)生LOCA情況下安全殼內(nèi)不同樓層、不同房間環(huán)境溫度都不相同，導(dǎo)致處在安全殼毛細(xì)管內(nèi)水的密度也隨溫度的變化而變化。因此，當(dāng)出現(xiàn)安裝高度與設(shè)計(jì)高度存在偏差時(shí)，如果采用傳統(tǒng)的恒定量的遷移方法，由于管線中各管段密度不同，必定會(huì)引入誤差，不能真實(shí)表征堆芯水位的測(cè)量精度。此時(shí)，不能采用常規(guī)的儀表遷移方式對(duì)儀表進(jìn)行遷移[9]。

RCP094MN和RCP095MN儀表中的參考液柱高度H是常量，參考液柱壓差ΔP2=0-HγL1與毛細(xì)管中的密度成正比，對(duì)于同一密度下所測(cè)的壓差僅與高度H成正比，現(xiàn)場(chǎng)儀表正、負(fù)壓側(cè)隔離膜盒高度差由(理論參考液柱高度H1)12 523 mm變?yōu)?2 673 mm(實(shí)際參考液柱高度H2)。因此，通過(guò)H2和H1的比值對(duì)儀表量程進(jìn)行遷移，可解決安裝高度差引起的測(cè)量壓力偏差。

按照設(shè)計(jì)理論值計(jì)算，RCP094MN和RCP095MN儀表壓力應(yīng)為：

P標(biāo)準(zhǔn)=ρgH1

(8)

式中:P標(biāo)準(zhǔn)為理論壓差。

儀表遷移方案實(shí)施后，RCP094MN和RCP095MN儀表壓力為：

(9)

式中:P遷移后為遷移后的壓差。

儀表側(cè)按照調(diào)整后量程(-141.677～-26.817 kPa)對(duì)應(yīng)4～20 mA的關(guān)系進(jìn)行儀表遷移。通過(guò)計(jì)算過(guò)程可知，儀表遷移的方式能夠使RCP094MN和RCP095MN真實(shí)反映設(shè)計(jì)高度12 523 mm對(duì)應(yīng)的真實(shí)壓力，消除1.3%的誤差，從而使CCMS堆芯水位測(cè)量準(zhǔn)確。

3.2 RCP090MN～RCP093MN處理方案

RCP090NN～RCP093MN的負(fù)壓側(cè)隔離膜盒比設(shè)計(jì)高度13 350 mm高了32 mm。如果把負(fù)壓側(cè)隔離膜盒整體下移32 mm，就會(huì)在A、B之間產(chǎn)生1個(gè)32 mm的落差。

調(diào)整方案如圖7所示。

圖7 調(diào)整方案示意圖

當(dāng)反應(yīng)堆排水至泄壓模式時(shí)，A1、B1兩點(diǎn)之間有水，會(huì)對(duì)負(fù)壓側(cè)隔離膜盒附加1個(gè)32 mm的水柱壓力，導(dǎo)致RCP090MN～RCP093MN測(cè)量產(chǎn)生偏差(如果A1、B1兩點(diǎn)之間呈水平，泄壓模式下即使有水也不會(huì)對(duì)膜盒產(chǎn)生附加壓力)。

因此，本文采取的修正方案為保持膜盒高度不變，保證取壓管線和膜盒水平高度一致，通過(guò)遷移的方式消除高出的32 mm產(chǎn)生的壓差。但是根據(jù)式(1)可知RCP090MN～RCP093MN儀表感受的壓差，則偏高后實(shí)際的壓差為:

ΔP=(H-h)γV+hγL-(H+ΔH)γL1

(10)

式中：ΔH為負(fù)壓側(cè)隔離膜盒實(shí)際安裝高度與理論安裝高度之差。

因此，負(fù)壓側(cè)隔離膜盒安裝偏高后產(chǎn)生的偏差為ΔHγL1。由于變送器感受的壓差與高度不是成正比例的關(guān)系，因此不能對(duì)RCP094MN、RCPO95MN采用等比例的遷移方式。

在計(jì)算遷移量的過(guò)程中毛細(xì)管中液體的密度為:

ρL1=ρ(TCON,PRCP+PCON)

(11)

式中：ρL1為毛細(xì)管中液體的密度;TCON為安全殼內(nèi)環(huán)境溫度;PRCP為反應(yīng)堆一回路壓力;PCON為安全殼內(nèi)環(huán)境壓力。

所以毛細(xì)管中水的密度是和TCON、PRCP+PCON這2個(gè)參數(shù)相關(guān)的。TCON的范圍定義為10～156 ℃[10]。由于不同溫度和壓力下32 mm對(duì)應(yīng)的壓力基本恒定偏差很小，最大偏差小于0.03 kPa，因此經(jīng)設(shè)計(jì)確認(rèn)采用平均值0.27 kPa作為恒定遷移量的恒定數(shù)值進(jìn)行遷移。壓差計(jì)算如表1所示。

表1 壓差計(jì)算表

遷移后儀表的量程如下，能夠真實(shí)測(cè)量壓力容器水位。

①RCP090MN和RCP091MN的量程為-109.73～+39.73 kPa。

②RCP092MN和RCP093MN的量程為-139.73～+269.73 kPa。

4 結(jié)論

6000型堆芯水位測(cè)量?jī)x表用于反應(yīng)堆正常充、排水期間為操作員提供反應(yīng)堆水位信息，在反應(yīng)堆LOCA發(fā)生時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆堆芯淹沒(méi)情況，保證機(jī)組安全。由于LOCA情況下安全殼毛細(xì)管內(nèi)水的重度隨溫度的變化而變化，因此當(dāng)出現(xiàn)儀表或膜盒安裝高度與設(shè)計(jì)高度存在偏差時(shí)，不能采用常規(guī)儀表恒定密度的遷移方式對(duì)儀表進(jìn)行遷移。本文針對(duì)CPR1000核電機(jī)組反應(yīng)堆堆芯參考液位計(jì)RCP094MN和RCP095MN正負(fù)壓側(cè)隔離膜盒高度偏差問(wèn)題，采用等比例遷移的方式進(jìn)行儀表遷移處理。針對(duì)RCP090MN～RCP093MN負(fù)壓側(cè)隔離膜盒安裝高度偏差問(wèn)題，由于測(cè)量原理同時(shí)與壓力容器內(nèi)蒸汽重度和毛細(xì)管內(nèi)液體密度兩個(gè)變量相關(guān)，因此不能采用等比例的遷移方式。通過(guò)對(duì)不同壓力、不同環(huán)境下的重度偏差定量分析，對(duì)其采用恒定遷移量方式。儀表調(diào)整后通過(guò)反應(yīng)堆水位儀表試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)儀表工作正常，滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求。本研究保證了在正常沖排水以及LOCA事故工況下能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)堆水池液位正常監(jiān)測(cè)和滿足機(jī)組的安全需求。同時(shí)，相關(guān)分析方法和遷移方法能夠?yàn)槠渌兞棵芏鹊膬x表遷移方式提供借鑒。