基于熱擴(kuò)散原理的壓力容器水位測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐思捷 王雪梅 吳茜 呂鑫 朱毖微

【摘 要】為實(shí)現(xiàn)核動(dòng)力裝置事故后壓力容器水位監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了基于熱擴(kuò)散式水位探測(cè)器的壓力容器水位測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由熱擴(kuò)散式水位探測(cè)器和信號(hào)處理機(jī)柜構(gòu)成。熱擴(kuò)散式水位探測(cè)器測(cè)量關(guān)鍵點(diǎn)水位，信號(hào)處理機(jī)柜采集探測(cè)器信號(hào)，并為探測(cè)器提供加熱電流，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷水位測(cè)點(diǎn)情況，顯示液位情況并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)具有測(cè)量直觀，信號(hào)處理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，能提高核動(dòng)力裝置的安全性和可靠性。

【關(guān)鍵詞】熱擴(kuò)散；水位測(cè)量；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）27-0025-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.011

【Abstract】For monitoring the water-level of pressure vessel of nuclear-power device after accident， this paper designs a pressure vessel water-level measurement system based on heat diffusion theory. The system includes the heat diffusion water-level detector and the signal management cabinet. The heat diffusion water-level detector measures the key-point water level. The signal management cabinet collects and manages the detectors signal， provides current for the heater of detector， judges the water-level measurement points situation by analyzing data， displays water-level situation and alarms for the operators. The system characters direct measurement and easy signal management， improves the safety and reliability of the nuclear-power device.

【Key words】Heat Diffusion； Water-Level Measurement； System Design

0 前言

反應(yīng)堆壓力容器水位測(cè)量在反應(yīng)堆中對(duì)嚴(yán)重事故緩解后果有著重要影響。傳統(tǒng)的反應(yīng)堆測(cè)量系統(tǒng)中，操縱員在事故發(fā)生時(shí)無法得到反應(yīng)堆壓力容器直接的、真實(shí)的水位，在缺乏堆芯水位測(cè)量時(shí)，操縱員只能穩(wěn)壓器水位測(cè)量進(jìn)行判斷。但在三哩島事故發(fā)生時(shí)，當(dāng)操縱員看到穩(wěn)壓器有水位顯示，就認(rèn)為堆芯處于完全淹沒狀態(tài)，而沒有意識(shí)到反應(yīng)堆壓力容器里蒸汽的存在。在三哩島事故過后，美國(guó)NRC要求所有的反應(yīng)堆必須設(shè)置反應(yīng)堆壓力容器水位測(cè)量系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的壓力容器水位測(cè)量系統(tǒng)基于差壓法，其需要在反應(yīng)堆底部開孔取壓，并且信號(hào)處理復(fù)雜，需要外部信號(hào)較多，測(cè)量不夠直觀。

基于熱擴(kuò)散原理設(shè)計(jì)壓力容器水位測(cè)量，對(duì)事故后關(guān)鍵點(diǎn)水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)量準(zhǔn)確直觀，信號(hào)處理較為簡(jiǎn)單。

1 系統(tǒng)需求

水位測(cè)量系統(tǒng)作為事故后監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一部分，主要功能需求是判斷事故后壓力容器內(nèi)4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)水位，并對(duì)操縱員進(jìn)行報(bào)警。根據(jù)系統(tǒng)需求，水位測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾點(diǎn)：

（1）由于系統(tǒng)主要用于事故后監(jiān)測(cè)，必須在事故后的工況和環(huán)境條件下工作；

（2）快速準(zhǔn)確地判斷關(guān)鍵點(diǎn)水位；

（3）系統(tǒng)應(yīng)便于調(diào)試和維修；

（4）系統(tǒng)元件的可靠性；

（5）滿足其他設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如1所示。

水位測(cè)量系統(tǒng)由熱擴(kuò)散式水位探測(cè)器、電氣連接件、信號(hào)處理機(jī)柜和上位機(jī)組成。為了滿足安全性和可用性要求，水位測(cè)量系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)，設(shè)置A、B兩個(gè)測(cè)量系列，每個(gè)系列獨(dú)立對(duì)4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，任何一個(gè)系列故障不影響另一個(gè)系列的正常運(yùn)行。

2.1 熱擴(kuò)散式水位探測(cè)器

熱擴(kuò)散式水位探測(cè)器基于熱擴(kuò)散原理，利用水、水蒸氣熱導(dǎo)率較大的差異來判斷水位測(cè)點(diǎn)是否被水淹沒從而測(cè)量壓力容器內(nèi)指定高度點(diǎn)的水位[1]。水位探測(cè)器組件從壓力容器頂蓋垂直插入至壓力容器內(nèi)指定高度點(diǎn)，水位探測(cè)器組件通過密封裝置與壓力容器頂蓋實(shí)現(xiàn)密封。水位探測(cè)器組件輸出信號(hào)和電加熱器供電信號(hào)通過電連接器，經(jīng)電纜傳輸至信號(hào)處理機(jī)柜，信號(hào)處理機(jī)柜為電加熱器提供加熱電流，并計(jì)算主動(dòng)端熱電偶和參考端熱電偶之間的溫差從而判斷水位測(cè)點(diǎn)是否被水淹沒。

每個(gè)水位探測(cè)器含有兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，根據(jù)測(cè)點(diǎn)的位置不同分為Ⅰ型和Ⅱ型，每個(gè)測(cè)量系列包含2支不同類型的探測(cè)器組件。為減少水位測(cè)量系統(tǒng)二次儀表部分的干擾，探測(cè)器采用絕緣型，熱電偶與探測(cè)器外殼之間采用MgO進(jìn)行填充。

水位探測(cè)器通過堆芯測(cè)量密封機(jī)構(gòu)固定在壓力容器上部，插入壓力容器內(nèi)有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，并在探測(cè)器底部進(jìn)行徑向限位。

探測(cè)器組件需監(jiān)測(cè)事故后水位，為保證探測(cè)器能在壓力容器事故后工況下工作，探測(cè)器包括其電氣連接器和連接電纜，都需要按照環(huán)境條件要求進(jìn)行正常工況下和事故后工況下的鑒定試驗(yàn)，電氣連接器和連接電纜應(yīng)滿足K1類鑒定要求。

2.2 信號(hào)處理機(jī)柜

信號(hào)處理機(jī)柜也分為A列和B列，A列機(jī)柜包括1臺(tái)顯示和輸出機(jī)箱，1臺(tái)信號(hào)采集處理機(jī)箱和1臺(tái)電源機(jī)箱。B列機(jī)柜包括1臺(tái)信號(hào)采集處理機(jī)箱和1臺(tái)電源機(jī)箱。A列機(jī)柜的顯示和輸出機(jī)箱同時(shí)顯示A、B列數(shù)據(jù)。

信號(hào)采集處理機(jī)箱包含溫度采集單元、CAN通訊單元、控制器單元、開關(guān)量輸出單元、模擬量輸出單元和電源單元。溫度采集單元用于采集水位探測(cè)器的熱電偶信號(hào)和Pt100鉑電阻信號(hào)，每個(gè)探測(cè)器共4路熱電偶信號(hào)以及1路Pt100溫度信號(hào)?？刂破鲉卧鶕?jù)采集到的溫度信號(hào)，判斷關(guān)鍵點(diǎn)是否被淹沒，并向開關(guān)量輸出單元輸出；同時(shí)，控制器單元還需要根據(jù)預(yù)定的程序計(jì)算出加熱電流，并向電源機(jī)柜輸出控制信號(hào)。信號(hào)采集處理機(jī)箱的數(shù)據(jù)通過CAN通訊單元傳輸?shù)斤@示和輸出單元。

電源機(jī)箱需要為本列機(jī)柜提供220V供電電源，同時(shí)需要為2個(gè)探測(cè)器提供加熱電源。電源機(jī)箱上設(shè)置斷路器，實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)柜電源的保護(hù)。機(jī)箱內(nèi)部設(shè)置EMC濾波器用于輸入電源濾波。加熱電源需要具備的特性如下：

-輸出電壓：0V-48V

-輸出電流：0A-2.1A；

-調(diào)節(jié)方式：4mA-20mA對(duì)應(yīng)0A-2.1A輸出電流。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 加熱電流計(jì)算

系統(tǒng)對(duì)加熱電流的計(jì)算主要依據(jù)水位探測(cè)器供應(yīng)商提供的各個(gè)溫度平臺(tái)與加熱電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系，插值計(jì)算得到當(dāng)前溫度平臺(tái)下所需的加熱電流。

3.2 水位判斷

系統(tǒng)是通過水位測(cè)點(diǎn)主動(dòng)端熱電偶與參考端熱電偶的差值是否達(dá)到閾值來判斷水位測(cè)點(diǎn)是否浸沒在水中。閾值的確定包括兩個(gè)方面的因素：一是各個(gè)溫度平臺(tái)下，主被動(dòng)端熱電偶都在水中時(shí)的實(shí)際溫差，主要是通過供應(yīng)商提供的各個(gè)溫度平臺(tái)和每個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際溫差的對(duì)應(yīng)關(guān)系，插值計(jì)算得到；二是當(dāng)水位下降，主動(dòng)端熱電偶暴露在空氣中，主動(dòng)端熱電偶和參考端熱電偶的溫差的變化值，由于在水位下降時(shí)，溫度需要很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定，為提高響應(yīng)時(shí)間，通過對(duì)探測(cè)器的標(biāo)定，選取溫差變化超過某一閾值即判定水位測(cè)點(diǎn)露出水面。二者相加得到當(dāng)前溫度平臺(tái)下的閾值。

3.3 數(shù)據(jù)可用性檢查

系統(tǒng)在開始運(yùn)行時(shí)對(duì)所有模擬量信號(hào)進(jìn)行電氣量程檢查，如果信號(hào)超出量程范圍，則認(rèn)為該路信號(hào)不可用。在運(yùn)行過程中，對(duì)所有熱電偶進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，如熱點(diǎn)偶出現(xiàn)斷線，則溫度會(huì)超出量程范圍，此時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并且該路信號(hào)再后續(xù)處理中將被剔除。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)壓力容器事故后水位監(jiān)測(cè)需求，完成了基于熱擴(kuò)散式的壓力容器水位測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，相對(duì)于以前的水位測(cè)量系統(tǒng)，信號(hào)處理簡(jiǎn)單，不需其他外部信號(hào)，提高了核動(dòng)力裝置的安全性和可靠性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]喬弘，田亮，電熱式液位計(jì)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2003，11：12-15.

[2]孫炯，查美生，鎧裝旁熱式熱電偶水位傳感器的實(shí)驗(yàn)研究[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2012，2：8-16.