重水堆核電站ECC系統(tǒng)爆破盤液位測量回路分析與優(yōu)化

張振超，劉 錚，丁林樸，祁陸凱，林 熙

（中核核電運行管理有限公司 維修五處，浙江 海鹽 314300）

0 引言

重水堆核電站應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)（以下簡稱ECC系統(tǒng)）是四大專設(shè)安全系統(tǒng)之一，當(dāng)主熱傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)破口導(dǎo)致堆芯冷卻劑減少時，通過及時并持續(xù)地向主系統(tǒng)中注入大量的常溫輕水的方式保證堆芯內(nèi)熱量的有效導(dǎo)出以防止堆芯及主系統(tǒng)管道的損壞。

系統(tǒng)參數(shù)可分為工藝參數(shù)、觸發(fā)參數(shù)、條件參數(shù)。工藝參數(shù)主要是指用于監(jiān)視系統(tǒng)運行狀態(tài)的參數(shù)，由于沒有邏輯控制功能，用于區(qū)別觸發(fā)和條件參數(shù)。觸發(fā)參數(shù)和條件參數(shù)參與邏輯控制，用于觸發(fā)LOCA、啟停泵等，觸發(fā)參數(shù)是邏輯控制功能實現(xiàn)的充分條件，條件參數(shù)是邏輯功能實現(xiàn)的必要條件。當(dāng)以下條件滿足時，注射和快速冷卻啟動：主熱傳輸系統(tǒng)壓力≤5.9MPa和下列3個條件之一滿足時：R/B壓力≥3.45 kPa或慢化劑液位≥10.12 m或主熱傳輸系統(tǒng)壓力持續(xù)5min≤5.9 Mpa，邏輯觸發(fā)自動動作。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram

圖2 液位測量回路原理圖Fig.2 Schematic diagram of liquid level measurement loop

ECC系統(tǒng)爆破盤RD1/RD2是重水和輕水之間的隔離膜，在機(jī)組正常運行時，使系統(tǒng)的輕水部分和重水部分分開，防止輕重水之間的相互擴(kuò)散，減少降級重水；在ECC安注時，爆破盤破裂，ECC水注入主系統(tǒng)。爆破盤的正向破裂壓差為345kPa，反向破裂壓差為172kPa。如果在運行時在爆破盤兩側(cè)壓力發(fā)生波動，可能造成爆破盤的意外破裂。ECC系統(tǒng)爆破盤液位測量回路就是用于監(jiān)測爆破盤重水側(cè)液位的重要工藝參數(shù)，通過監(jiān)視爆破盤液位保證正常運行期間爆破盤重水側(cè)的滿水情況以及相應(yīng)的充水操作，并且可以判斷出爆破盤是否破裂。

正常運行情況下，爆破盤液位在0.6m～1.81m之間波動，可以通過正常的補水和疏水操作保證爆破盤液位在合理范圍之內(nèi)。

1 爆破盤液位測量回路介紹

ECC系統(tǒng)安注功能通過兩個回路實現(xiàn)，即奇回路和偶回路。每個回路各有一個爆破盤，設(shè)備編碼分別為RD1和RD2，每個爆破盤通過兩個液位測量回路測量爆破盤液位，回路編碼為L-219K/L-219M和L-218K/L-218M。每個液位測量回路由液位變送器、隔離模塊、報警模塊和指示表組成，液位變送器根據(jù)測得的壓差轉(zhuǎn)換成4mA～20mA的電流信號，對應(yīng)-0.5m～10.5m的液位。報警模塊分別提供兩個報警點，低液位報警0.6m，高液位報警1.81m。

隔離模塊用于隔離指示表、AI等于一回路的連接，防止顯示設(shè)備功能異常導(dǎo)致測量回路出現(xiàn)異常。隔離模塊后連接有指針式指示表和AI。

2 爆破盤RD1液位測量回路偏差大描述

在某機(jī)組大修期間，對爆破盤RD1液位L-219M回路進(jìn)行標(biāo)定工作后，AI值顯示L-219M液位值為1.401m，L-219K液位值為1.557m，兩回路液位偏差0.156m，整個測量回路中液位變送器允許誤差為0.25%，隔離模塊允許誤差為0.1%，AI值允許誤差為0.5%，總允許誤差值為0.85%，測量回路總量程為11m。因此，允許最大誤差為11m×0.85%=0.0935m，在極端情況下，兩個液位測量回路的偏差最大為0.187m。目前爆破盤RD1的兩個液位測量回路的偏差為0.15m，已經(jīng)接近極端情況的上限值，由此判斷爆破盤RD1液位偏差過大，需要進(jìn)行缺陷分析。

3 爆破盤RD1液位回路偏差大原因分析

3.1 隔離模塊輸出回路分析

隔離模塊輸出信號連接有一塊電流型指針指示表、一個輸出到PI系統(tǒng)的AI信號通過225Ω的電阻與指示表并聯(lián)。隔離模塊和指示表在大修期間都經(jīng)過嚴(yán)格校驗，校驗結(jié)果正常。因此，可首先排除隔離模塊和指示表故障。

用萬用表測量取樣電阻為225Ω，排除取樣電阻故障，測量隔離模塊輸出電流為6.772mA，根據(jù)公式計算對應(yīng)的液位為：

PI系統(tǒng)AI值顯示液位值為1.401m，計算結(jié)果與AI值基本一致。因此，排除隔離模塊輸出回路故障的可能性。

3.2 隔離模塊輸入回路分析

隔離模塊輸入回路中連接有液位變送器、液位報警模塊和隔離模塊，液位報警模塊通過50Ω的電阻與回路并聯(lián)。因此，液位報警模塊對回路的測量結(jié)果不產(chǎn)生影響，50Ω的取樣電阻對回路電流也不產(chǎn)生影響，可以排除液位報警模塊故障的可能性。應(yīng)首先檢查回路電流是否與對應(yīng)的液位顯示值一致。用萬用表檢查隔離模塊一次側(cè)回路電流為6.770mA，根據(jù)公式計算對應(yīng)的液位為：

與隔離模塊輸出回路和PI系統(tǒng)AI顯示的液位值基本一致。因此，可以排除報警模塊和隔離模塊故障的可能性。

3.3 變送器分析

隔離模塊輸入側(cè)的電流值是由液位變送器輸出提供，測量L-219K的電流輸出為6.983mA，根據(jù)公式計算對應(yīng)的液位為：

測量L-219M的電流輸出為6.770mA，對應(yīng)液位為1.404m。因此，兩液位變送器輸出電流不一致，導(dǎo)致兩個測量回路的液位偏差較大。由于在大修期間已經(jīng)對L-219K回路和L-219M回路的液位變送器都進(jìn)行過標(biāo)定，且標(biāo)定合格。若兩個變送器的取壓管線內(nèi)有氣泡，也會導(dǎo)致偏差過大（氣泡總長度約0.15m），但是并不清楚是哪個變送器的取壓管線內(nèi)有氣泡。因此，決定對兩個變送器的高壓側(cè)取壓管線（低壓側(cè)對空）各反充5L新重水，以排除管線內(nèi)的氣泡對測量結(jié)果的影響。

反充完成后，重新測量兩個液位變送器輸出的電流值，測量L-219K的電流輸出為7.189mA，測量L-219m的電流輸出為6.983mA，從電流值可以得出兩個液位變送器測得的液位差為：

比反充之前的0.156m相比有所減小，但偏差仍然很大，可以判斷取壓管線內(nèi)有一定的小氣泡影響到了測量結(jié)果，但并不是主要原因。

目前分析進(jìn)展已經(jīng)鎖定到液位變送器，但是液位變送器標(biāo)定合格，且對兩個變送器的高壓側(cè)取壓管線都反充了足夠的重水，已經(jīng)排除了液位變送器故障和取壓管線內(nèi)有氣泡的可能性。下一步分析只有定位到液位變送器的工藝參數(shù)上。

3.4 液位變送器工藝參數(shù)分析

爆破盤液位的有效液位值主要取決于重水儲存箱的液位高度，重水儲存箱與地坑相連，液位變送器低壓側(cè)對空，高壓側(cè)測得的壓力值即液位值，通過正遷移使液位變送器的輸出值與重水儲存箱對應(yīng)的液位高度值一致。其測量原理如圖3所示。

液位變送器的輸入信號受儀表管線內(nèi)的重水密度和取壓點標(biāo)高影響。儀表管線內(nèi)的水是靜止的，重水密度受周圍環(huán)境影響。根據(jù)儀表管線所在位置測量出了不同環(huán)境下取壓管線的環(huán)境溫度如表1所示。

根據(jù)3.3節(jié)中的分析，對取壓管線反充重水后，確定了管線內(nèi)存在小氣泡并不是造成偏差存在的主要原因，但還需要考慮水溫對測量結(jié)果的影響。

剛剛反充到取壓管線的重水在整條管線內(nèi)溫度可以認(rèn)為是相同的，即重水反充前的溫度。為考察重水水溫對測量結(jié)果的影響，等待24h后，重新測量兩個液位變送器輸出的電流值，測量L-219K的電流輸出為7.187mA，測量L-219m的電流輸出為6.984mA，從電流值可以得出兩個液位變送器測得的液位差為：

圖3 液位變送器測量原理圖Fig.3 Measurement schematic diagram of liquid level transmitter

從測量結(jié)果可以看出，液位變送器測量偏差由0.142m變?yōu)榱?.140m。偏差仍然很大，因儀表管線所在環(huán)境溫度變化并不是很大，其密度變化也很小。因此，水溫變化對測量結(jié)果影響較小，實際測量結(jié)果與理論分析結(jié)果一致，水溫變化不是導(dǎo)致測量偏差大的主要原因。

下面分析取壓點標(biāo)高對測量結(jié)果的影響：

根據(jù)重水存儲箱上的標(biāo)注，重新測量了L-219K和L-219M各取壓點的標(biāo)高，如表1所示。

根據(jù)工程要求及液位變送器測量標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一將重水的液位高度換算成20℃下的輕水液柱。當(dāng)環(huán)境溫度T=20℃時，輕水的密度為ρw=998.2kg/m3。不同高度的液位溫度需與周圍環(huán)境溫度一致，且在不同溫度下，重水的密度也是不同的[3]，已在表1中體現(xiàn)。

首先計算L-219M的輸入信號量程：

重水柱h3對應(yīng)的輕水柱高度為：

重水柱h2對應(yīng)的輕水柱高度為：

最大量程重水柱H對應(yīng)的輕水柱高度為：

由此計算，得出變送器零點壓力值為279.766kPa：

變送器滿點壓力值為398.791kPa：

表1 取壓點測量數(shù)據(jù)Table 1 Pressure point measurement data

即L-219M的輸入信號量程為279.766～398.791kPa。

根據(jù)同樣的方法可以計算出L-219K的輸入信號量程為：282.239～401.264kPa。

通過將計算得到的數(shù)據(jù)與標(biāo)定單對比發(fā)現(xiàn)L-219M的標(biāo)定單中的輸入信號量程為281.079～400.105kPa。

當(dāng)液位變送器輸出為6.770mA時，根據(jù)標(biāo)定單中的信號量程計算對應(yīng)的壓力值，即實際壓力值為：

當(dāng)實際壓力值為301.865kPa時，根據(jù)重新計算得出的輸入信號量程計算對應(yīng)的輸出電流應(yīng)為：

對應(yīng)的液位值為：

與L-219K測得的液位值為1.551m，兩者偏差值為0.008m，遠(yuǎn)小于最大允許誤差值0.187m。

L-219M液位變送器的輸入信號量程偏高導(dǎo)致液位測量結(jié)果偏低，將L-219M的液位變送器的輸入信號量程修正為279.766～398.791kPa后，可有效消除偏差，液位曲線見圖4和圖5。

通過圖4和圖5對比可以看出，L-219M液位變送器的輸入信號量程修正后，有效地消除了兩個測量數(shù)據(jù)之間的偏差，顯示液位最大偏差值只有0.004m。

4 優(yōu)化建議

圖4 信號量程修正前液位曲線Fig.4 Signal range correction before liquid level curve

根據(jù)實地測量數(shù)據(jù)計算，L-219M液位變送器的輸入信號量程與實際信號量程存在偏差是導(dǎo)致L-219K和L-219M測量液位偏差較大的根本原因。將L-219M的液位變送器的輸入信號量程由281.079～400.105kPa修正為279.766～398.791kPa（輸入信號零點由281.079kPa修正為279.766kPa，輸入信號滿點由400.105kPa修正為398.791kPa）,可有效消除L-219K和L-219M回路的偏差。根據(jù)PI系統(tǒng)的AI顯示，其測量偏差減小到了0.005m以內(nèi)，偏差值小于0.045%,使爆破盤液位的測量結(jié)果更加精確有效。

5 結(jié)束語

作為ECC系統(tǒng)監(jiān)測輕水和重水隔離爆破盤的重要參數(shù)，爆破盤液位測量回路的精確性對ECC系統(tǒng)的正常運行、事故后運行及運行決策有著非常重要的影響。通過對爆破盤RD1液位測量回路偏差大問題的分析和解決，爆破盤液位測量結(jié)果更加精確有效，使ECC系統(tǒng)輕水和重水隔離邊界的穩(wěn)定性、可靠性得到提高，對液位測量回路的工作特性和測量偏差的判斷有了更深入地了解，并由此得出3點經(jīng)驗：

1）對于系統(tǒng)中偏差值接近偏差允許上限的測量參數(shù)不能抱有僥幸心理，按照缺陷維修的分析邏輯一步步分析，會找到測量參數(shù)偏差值偏大的根本原因。

2）整個分析過程中的每個設(shè)備或者參數(shù)都有可能對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，主要影響因素總結(jié)如下：

圖5 信號量程修正后液位曲線Fig.5 Liquid level curve after signal range correction

◆ 隔離模塊輸出電流與輸入電流偏差大，即隔離模塊漂移。

◆ 取樣電阻性能下降。

◆ 液位變送器輸出電流偏差大，即液位變送器漂移。

◆ 取壓管線內(nèi)有氣泡。

◆ 取壓管線溫度變化。

◆ 液位變送器輸入量程偏差大。

3）整個分析過程中的多個參數(shù)都有可能對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，維修人員應(yīng)按照儀控回路的工作流程，依次對設(shè)備參數(shù)及允許情況進(jìn)行檢查，不放過任何一個細(xì)節(jié)。比如通過本次分析工作，也分析出了儀表管線存在氣泡也會導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生了一定的偏差，這種情況可以通過向取壓管線內(nèi)反沖重水的方式得到有效消除。