船用壓水堆穩(wěn)壓器水位測量系統(tǒng)研究設(shè)計

鄭文強，黃勇，張立德，魏川清，張守杰，郝天才

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳518000）

1 引言

壓水堆核電站反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)在啟動停運以及正常升降功率過程中，冷卻劑溫度的變化會導(dǎo)致冷卻劑的膨脹與收縮，穩(wěn)壓器的液位會產(chǎn)生不同程度的波動。穩(wěn)壓器的液位過高會導(dǎo)致汽腔容積過小，壓力控制的瞬態(tài)響應(yīng)能力降低，液位的進一步升高甚至?xí)蜎]噴頭；液位過低會導(dǎo)致電加熱器的裸露甚至燒毀，進而引發(fā)穩(wěn)壓器壓力控制功能的喪失。通過化學(xué)與容積控制系統(tǒng)的上充下泄功能來控制穩(wěn)壓器的水位，當(dāng)液位的變化無法調(diào)節(jié)到正常范圍，高高液位將會觸發(fā)停堆保護，低低液位觸發(fā)下泄隔離，因此，為保證穩(wěn)壓器的正常功能，需對穩(wěn)壓器的液位設(shè)置必要的監(jiān)測。在陸基壓水堆核電站中，一般通過差壓法測量穩(wěn)壓器的液位，即通過測量穩(wěn)壓器頂部以及底部的壓力差得到水位的高度，這種測量方法可以得到較高的精度。對于船載式反應(yīng)堆而言，在船舶行駛過程中，船體會產(chǎn)生一定的搖擺或者傾斜，進而導(dǎo)致穩(wěn)壓器水位的傾斜與晃蕩，穩(wěn)壓器底部引壓頭大小會隨著船體的傾斜產(chǎn)生變化，進而影響所測水位的準(zhǔn)確性，若傾斜的角度過大頻率過高，還會引起水位的晃蕩，這種晃蕩和傾斜可能導(dǎo)致水位調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)以及水位保護機構(gòu)的誤動作，影響反應(yīng)堆的安全運行。

2 雙參考管測量原理

為克服傾斜帶來的問題，船用壓水堆必須采取相應(yīng)的措施來減小對測量造成的影響，通過在穩(wěn)壓器內(nèi)設(shè)計一套固定高度的參考管與測量管，在其底部設(shè)置差壓計，測量管與管之間的壓差，并對信號進行運算和處理，最終可以消除傾斜角度對水位測量的影響。

船用核動力裝置中采用了雙參考管式差壓計水位測量系統(tǒng)，如圖1所示，并在系統(tǒng)中采用以下措施：

①將所有參考管子安裝在穩(wěn)壓器的下封頭，從而減少差壓計兩側(cè)參考管中介質(zhì)的溫度和壓力的影響。

②采用了兩個參考管和三個差壓計構(gòu)成兩個水位測量通道。

③對兩個參考管采用了連續(xù)補水措施，從而保證參考管總是保持滿水狀態(tài)。

④用除法運算裝置，對差壓計輸出信號進行除法處理，從而克服介質(zhì)密度或船體搖擺所造成的誤差。

圖1 穩(wěn)壓器雙參考管水位測量裝置原理圖

三個差壓計的測量壓差為：

ΔP1和ΔP2是隨水位變化而變化的，ΔP則不變，其取決于兩個參考管中液柱之差。令I(lǐng)1、I2、I分別為1#、2#、3#差壓計輸出電流，有：

式中K1、K2、K分別為差壓計的轉(zhuǎn)換系數(shù)，I1、I2和I分別送兩個除法器進行除法運算之后，其輸出電流分別為ICF1、ICF2，則有：

圖2 差壓計變送過程

式中：K'C1=KC1K1/（KΔH）——窄量程水位表系數(shù)；K'C2=KC2K2/（KΔH）——寬量程水位表系數(shù)。

由式（7）、（8）知：

①儀表C對液面的差（Δh1）范圍窄，ICF1稱為窄量程測量通道。同理，ICF2為寬量程測量通道。

②由于測量系統(tǒng)對測量信號進行了除法處理，其輸出的電流僅與液面差成比例，消除了介質(zhì)溫度、壓力變化對水位測量的影響。

③測量系統(tǒng)克服了船搖擺和傾斜對測量的影響。如：當(dāng)船體傾斜角為α?xí)r，三個差壓計的差壓分別為：

差壓計的輸出分別為I'1、I'2、I'，經(jīng)過除法器除法運算后，除法器輸出分別為I'CF1、I'CF2，則有：

根據(jù)除法器運算可以得出結(jié)論，差壓計的輸出結(jié)果不受船體傾斜的影響。

3 參考管、補水管、測量管設(shè)計

測量管的布置位于筒體內(nèi)部中心，寬量程高度為穩(wěn)壓器液位全量程的80%，窄量程高度為穩(wěn)壓器液位全量程的50%。在參考管頂部開設(shè)喇叭形孔，便于補水，參考管的上半部分直管段靠穩(wěn)壓器筒體中心線布置，下半部分管道采用彎管以避開電加熱器并分別連接至A、B參考管的接管。直管段與彎管段之間的連接采用承插焊方式連接。

補水管布置于穩(wěn)壓器筒體上部，分水平段和2個豎直段；與補水管嘴承插焊，以保證其足夠的支承強度。

在筒體下部周向均布3個水位測量接管C1、C2、C3，伸入筒體內(nèi)部，并在同一標(biāo)高對稱布置了A、B兩個參考管。

4 參考管補水水源

為保證機組在正常運行過程中，參考管A、B之間的壓差一直維持恒定值，需使參考管內(nèi)保持不變的液柱高度，在穩(wěn)壓器穩(wěn)定運行的過程中，其內(nèi)部一直維持在飽和狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)壓力變化的瞬態(tài)時，由于噴淋和電加熱器的投運，內(nèi)部介質(zhì)可能會出現(xiàn)短暫的欠飽和或者過飽和的現(xiàn)象，參考管內(nèi)的水柱高度也可能發(fā)生波動。因此，需采取必要的措施防止水柱高度發(fā)生波動，可行的方法是尋找一個補水水源，使參考管一直處于滿水狀態(tài)。

通過分析，該補水水源是否有效，需考慮兩個因素的影響：

①盡可能是溫度較高的水源，因注入水溫差過大會使補水管段產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力；②要求流速盡量低，流量盡量小且穩(wěn)定，只要能使參考管滿水即可。

綜合上述兩個因素，考慮可行的引水區(qū)域是在堆芯的出口的熱段冷卻劑。依靠主泵的循環(huán)壓頭將堆芯出口熱冷卻劑注入穩(wěn)壓器。但因穩(wěn)壓器為飽和態(tài)，注水量若過大會造成穩(wěn)壓器的水過冷影響穩(wěn)壓器運行，水量上限的確定需根據(jù)穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應(yīng)計算。通過Flowmaster建模計算補水管路的流體特性，以堆芯出口冷卻劑的壓力、溫度、穩(wěn)壓器汽相壓力、溫度為邊界條件，對補水管的特性參數(shù)進行實際模擬，得出計算數(shù)據(jù)表明補水流速可以達到4～5m/s，流量可以達到0.5m3/h。該流量大小是否合適還需通過實驗檢驗，或者在機組調(diào)試階段進行實際驗證。

5 結(jié)論

通過本文的分析論證，雙參考穩(wěn)壓器水位測量方法能很好地解決船體傾斜搖擺水位虛晃導(dǎo)致的測量精度和準(zhǔn)確性降低的問題，確保船用核動力裝置的安全運行。

在海洋傾斜搖擺的工況下，船載的大部分水箱或者罐體的水位測量信號穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確性都會受到不同程度的影響，使用在穩(wěn)壓器內(nèi)設(shè)置雙參考管的水位測量方法同樣可以應(yīng)用在船上其他需精確測量液位的水箱、罐體、冷凝器、蒸發(fā)器等，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。