船用壓水堆穩(wěn)壓器水位測(cè)量系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)

鄭文強(qiáng)　黃勇　張立德　魏川清　張守杰　郝天才

【摘 要】在海洋搖擺工況下，水位的虛晃會(huì)影響穩(wěn)壓器水位測(cè)量的精準(zhǔn)度，對(duì)核電站的安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。為了能夠精確地測(cè)量穩(wěn)壓器水位，論文提出了一種雙參考穩(wěn)壓器水位測(cè)量系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)分析論證，該系統(tǒng)在一定程度上能夠提高穩(wěn)壓器水位測(cè)量的精確度，確保船用核動(dòng)力裝置的安全運(yùn)行。

【Abstract】With the sea-swing condition， the virtual swaying of water level will affect the accuracy of water level measurement of regulator， and pose a serious threat to the safety of the nuclear power plant. In order to accurately measure the water level of voltage regulator， a double reference voltage regulator water level measurement system is proposed in this paper. Through analysis and demonstration， the system can improve the accuracy of water level measurement of regulator to a certain extent， and ensure the safe operation of the marine nuclear power plant.

【關(guān)鍵詞】參考測(cè)量管;穩(wěn)壓器;海洋工況;壓水堆

【Keywords】reference measuring tube; regulator; ocean conditions; pressurized water reactor

【中圖分類(lèi)號(hào)】TL99 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2019）06-0140-03

1 引言

壓水堆核電站反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)在啟動(dòng)停運(yùn)以及正常升降功率過(guò)程中，冷卻劑溫度的變化會(huì)導(dǎo)致冷卻劑的膨脹與收縮，穩(wěn)壓器的液位會(huì)產(chǎn)生不同程度的波動(dòng)。穩(wěn)壓器的液位過(guò)高會(huì)導(dǎo)致汽腔容積過(guò)小，壓力控制的瞬態(tài)響應(yīng)能力降低，液位的進(jìn)一步升高甚至?xí)蜎](méi)噴頭;液位過(guò)低會(huì)導(dǎo)致電加熱器的裸露甚至燒毀，進(jìn)而引發(fā)穩(wěn)壓器壓力控制功能的喪失。通過(guò)化學(xué)與容積控制系統(tǒng)的上充下泄功能來(lái)控制穩(wěn)壓器的水位，當(dāng)液位的變化無(wú)法調(diào)節(jié)到正常范圍，高高液位將會(huì)觸發(fā)停堆保護(hù)，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(duì)穩(wěn)壓器的液位設(shè)置必要的監(jiān)測(cè)。在陸基壓水堆核電站中，一般通過(guò)差壓法測(cè)量穩(wěn)壓器的液位，即通過(guò)測(cè)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(cè)量方法可以得到較高的精度。對(duì)于船載式反應(yīng)堆而言，在船舶行駛過(guò)程中，船體會(huì)產(chǎn)生一定的搖擺或者傾斜，進(jìn)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(huì)隨著船體的傾斜產(chǎn)生變化，進(jìn)而影響所測(cè)水位的準(zhǔn)確性，若傾斜的角度過(guò)大頻率過(guò)高，還會(huì)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(jī)構(gòu)以及水位保護(hù)機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作，影響反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。

2 雙參考管測(cè)量原理

為克服傾斜帶來(lái)的問(wèn)題，船用壓水堆必須采取相應(yīng)的措施來(lái)減小對(duì)測(cè)量造成的影響，通過(guò)在穩(wěn)壓器內(nèi)設(shè)計(jì)一套固定高度的參考管與測(cè)量管，在其底部設(shè)置差壓計(jì)，測(cè)量管與管之間的壓差，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算和處理，最終可以消除傾斜角度對(duì)水位測(cè)量的影響。

船用核動(dòng)力裝置中采用了雙參考管式差壓計(jì)水位測(cè)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(jì)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(gè)參考管和三個(gè)差壓計(jì)構(gòu)成兩個(gè)水位測(cè)量通道。

③對(duì)兩個(gè)參考管采用了連續(xù)補(bǔ)水措施，從而保證參考管總是保持滿水狀態(tài)。

④用除法運(yùn)算裝置，對(duì)差壓計(jì)輸出信號(hào)進(jìn)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。

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

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

ICF1=KC1=KC1=KC1=K'C1Δh1 （7）

ICF2=KC2=KC2=KC2=K'C2Δh2 （8）

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(duì)液面的差（Δh1）范圍窄，ICF1稱(chēng)為窄量程測(cè)量通道。同理，ICF2為寬量程測(cè)量通道。

②由于測(cè)量系統(tǒng)對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)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(duì)水位測(cè)量的影響。

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

ΔP '1=ΔP1cosα （9）

ΔP '2=ΔP2cosα（10）

ΔP '=ΔPcosα（11）

差壓計(jì)的輸出分別為I '1、I '2、I '，經(jīng)過(guò)除法器除法運(yùn)算后，除法器輸出分別為I 'CF1、I 'CF2，則有：

I 'CF1=KC1=KC1=KC1=KC1

=ICF1 （12）

I 'CF2=KC2=KC2=KC2=KC2

=ICF2（13）

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

3 參考管、補(bǔ)水管、測(cè)量管設(shè)計(jì)

測(cè)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(kāi)設(shè)喇叭形孔，便于補(bǔ)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(kāi)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(bǔ)水管布置于穩(wěn)壓器筒體上部，分水平段和2個(gè)豎直段;與補(bǔ)水管嘴承插焊，以保證其足夠的支承強(qiáng)度。

在筒體下部周向均布3個(gè)水位測(cè)量接管C1、C2、C3，伸入筒體內(nèi)部，并在同一標(biāo)高對(duì)稱(chēng)布置了A、B兩個(gè)參考管。

4 參考管補(bǔ)水水源

為保證機(jī)組在正常運(yùn)行過(guò)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(yùn)行的過(guò)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(shí)，由于噴淋和電加熱器的投運(yùn)，內(nèi)部介質(zhì)可能會(huì)出現(xiàn)短暫的欠飽和或者過(guò)飽和的現(xiàn)象，參考管內(nèi)的水柱高度也可能發(fā)生波動(dòng)。因此，需采取必要的措施防止水柱高度發(fā)生波動(dòng)，可行的方法是尋找一個(gè)補(bǔ)水水源，使參考管一直處于滿水狀態(tài)。

通過(guò)分析，該補(bǔ)水水源是否有效，需考慮兩個(gè)因素的影響：

①盡可能是溫度較高的水源，因注入水溫差過(guò)大會(huì)使補(bǔ)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(gè)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(guò)大會(huì)造成穩(wěn)壓器的水過(guò)冷影響穩(wěn)壓器運(yùn)行，水量上限的確定需根據(jù)穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算。通過(guò)Flowmaster建模計(jì)算補(bǔ)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(duì)補(bǔ)水管的特性參數(shù)進(jìn)行實(shí)際模擬，得出計(jì)算數(shù)據(jù)表明補(bǔ)水流速可以達(dá)到4～5m/s，流量可以達(dá)到0.5m3/h。該流量大小是否合適還需通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，或者在機(jī)組調(diào)試階段進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。

5 結(jié)論

通過(guò)本文的分析論證，雙參考穩(wěn)壓器水位測(cè)量方法能很好地解決船體傾斜搖擺水位虛晃導(dǎo)致的測(cè)量精度和準(zhǔn)確性降低的問(wèn)題，確保船用核動(dòng)力裝置的安全運(yùn)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(cè)量信號(hào)穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確性都會(huì)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(cè)量方法同樣可以應(yīng)用在船上其他需精確測(cè)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。

【參考文獻(xiàn)】

【1】李大鵬， 楊治東， 趙巖松. 蒸發(fā)器雙參考管水位測(cè)量系統(tǒng)軟測(cè)量技術(shù)的改進(jìn)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制， 2005， 13（11）：1186-1188.

【2】李來(lái)春， 王克. 艦船主鍋爐水位的測(cè)量[J]. 熱能動(dòng)力工程， 2000， 15（5）：567-570.

【3】李大鵬， 孫豐瑞. 船用蒸汽發(fā)生器水位計(jì)測(cè)量系統(tǒng)的改進(jìn)[J]. 發(fā)電設(shè)備， 1997（5）：28-30.