核電站反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)充排水期間水位監(jiān)測及優(yōu)化

摘要：核電站反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)采用多臺變送器測量卸壓模式下的反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)水位，保證了主控室操縱員能在充排水期間連續(xù)監(jiān)測從穩(wěn)壓器頂部至主管道底部的水位。現(xiàn)介紹某核電站水位監(jiān)測的偏差情況，對偏差原因進(jìn)行分析并提出糾正措施，可供其他同類型核電站借鑒。

關(guān)鍵詞：核電站;水位監(jiān)測;壓力容器;優(yōu)化

1 反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)水位計介紹

核電站采用多臺變送器測量反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)水位，有RCP007/008/011MN、RCP012/098MN、RCP090/091/092/

093/094/095MN，正常運(yùn)行期間，RCP007/008/011MN測量穩(wěn)壓器水位參與反應(yīng)堆保護(hù)，RCP092/093MN主要用于失水事故等工況。

本文主要介紹用于冷態(tài)一回路充排水期間的RCP012/

098/090/091/300MN。如圖1所示，4臺變送器量程相互重合，測量不同階段水位，保證卸壓模式下主控室操縱員能在RCP充排水期間連續(xù)監(jiān)測從穩(wěn)壓器頂部至主管道底部的水位，用以跟蹤RCP充排水過程中反應(yīng)堆水池和穩(wěn)壓器波動管線水位的變化，同時也保證穩(wěn)壓器水位測量的部分冗余度。

1.1? ? RCP012MN

差壓變送器測量穩(wěn)壓器水位，測量范圍為13.6～23.4 m。

1.2? ? RCP098MN

差壓變送器測量穩(wěn)壓器水位，量程范圍達(dá)到了8.7～20 m。在充排水期間，RCP098MN實際上是最主要的一個水位監(jiān)測表。它安裝在核島5 m的環(huán)廊里，其正壓側(cè)接在二環(huán)路的熱管段，標(biāo)高8.7 m;負(fù)壓側(cè)接參考液柱，平衡罐接在穩(wěn)壓器頂部，標(biāo)高23.416 m。

1.3? ? RCP090/091MN

壓力容器窄量程水位計的測量范圍是8.5～13.35 m，但實際上RCP090/091MN的可測量范圍比8.5～13.35 m要寬得多，按安裝測量圖推算，在反應(yīng)堆水池為40 ℃、環(huán)境為28 ℃、上膜盒一直對空的情況下，它可以測量2.08～17.52 m的水位，實際使用時僅將RCP090/091MN的可測量范圍區(qū)間截取了一段進(jìn)行精準(zhǔn)顯示，從而形成了窄量程的水位測量。一回路水位高于10.68 m時觸發(fā)“法蘭面高高水位”報警;一回路水位低于10.21 m時觸發(fā)“法蘭面低水位”報警。為確保安全，反應(yīng)堆開關(guān)蓋期間，水位必須控制在10.21～10.68 m。

RCP090/091MN有3種測量模式，分別是：反應(yīng)堆正常運(yùn)行模式、反應(yīng)堆卸壓模式、反應(yīng)堆卸壓開蓋模式。

（1）反應(yīng)堆正常運(yùn)行模式：一回路滿水，穩(wěn)壓器汽腔建立，壓力15.5 MPa，用于事故工況下監(jiān)測一回路，信號送至堆芯水位監(jiān)測系統(tǒng)。

（2）反應(yīng)堆卸壓模式：一回路卸壓，排水至13.1 m時，RCP090/091MN上取壓管通過壓力容器排氣軟管與穩(wěn)壓器連通，用于測量卸壓工況下一回路水位。

（3）反應(yīng)堆卸壓開蓋模式：反應(yīng)堆大蓋吊走后，上取壓管線及隔離閥被拆除，為使換料水池充水，上取壓管靠堆腔側(cè)用盲板堵住，將RCP090/091MN隔離膜盒排氣堵頭打開對大氣。

下面以一次完整的大修中的充排水過程為例介紹RCP090/091MN的模式轉(zhuǎn)換：

（1）反應(yīng)堆正常運(yùn)行。RCP090MN處于反應(yīng)堆正常運(yùn)行模式，由堆芯水位監(jiān)測系統(tǒng)接收RCP090/091/092/093/

094/095MN的信號進(jìn)行處理，得到事故工況下反應(yīng)堆的水位情況。

（2）反應(yīng)堆進(jìn)行卸壓。一回路進(jìn)行排水，至13.35 m時，RCP090/091MN的上取壓管自動對空，從反應(yīng)堆正常運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換到反應(yīng)堆卸壓模式。

（3）排水至10.5 m。

（4）拆掉RCP090/091MN在堆坑中的取壓管線及隔離閥，并在RCP090/091MN的取壓管到堆坑壁上加裝盲板（堵頭）。

（5）將RCP090/091MN上膜盒的取壓側(cè)堵頭擰松，使之對大氣，完成反應(yīng)堆卸壓模式到反應(yīng)堆卸壓開蓋模式的轉(zhuǎn)換。

（6）開始充水至19.5 m進(jìn)行換料，其間RCP090/091MN處于反應(yīng)堆卸壓開蓋模式。

（7）換料完畢，排水至10.5 m?；匮b大蓋，拆卸盲板、回裝隔離閥和取壓管線。為使水位計可用，將RCP090/091MN上膜盒的取壓側(cè)堵頭擰緊，將其置于反應(yīng)堆卸壓模式。

（8）一回路進(jìn)行充水，水位上升至14 m左右，進(jìn)行RCP090/091/092/093MN取壓管線充水排氣，由反應(yīng)堆卸壓模式轉(zhuǎn)換到反應(yīng)堆運(yùn)行模式。

（9）水位繼續(xù)上升一直到并網(wǎng)后，RCP090MN處于反應(yīng)堆運(yùn)行模式。

1.4? ? RCP300MN

RCP300MN是超聲波水位計，安裝在三環(huán)路熱管段，用來在RRA處于MLO（MID LOOP OPERATION，半管運(yùn)行）時監(jiān)測水位，測量范圍8.55～9.29 m。

從上述儀表的安裝可以看出，RCP090/091MN有一些特殊，正常運(yùn)行時，其負(fù)壓側(cè)連接壓力容器頂部;當(dāng)反應(yīng)堆開蓋時，其負(fù)壓側(cè)需要對空。在開關(guān)蓋狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，若內(nèi)外壓力存在偏差，會導(dǎo)致水位變化。

2 充排水期間反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)水位計的使用

在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)不同水位期間需重點(diǎn)關(guān)注的水位計不同，如圖2所示。

2.1? ? 下行排水期間的水位監(jiān)測

當(dāng)完成一個周期的功率運(yùn)行后，機(jī)組開始下行卸料，在卸料前將反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)排水至法蘭面（RCP090/091MN處于10.21～10.68 m），打開壓力容器大蓋，依次查看RCP012MN、RCP098MN、RCP090/091MN。

在反應(yīng)堆壓力容器大蓋打開前的排水過程中，由于重力排水時，壓力容器頂部會形成負(fù)壓，為避免壓力容器頂部負(fù)壓對排水帶來的影響，一般使用軟管將壓力容器頂部和穩(wěn)壓器頂部相連，同時使用壓縮空氣對其進(jìn)行加壓排水（壓縮空氣經(jīng)穩(wěn)壓器頂部管線再通過RCP640VP處注入壓縮空氣）。排水到目標(biāo)水位后，需要使用風(fēng)機(jī)通過RCP640VP抽氣，讓壓力容器頂部形成微負(fù)壓。

在排水過程中，穩(wěn)壓器和壓力容器之間的管線堵塞會對排水過程造成很大的影響。

2.2? ? 上行充水期間的水位監(jiān)測

在完成對核燃料的裝載后，需要先將反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)排水至法蘭面（RCP090/091MN處于10.21～10.68 m）;然后扣壓力容器大蓋，最后一回路充水至滿水，整個過程中需先后關(guān)注RCP090/091MN、RCP098MN、RCP012MN。

在RCP090/091MN量程范圍內(nèi)的充水過程中，因為扣蓋后的壓力容器與穩(wěn)壓器不再是一個連通器，RCP090/091MN與RCP098MN之間偏差逐漸增大，隨著水位的上升，壓力容器頂部的氣體被壓縮，壓力變大，水位變小，如式（1）所示：

P壓力容器+ρgH壓力容器=P穩(wěn)壓器+ρgH穩(wěn)壓器 （1）

最終，通過靜排氣和動排氣將壓力容器中的水充滿。

3 當(dāng)前水位計使用中遇到的問題

在排水過程中，穩(wěn)壓器和壓力容器之間的管線堵塞會對排水過程造成很大的影響，RCP640VP、RPE110VP在線后，此時穩(wěn)壓器排氣管線也已經(jīng)在線，如圖3所示。此時，壓力容器與穩(wěn)壓器連通，RCP090/098MN水位指示具有可比性。此時不同的管段出現(xiàn)堵塞，對RCP090MN指示來說會出現(xiàn)不同的現(xiàn)象。為便于問題說明，將管段分為如圖3所示的三段：AB、BC、BD，下面針對這三段分別進(jìn)行分析。

3.1? ? BD段堵塞

在BD段堵塞、其他管段正常的情況下，壓力容器上方與穩(wěn)壓器上方連通并對大氣，此時壓力容器可正常排水。由于BD段管某處有堵，其結(jié)果是：RCP090MN負(fù)壓側(cè)膜盒所受的氣壓不等于壓力容器上方的氣壓，變送器兩端所受到的差壓如下：

ΔP=（P0+-P0-）+ρwg（H+1.3）-14.65ρcg（2）

因此，BD段堵塞，變送器的輸出仍然會隨著水位發(fā)生變化，但其輸出與實際水位存在一個固定的偏差，將RCP090MN置于卸壓開蓋模式后，（P0+-P0-）項偏差等于0，RCP090MN的指示等于實際水位。從實際排水情況看，排水過程RCP090MN指示下降一段后基本不變，可以排除BD管段堵塞的可能。每次大修一回路充水后，均對BD段使用除鹽水沖洗，防止硼結(jié)晶。

3.2? ? BC段堵塞

壓力容器在排水前處于滿水狀態(tài)，當(dāng)開始排水時，由于BC段的堵塞，壓力容器上方屬于一個密閉的環(huán)境，排水的過程就相當(dāng)于一個抽真空的過程。排水到一定的程度，壓力容器中的水將不再排出，維持一定的水位，此時壓力容器上方與穩(wěn)壓器上方?jīng)]有連通，RCP098MN并不能反映壓力容器內(nèi)的水位。在繼續(xù)排水過程中，RCP090MN水位指示將維持不變，RCP098MN反映的僅是穩(wěn)壓器內(nèi)的水位。此時如果將RCP090MN置于卸壓開蓋模式，由于BC段堵塞，大氣壓仍不能通過DBC進(jìn)入壓力容器內(nèi)，因此，BC段堵塞，將造成壓力容器內(nèi)的水不能排出，RCP090MN輸出維持不變，即使將RCP090MN置于卸壓開蓋模式，仍不能使壓力容器的水位排出，RCP090MN輸出反映穩(wěn)壓器水位。該種情況有可能。

3.3? ? AB段堵塞

如果AB段某處有堵塞，其現(xiàn)象基本與BC段堵塞相同，唯一不同的是，將RCP090MN置于卸壓開蓋模式時，大氣壓通過DBC段管道進(jìn)入壓力容器，壓力容器內(nèi)的水可以在重力作用下排出，此時RCP090MN的輸出將會隨著水位的變化而變化。因此，AB段堵塞，將造成壓力容器內(nèi)的水不能排出，RCP090MN輸出維持不變，將RCP090MN置于卸壓開蓋模式后，壓力容器內(nèi)的水可以正常排出，RCP090MN輸出隨水位變化而變化。該種情況可能性較大。

從以上分析可知，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)充排水過程中RCP090/098MN水位測量出現(xiàn)偏差的根本原因為壓力容器排氣管線AB段或BC段存在堵塞。同時也容易理解，不管堵塞是否存在，兩者測量的水位均是可信的，兩個水位計測量出現(xiàn)偏差是因為兩個容器不再是連通器，真實水位不再相同，RCP090MN反映壓力容器實際水位，RCP098MN反映穩(wěn)壓器水位。

4 下行排水期間的水位監(jiān)測的優(yōu)化

加壓排水時讓壓力容器頂部形成正壓（超過大氣壓力），抽氣時讓壓力容器頂部形成微負(fù)壓（低于大氣壓力），看起來似乎很完美，但在實際操作時有時卻會存在偏差。由于RCP640VP與壓縮空氣或者抽風(fēng)機(jī)之間連接的軟管又細(xì)又長，很難避免彎曲、水封等造成管道傳壓不暢的情況，這個時候壓力容器頂部到底是正壓還是微負(fù)壓就屬于未知數(shù)。如果開蓋前壓力容器頂部是正壓（抽氣時管線不暢），開蓋時就會導(dǎo)致水位上漲;如果開蓋前壓力容器頂部形成較大負(fù)壓（排水過快或者加壓排水時加壓管線不暢），開蓋時會導(dǎo)致水位下降，可能會超出報警水位;理想的情況是開蓋前壓力容器頂部形成微負(fù)壓，開蓋時水位微降。

按照當(dāng)前的模式，無法準(zhǔn)確知悉開蓋前壓力容器頂部壓力情況，可能會在開蓋時造成水位的異常變化，導(dǎo)致水位高于10.68 m觸發(fā)“法蘭面高高水位”報警，或者水位低于10.21 m觸發(fā)“法蘭面低水位”報警的風(fēng)險。

為解決該問題，提出在排水過程中在壓力容器頂部安裝壓力表監(jiān)測壓力容器頂部壓力的方法：排水期間，通過三通接口在RCP640VP下游接入壓力表，監(jiān)測壓力容器頂部與反應(yīng)堆廠房大氣之間的差壓，控制差壓在-1～0 kPa（使得開蓋后水位變化在10 cm，同時維持負(fù)壓，防止放射性氣體外泄）。該方法經(jīng)過大修的實踐，效果非常好，有效地避免了開蓋前后水位的超預(yù)期變化。

5 結(jié)語

核電站使用多個儀表監(jiān)測一回路水位，確保水裝量滿足要求，確保堆芯得到充分冷卻。在各種模式轉(zhuǎn)換，特別是壓力容器開關(guān)大蓋時，水位監(jiān)測存在風(fēng)險薄弱點(diǎn)，本項目通過一個小的優(yōu)化改進(jìn)，監(jiān)測壓力容器頂部和環(huán)境大氣的差壓，較好地解決了壓力容器開關(guān)大蓋時水位異常變化的風(fēng)險，提高了安全性。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 廣東核電培訓(xùn)中心.900 MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備[M].北京：原子能出版社，2005.

收稿日期：2021-02-26

作者簡介：張皓云（1987—），男，四川大英人，工程師，研究方向：儀表控制。