反應(yīng)堆廠房事故工況下乏燃料水池液位計(jì)國產(chǎn)化研究

董保錄

（江蘇核電有限公司 儀控處，江蘇 連云港 222042）

0 引言

根據(jù)日本福島核事故經(jīng)驗(yàn)反饋，事故后乏燃料水池喪失正常冷卻，乏燃料水池內(nèi)的衰變熱依靠池水的蒸發(fā)、沸騰帶走，從而導(dǎo)致水池液位下降。為保證事故后操縱員可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)乏燃料水池液位，了解事故進(jìn)展并制定緩解策略，事故后乏燃料水池液位計(jì)必須滿足寬量程設(shè)計(jì)，測(cè)量區(qū)間至少應(yīng)包括乏燃料開始裸露的水位到滿水位，并且要保證在事故后相應(yīng)環(huán)境條件下仍然可用[1]。田灣核電站一期工程每臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)了2臺(tái)互為冗余的乏燃料水池液位計(jì)，負(fù)責(zé)在運(yùn)行期間和事故后工況下，實(shí)現(xiàn)乏燃料水池液位的連續(xù)測(cè)量。經(jīng)過分析論證，田灣核電站的乏燃料水池液位計(jì)安全等級(jí)和抗震等級(jí)均滿足國家核安全局頒發(fā)的《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求》。然而，最近廠家通知該型號(hào)液位計(jì)已經(jīng)停產(chǎn)且沒有升級(jí)替代產(chǎn)品，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，液位計(jì)出現(xiàn)了示值漂移和波動(dòng)缺陷，嚴(yán)重影響了乏燃料水池液位的可靠測(cè)量，因此需要開展液位計(jì)換型研究。

1 乏燃料水池液位計(jì)概述

VVER核電堆型乏燃料水池布置在反應(yīng)堆廠房，用于儲(chǔ)存和冷卻乏燃料。為有效監(jiān)測(cè)乏燃料水池液位，設(shè)計(jì)有3臺(tái)正常運(yùn)行工況液位計(jì)和2臺(tái)事故工況液位計(jì)。其中，事故工況液位計(jì)需要保證在電站正常運(yùn)行期間和事故后均可用。事故工況下，乏燃料水池液位計(jì)（以下簡(jiǎn)稱乏池液位計(jì)）采用的是E+H公司生產(chǎn)的分體式電容液位計(jì)，液位計(jì)結(jié)構(gòu)分為一次探頭、前置放大器和二次模件。一次探頭型號(hào)為FSK88，安裝在反應(yīng)堆廠房34m乏燃料水池內(nèi)，負(fù)責(zé)將液位信號(hào)轉(zhuǎn)換為電容信號(hào)；液位計(jì)前置放大器型號(hào)為EC11，安裝在一次探頭保護(hù)蓋中，負(fù)責(zé)將儀表電容信號(hào)轉(zhuǎn)換成小電流信號(hào)輸送到二次模件；二次模件型號(hào)為FMC280，安裝在安全殼環(huán)廊廠房保護(hù)箱中，負(fù)責(zé)將小電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成4mA～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，由電站TXP系統(tǒng)采集后送OM690系統(tǒng)、主控室和備控室后備盤進(jìn)行顯示。乏池液位計(jì)依據(jù)KTA3505標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了功能試驗(yàn)、熱老化試驗(yàn)、輻照試驗(yàn)、抗震試驗(yàn)、LOCA試驗(yàn)和噴淋試驗(yàn)，能夠在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震和事故環(huán)境條件下，保證設(shè)備可用。

2 乏燃料水池液位計(jì)國產(chǎn)化的提出

2.1 乏燃料水池液位計(jì)國產(chǎn)化研究必要性

針對(duì)乏池液位計(jì)換型問題，解決思路主要有兩種方式：一是參考國內(nèi)其它核電站乏燃料水池液位計(jì)型號(hào)選擇合適產(chǎn)品進(jìn)行替代；二是針對(duì)田灣核電站實(shí)際情況對(duì)液位計(jì)進(jìn)行國產(chǎn)化研究。根據(jù)調(diào)研國內(nèi)M310堆型、CPR1000堆型和AP1000堆型，乏燃料水池均布置在反應(yīng)堆廠房外[2]，M310堆型乏燃料水池原設(shè)計(jì)只有兩個(gè)液位開關(guān)，信號(hào)送至主控室進(jìn)行高低液位報(bào)警。日本福島事故發(fā)生后，根據(jù)國家安全局改進(jìn)要求，增設(shè)了乏燃料水池液位和溫度連續(xù)測(cè)量裝置。儀表選型為美國FCI公司生產(chǎn)的FCI-CL86液位計(jì)（基于熱擴(kuò)散原理）[3]，國內(nèi)CPR1000堆型和AP1000堆型乏池液位計(jì)選型主要有FCI-CL86液位計(jì)、核級(jí)差壓變送器和同軸導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)等幾種類型[4]。由于田灣核電站乏池液位計(jì)有抗震試驗(yàn)、LOCA試驗(yàn)和噴淋試驗(yàn)等一系列鑒定要求，因而FCI-CL86液位計(jì)不能滿足要求，且田灣核電站乏池沒有預(yù)留引壓口、反應(yīng)堆廠房也沒有安裝低壓同軸貫穿件，故核級(jí)差壓變送器和同軸導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)也均無法適用于田灣一期工程，開展乏池液位計(jì)國產(chǎn)化研究是必要的。

2.2 乏燃料水池液位計(jì)國產(chǎn)化難點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

乏池液位計(jì)國產(chǎn)化研究思路為液位計(jì)仍采用電容測(cè)量原理，借助原有液位計(jì)保護(hù)套管實(shí)現(xiàn)一次探頭的安裝固定并構(gòu)成電容的兩極，研發(fā)新型前置放大器和二次模件實(shí)現(xiàn)電容信號(hào)放大和轉(zhuǎn)換。液位計(jì)研發(fā)主要需克服以下困難：原前置放大器為滿足抗LOCA試驗(yàn)和噴淋試驗(yàn)要求，采用的是一體化整體封裝結(jié)構(gòu)，內(nèi)部測(cè)量原理和硬件組成不得而知，需要自主研發(fā)并且需滿足輻照老化、熱老化、LOCA試驗(yàn)、噴淋試驗(yàn)等一系列要求。乏池液位計(jì)國產(chǎn)化研究?jī)?yōu)勢(shì)主要在于現(xiàn)場(chǎng)改造范圍小，不需要改變乏池整體結(jié)構(gòu)和反應(yīng)堆廠房貫穿件等工藝設(shè)施，并且新研發(fā)的分體液位計(jì)與原產(chǎn)品各子部件實(shí)現(xiàn)完全兼容，可以單獨(dú)在線更換，換型成本低。

3 乏燃料水池液位計(jì)國產(chǎn)化研究

3.1 新研發(fā)的乏燃料水池液位計(jì)工作原理

3.1.1 新研發(fā)的乏池液位計(jì)測(cè)量原理

新研發(fā)的乏池液位計(jì)測(cè)量原理為：將液位計(jì)探頭中間的不銹鋼線纜作為電容器的一個(gè)電極，原液位計(jì)保護(hù)套管作為電容器的另一個(gè)電極，而分布在不銹鋼線纜周圍的絕緣材料則作為兩極間的絕緣介質(zhì)。這樣，當(dāng)有導(dǎo)電液體時(shí)，將會(huì)形成一個(gè)圓柱形電容器。液位計(jì)探頭的電容變化量與液位高度變化量之間有很好的線性關(guān)系，因此可以通過測(cè)量液位計(jì)探頭電容量來完成對(duì)被測(cè)液體的液位測(cè)量。根據(jù)液位的變化，探頭產(chǎn)生相應(yīng)的電容信號(hào)給前置放大器，前置放大器將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換成小電流信號(hào)發(fā)送給二次模件，二次模件將此信號(hào)變送為4mA～20mA信號(hào)，輸送給DCS顯示系統(tǒng)。測(cè)量原理如圖1所示。

3.1.2 新研發(fā)的乏池液位計(jì)前置放大器

新研發(fā)的液位計(jì)前置放大器主要由信號(hào)發(fā)生模塊和電容-電流變換模塊組成，如圖2所示。

前置放大器信號(hào)發(fā)生器模塊正弦交流信號(hào)由變壓器和三極管組成單管自激振蕩電路，振蕩頻率由變壓器初級(jí)線圈電感值和并聯(lián)電容的容值決定，電感值約230uH，電容值為0.1uF，計(jì)算出振蕩頻率約33KHz。電容-電流變換模塊利用電容對(duì)交流電限流的特性，由I=2πfCU公式可知，在頻率和電壓保持不變的情況下，流過電容的電流與電容值成線性關(guān)系，然后將交流電整流濾波成直流電，因此可將電容信號(hào)線性的變換成電流信號(hào)。

圖1 測(cè)量原理圖Fig.1 Schematic diagram of measurement

圖2 前置放大器測(cè)量原理圖Fig.2 Schematic diagram of preamplifier measurement

圖3 二次模件測(cè)量原理圖Fig.3 Schematic diagram of secondary module measurement

圖4 前置放大器結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖Fig.4 Structure and physical diagram of preamplifier

3.1.3 新研發(fā)的乏池液位計(jì)二次模件

二次模件主要由接口防護(hù)電路、電源模塊、信號(hào)采樣和運(yùn)算放大模塊以及4mA～20mA、1V～5V信號(hào)輸出模塊組成，如圖3所示。

二次模件接口防護(hù)電路有效濾除了模件接口浪涌、脈沖、靜電等干擾信號(hào)。電源模塊為二次儀表提供供電管理功能，通過高性能穩(wěn)壓模塊為系統(tǒng)提供低紋波的供電，具備過流、過壓保護(hù)功能，同時(shí)為前置放大器提供20VDC的供電能力，同樣具備過流、過壓等保護(hù)功能。信號(hào)采樣和運(yùn)算放大模塊將前置放大器輸入的0mA～4mA電流經(jīng)過500Ω采樣電阻，得到0V～2V電壓進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換和放大處理。運(yùn)算處理模塊輸出與液位相應(yīng)的電壓信號(hào)，再經(jīng)過電壓-電流變換電路轉(zhuǎn)換為4mA～20mA電流輸出信號(hào)。

3.2 新研發(fā)的乏燃料水池液位計(jì)工藝設(shè)計(jì)

3.2.1 前置放大器工藝設(shè)計(jì)

為了保證新研發(fā)的乏池液位計(jì)能夠在嚴(yán)酷環(huán)境下的正常工作，在設(shè)計(jì)選型階段設(shè)計(jì)了寬溫元器件，保證了設(shè)備在嚴(yán)酷環(huán)境下的穩(wěn)定性。前置放大器主要分為3個(gè)部分，最內(nèi)層為測(cè)量單元部分，中間層為隔熱部分，最外層為隔熱灌封部分。測(cè)量單元部分，使用加厚電路板設(shè)計(jì)，并對(duì)板載器件進(jìn)行了合理的布局，降低了板卡自身造成的溫升；電路板在焊接完畢后，表面進(jìn)行三防膠涂覆，保證了良好的絕緣性能，進(jìn)行了軟質(zhì)硅膠灌封，軟質(zhì)硅膠的導(dǎo)熱系數(shù)較低，也可降低溫度傳導(dǎo)的速率。中間隔熱部分使用厚度為0.2mm的聚酰亞胺材料絲帶進(jìn)行纏繞包裹，包裹厚度為3cm～3.5cm，降低了外界溫度向內(nèi)部的傳導(dǎo)效率，從而使內(nèi)部測(cè)量單元部分的溫升速度有了大幅度的降低，使內(nèi)部元器件對(duì)溫度沖擊不敏感，保證了測(cè)量單元的正常工作。外層隔熱灌封部分，使用雙組份高溫硫化硅橡膠進(jìn)行灌封，灌封后外部整體彈性較好，在高溫環(huán)境下，仍能保持一定的柔韌性、回彈性和表面硬度，且具有優(yōu)異的絕緣性能，保證了設(shè)備的各項(xiàng)性能指標(biāo)，前置放大器結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖如圖4所示。

圖5 二次模件Fig.5 Secondary module

圖6 溫度電阻補(bǔ)償電路Fig.6 Temperature resistance compensation circuit

3.2.2 二次模件工藝設(shè)計(jì)

二次模件主要分為兩部分：外部為鑄鋁箱，內(nèi)部為測(cè)量單元。鑄鋁箱使用一次性澆筑成型技術(shù)，整體部分沒有其余附屬物，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)不會(huì)出現(xiàn)部件松動(dòng)、脫落等現(xiàn)象，且具有完全的屏蔽功效，保證了內(nèi)部測(cè)量單元的測(cè)量精度。內(nèi)部測(cè)量單元使用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每層分別對(duì)應(yīng)不同功能，保證了功能的獨(dú)立性，如圖5所示。

3.3 新研發(fā)的乏燃料水池液位計(jì)技術(shù)難點(diǎn)及解決措施

3.3.1 高測(cè)量精度和一致性的技術(shù)難點(diǎn)

由于事故后乏燃料水池液位計(jì)對(duì)測(cè)量精度有不低于0.3%的技術(shù)要求，新研發(fā)的乏池液位計(jì)通過采用高性能低漂移的采樣電阻、低溫漂無感軸向電容、高精度運(yùn)算放大器對(duì)表示液位電容值的電流信號(hào)進(jìn)行采樣處理，保證轉(zhuǎn)換精度高于0.1%；輔助電子元器件精度普遍選用高于0.1%的產(chǎn)品；電路設(shè)計(jì)中充分考慮了漂移、補(bǔ)償?shù)榷喾N因素影響；在信號(hào)運(yùn)算處理方法中進(jìn)行了優(yōu)化處理，保證設(shè)備的測(cè)量精度優(yōu)于0.3%。

3.3.2 嚴(yán)重事故后寬溫設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)

根據(jù)嚴(yán)重事故后的嚴(yán)酷工況要求，前置放大器要求-40℃～160℃的寬工作溫度范圍，在LOCA等嚴(yán)重事故后復(fù)雜、惡劣工況下的測(cè)量精度仍需要保證，主要解決措施如下：

1）電子元器件選型：前置放大器元器件全部選用寬工作溫度、超低溫漂的軍品級(jí)器件，受環(huán)境影響微弱。

2）變壓器耐熱磁芯選型：前置放大器變壓器選用PC40磁芯，相比其它材料的磁芯，本磁芯磁導(dǎo)率隨溫度線性變化，更容易通過補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)在LOCA情況下的精度要求；另外，該磁芯居里溫度＞200℃，保證在LOCA情況下磁芯性能滿足要求。

3）前置放大器耐熱隔離處理：前置放大器電路板三防處理后，用導(dǎo)熱系數(shù)較低的軟質(zhì)硅膠進(jìn)行初步灌封，待硅膠完全固化后，使用0.2mm厚聚酰亞胺材料的耐熱膠帶緊密纏繞至直徑8.5cm～9cm的球體，將纏繞好的前置放大器用做好的灌封膠模具灌封雙組份高溫硫化硅橡膠至標(biāo)準(zhǔn)的形狀。經(jīng)過上述處理，前置放大器具有良好的密封性和極好的隔熱性。

4）設(shè)計(jì)了前置放大器溫度電阻補(bǔ)償電路，通過調(diào)整溫度電阻及與其串聯(lián)的電阻使變壓器交流信號(hào)頻率與次級(jí)線圈電壓達(dá)到平衡，從而使電容電流變換電路輸出的電流基本保持不變，避免了事故后環(huán)境溫度增高對(duì)電容電流變換電路輸出電流的影響，補(bǔ)償電路如圖6所示。

3.4 前置放大器和二次模件鑒定試驗(yàn)

前置放大器和二次模件基本性能試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)的方法和條件方面，參考IEEE 323-1974《核電站1E級(jí)設(shè)備的質(zhì)量鑒定》和GB/T 12727-2017《核電廠安全系統(tǒng)電氣設(shè)備質(zhì)量鑒定》。在鑒定試驗(yàn)的具體執(zhí)行和實(shí)施方面，優(yōu)先考慮采用已被國內(nèi)較普遍認(rèn)可和接收的適用標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，如《抗震鑒定試驗(yàn)指南HAF-J0053》等。根據(jù)鑒定試驗(yàn)大綱，主要完成元器件熱老化測(cè)試、基準(zhǔn)功能試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)、熱老化試驗(yàn)、輻照老化試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)、機(jī)械性能試驗(yàn)、抗震試驗(yàn)、LOCA試驗(yàn)鑒定試驗(yàn)后的測(cè)試等。前置放大器和二次模件與原產(chǎn)品鑒定等級(jí)一致，前置放大器設(shè)備安全等級(jí)為安全相關(guān)級(jí)，抗震等級(jí)為抗震1類，質(zhì)量鑒定等級(jí)為K1級(jí)；二次模件設(shè)備安全等級(jí)為安全相關(guān)級(jí)，抗震等級(jí)為抗震1類，質(zhì)量鑒定等級(jí)為K3級(jí)。

4 乏燃料水池液位計(jì)產(chǎn)品鑒定和應(yīng)用效果

乏池液位計(jì)前置放大器和二次模件研發(fā)完成后，先后完成了環(huán)境、電磁兼容、熱老化、輻照老化、機(jī)械性能、抗震、LOCA等各項(xiàng)鑒定試驗(yàn)，并且在鑒定試驗(yàn)前后分別進(jìn)行了基準(zhǔn)功能試驗(yàn)。2019年6月山東省院士工作站葉奇蓁站在山東濟(jì)南組織召開了“電容式乏燃料水池液位計(jì)”產(chǎn)品樣機(jī)鑒定會(huì)，專家一致認(rèn)為新研發(fā)的乏燃料水池液位計(jì)滿足《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求》，試驗(yàn)鑒定滿足原產(chǎn)品鑒定大綱《Summary of Data Siemens PG L52/LYG/2004/63B：Capacitive Level Probe FSK 88》，安全質(zhì)保等級(jí)滿足電站設(shè)計(jì)要求。2019年8月已經(jīng)完成田灣核電站1、2號(hào)機(jī)組共4臺(tái)乏燃料水池液位計(jì)前置放大器和二次模件的替代，替代完成后乏燃料水池液位顯示準(zhǔn)確，性能穩(wěn)定，沒有再次出現(xiàn)示值波動(dòng)的問題，應(yīng)用效果良好。

5 結(jié)束語

本文以田灣核電站1、2號(hào)機(jī)組事故工況下乏池液位計(jì)的實(shí)際問題為基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外液位計(jì)產(chǎn)品特點(diǎn)和乏燃料水池液位監(jiān)測(cè)要求，對(duì)比分析了替代方案，確定了乏池液位計(jì)國產(chǎn)化研究的思路。通過對(duì)乏池液位計(jì)前置放大器和二次模件進(jìn)行自主設(shè)計(jì)，并順利通過一系列的鑒定試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了乏池液位計(jì)的國產(chǎn)化，掌握了核心技術(shù)，打破了乏燃料水池液位測(cè)量的海外技術(shù)壟斷，為在役核電站反應(yīng)堆廠房乏燃料水池液位監(jiān)測(cè)儀表替代選型，提供了一種國產(chǎn)化的產(chǎn)品，具有一定借鑒意義和推廣價(jià)值。