某研究堆容補(bǔ)器液位測(cè)量系統(tǒng)分析與優(yōu)化

韓娟娟，葛 源，袁志敏，石 強(qiáng)，馬樹波

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都 610005）

0 引言

容積補(bǔ)償器（以下簡(jiǎn)稱“容補(bǔ)器”）是研究堆冷卻劑系統(tǒng)中重要的設(shè)備之一，正常運(yùn)行時(shí)維持反應(yīng)堆一回路冷卻劑壓力在限定范圍內(nèi)，特殊工況下實(shí)施超壓保護(hù)。容補(bǔ)器內(nèi)部介質(zhì)為冷卻水和壓縮空氣，氣水體積比例約為1:1，頂部設(shè)計(jì)有安全閥和泄壓閥，底部設(shè)置一次水出口和入口閥，利用容補(bǔ)器液位的波動(dòng)來減緩和維持研究堆一回路冷卻水體積變化[1]。當(dāng)一回路冷卻劑體積增加時(shí)，冷卻劑會(huì)流入容補(bǔ)器內(nèi)，導(dǎo)致容補(bǔ)器內(nèi)液位上升，上部氣體被壓縮；當(dāng)一回路冷卻水體積減小時(shí)，容補(bǔ)器內(nèi)液位下降，氣體體積增大而氣空間壓力下降[2]。容補(bǔ)器液位是研究堆重要的監(jiān)測(cè)參數(shù)之一，正常運(yùn)行工況下液位保持在一定范圍內(nèi)，當(dāng)液位高于某一閾值時(shí)將觸發(fā)泄壓閥關(guān)閉，而當(dāng)液位低于某值時(shí)，液位低報(bào)警并觸發(fā)泄壓閥開啟，同時(shí)疊加容補(bǔ)器氣空間壓力低報(bào)警將觸發(fā)應(yīng)急注水泵啟動(dòng)，因此容補(bǔ)器液位測(cè)量的可靠性和準(zhǔn)確性對(duì)研究堆專設(shè)驅(qū)動(dòng)和安全運(yùn)行具有重要的意義。

1 液位測(cè)量系統(tǒng)

某研究堆容補(bǔ)器設(shè)計(jì)有9 組液位測(cè)量，分別為1 組寬量程式和8 組窄量程式，以保證液位測(cè)量的冗余和可靠性。如圖1所示，容補(bǔ)器上段設(shè)置有3 組窄量程液位測(cè)量（位號(hào)RCP007MN～RCP009MN），中間段設(shè)置有兩組窄量程液位測(cè)量（位號(hào)RCP001MN、RCP002MN），下段設(shè)計(jì)有3組窄量程液位測(cè)量（位號(hào)RCP004MN～RCP006MN），以及1 組寬量程液位測(cè)量（位號(hào)RCP003MN）。另外，在容器上部設(shè)置有3 組氣空間壓力測(cè)量（位號(hào)RCP0016MP～RCP 018MP）。

圖1 容補(bǔ)器液位測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.1 The schematic diagram of volume compensator water level measurement system

其中9 組液位測(cè)量全部采用差壓式，由差壓變送器和DCS（分布式控制系統(tǒng)）構(gòu)成，介質(zhì)通過引壓管路進(jìn)入差壓變送器后進(jìn)行過程參數(shù)信號(hào)的采集，并輸出標(biāo)準(zhǔn)4mA～20mA 信號(hào)，通過DCS 控制機(jī)柜內(nèi)部邏輯處理后在主控室進(jìn)行顯示。

2 液位測(cè)量原理

根據(jù)流體靜力學(xué)原理，容補(bǔ)器內(nèi)的液位高度與液柱上下兩端面的靜壓差成比例，利用差壓變送器測(cè)量容補(bǔ)器頂部和底部的壓力差，從而計(jì)算得到液位。

其中，ΔP為差壓變送器測(cè)量得到的壓力差；PH為變送器高壓側(cè)壓力；PL為變送器低壓側(cè)壓力。

在本測(cè)量系統(tǒng)中均采用電容式差壓變送器，變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括一個(gè)傳感元件和兩個(gè)球面形極板。當(dāng)高、低壓側(cè)介質(zhì)產(chǎn)生的壓力通過引壓管傳遞到中心傳感膜片上時(shí)，兩側(cè)壓力差使中心傳感膜片產(chǎn)生一個(gè)正比于壓力差的變形位移量，從而導(dǎo)致電容發(fā)生對(duì)應(yīng)變化。利用差動(dòng)電容檢測(cè)原理，在電子電路中將可變電容信號(hào)檢波和放大，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的直流電流信號(hào)輸出[3]。

3 影響液位測(cè)量的因素分析

通過對(duì)容補(bǔ)器液位測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理的分析，可以發(fā)現(xiàn)影響液位測(cè)量的主要因素包括變送器安裝標(biāo)高[4]、引壓管內(nèi)介質(zhì)狀態(tài)變化、氣空間介質(zhì)密度變化、引壓管內(nèi)積液及介質(zhì)損失等，從而導(dǎo)致容補(bǔ)器液位測(cè)量值與真實(shí)液位不符，各組液位顯示不一致，液位顯示值隨工況變化而偏離實(shí)際等一系列現(xiàn)象。

3.1 變送器安裝標(biāo)高

一般情況下，差壓變送器的安裝高度與高壓側(cè)取壓點(diǎn)在同一水平高度，但在核工業(yè)領(lǐng)域多為放射性環(huán)境，為了便于現(xiàn)場(chǎng)施工和后期運(yùn)行維護(hù)，變送器的安裝位置通常通過引壓管延伸到某一區(qū)域集中布置[5]。因此，在變送器安裝位置與高壓取壓點(diǎn)之間會(huì)存在標(biāo)高差，如圖2所示，對(duì)于寬量程液位RCP003MN，在設(shè)計(jì)階段和變送器初始參數(shù)設(shè)置時(shí)并未完全考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工問題，系統(tǒng)充水后在高壓引壓管路中始終存在一段高度為h1的附加液柱，則會(huì)導(dǎo)致液位測(cè)量與實(shí)際液位不符。

圖2 寬量程液位測(cè)量示意圖Fig.2 The Schematic diagram of wide range water level measurement

對(duì)于寬量程液位測(cè)量RCP003MN，通過變送器零點(diǎn)遷移的方法即可消除附加液柱帶來的誤差。變送器低壓側(cè)管路中為氣，高壓側(cè)管路介質(zhì)為一回路去離子水，水密度ρw=997.90kg/m3，重力加速度g=9.80m/s2，測(cè)量變送器實(shí)際安裝位置與高壓取壓點(diǎn)距離，得到h1高度為1.102m，h2為高、低壓側(cè)取壓點(diǎn)之間的距離為7.30m，h為高壓取壓點(diǎn)距離液面的高度。在容補(bǔ)器氣空間壓力為常壓時(shí)，零點(diǎn)和滿點(diǎn)的差壓計(jì)算公式分別為：

根據(jù)上式，得到寬量程液位RCP003MN 差壓變送器測(cè)量的零點(diǎn)和滿點(diǎn)分別是10780Pa 和82170Pa，利用壓力校驗(yàn)?zāi)K完成該差壓變送器的零點(diǎn)遷移，同理可解決其他由安裝標(biāo)高問題帶來的測(cè)量偏差。

3.2 引壓管內(nèi)介質(zhì)狀態(tài)變化

對(duì)于窄量程液位測(cè)量，即RCP001MN~RCP002MN、RCP004MN~RCP009MN 用于分段測(cè)量容補(bǔ)器局部區(qū)間的液位，設(shè)計(jì)階段僅考慮了變送器低壓側(cè)為氣體，高壓側(cè)為水的工況，但實(shí)際在容補(bǔ)器補(bǔ)水過程中，當(dāng)液位逐漸上升并高于上述變送器低壓側(cè)取壓口時(shí)，低壓側(cè)管路內(nèi)介質(zhì)由空氣變?yōu)樗?，此時(shí)液位計(jì)算方法和變送器量程設(shè)置仍為高壓側(cè)為水、低壓側(cè)為氣體的情況，明顯已不再適用。因此，對(duì)于窄量程液位測(cè)量顯示值嚴(yán)重脫離實(shí)際。

為了解決在補(bǔ)水過程中產(chǎn)生的低壓側(cè)引壓管內(nèi)介質(zhì)狀態(tài)改變的問題，提出了在系統(tǒng)投運(yùn)前進(jìn)行儀表低壓管路充水，再進(jìn)行變送器零點(diǎn)遷移的方案，利用下式計(jì)算得到實(shí)際適用的變送器零點(diǎn)和滿點(diǎn)。

其中，h2為高、低壓側(cè)取壓點(diǎn)之間的距離，對(duì)于RCP004MN～RCP009MN，見表1。h2均為0.5m，得到ΔPZero為-4680Pa，因此對(duì)應(yīng)的量程應(yīng)該設(shè)置為（-4680～0）Pa，利用壓力校驗(yàn)?zāi)K完成零點(diǎn)遷移。對(duì)于RCP001MN、RCP002MN，與上述方法相同，變送器零點(diǎn)遷移后，量程為（-19560～0）Pa。

表1 變送器初始參數(shù)和遷移后參數(shù)Table 1 The initial parameters and modified parameters of transmitters

通過對(duì)變送器零點(diǎn)和量程的遷移，解決了氣空間為常壓下的各類測(cè)量偏差問題。

3.3 氣空間介質(zhì)密度變化

研究堆容補(bǔ)器在升壓過程中，通過關(guān)閉容補(bǔ)器一次水進(jìn)出口閥，打開進(jìn)氣閥利用壓縮空氣對(duì)容補(bǔ)器進(jìn)行升壓時(shí)，發(fā)現(xiàn)容補(bǔ)器顯示液位會(huì)隨著氣空間壓力的變化而變化，而實(shí)際上在密閉容器中液位是保持不變的。表2記錄了3 種不同氣空間壓力下，主控室DCS 顯示的液位值。

從表2中可以看出，對(duì)于寬量程液位測(cè)量RCP003MN，液位顯示值隨著容補(bǔ)器氣空間壓力RCP016MP 的降低而升高，而對(duì)于窄量程液位測(cè)量RCP008MN，顯示值隨著容補(bǔ)器氣空間壓力的降低而降低。因此，氣空間壓力變化會(huì)給差壓式液位測(cè)量帶來相當(dāng)大的偏差。此類工況下對(duì)于氣體壓力已不能忽略，對(duì)于寬量程液位RCP003MN，重新計(jì)算差壓：

表2 不同壓力下容補(bǔ)器液位值Table 2 The water level value of volume compensator under different pressures

從上式可以看出，液位h除了與容補(bǔ)器內(nèi)水密度ρw有關(guān)，還與容補(bǔ)器上部氣體密度ρs有關(guān)，介質(zhì)密度直接決定了液位測(cè)量的準(zhǔn)確度[6]。對(duì)于RCP003MN 變送器正壓側(cè)引壓管路中為靜止的水，可近似為不可壓縮介質(zhì)，處于環(huán)境溫度時(shí)，密度ρw可以近似為是一個(gè)定值，但容補(bǔ)器在升壓或泄壓過程中，氣空間體積不變，氣體密度ρs會(huì)隨著氣體壓力變化而變化，從而導(dǎo)致液位測(cè)量值變化。由于氣體密度ρs是氣空間壓力的單值函數(shù)，因而提出了在差壓式液位測(cè)量回路中引入壓力修正，從而自動(dòng)消除介質(zhì)密度變化對(duì)液位測(cè)量的影響。

將容補(bǔ)器內(nèi)部看作近似絕熱過程，內(nèi)部氣體遵循理想氣體狀態(tài)方程[7]，按照公式：

Ps為氣空間絕對(duì)壓力(Pa)，M 為空氣摩爾質(zhì)量28.9634g/mol，R 為摩爾氣體常數(shù)8.314J/(mol·K)，溫度T在額定工況下為318.15K，Ps1為氣空間相對(duì)壓力即表壓，Ps1可從DCS 中直接讀取氣空間相對(duì)壓力（RCP016MP～RCP018MP）三通道任一值，但由于在DCS 中氣Ps1單位設(shè)置為MPa，即得到了氣體密度隨氣空間壓力變化的函數(shù)關(guān)系，如下式：

h1=1.102m，由于h為高壓取壓口距離容器內(nèi)液面的相對(duì)高度，DCS 液位設(shè)置量程為（0.10～7.40）m，因而DCS 顯示液位值hdisplay為：

對(duì)于RCP003MN，利用上式在DCS 一層組態(tài)中進(jìn)行算法修正，如圖3。對(duì)于其他窄量程液位測(cè)量可以采用相同的方法來消除氣空間壓力變化影響，以實(shí)現(xiàn)密度的自動(dòng)補(bǔ)償[8]，解決在不同工況下液位測(cè)量的偏差。另外，當(dāng)反應(yīng)堆一回路水溫變化范圍較大時(shí)，可以將溫度作為變量引入液位算法中進(jìn)行修正，以補(bǔ)償由于溫度變化導(dǎo)致的介質(zhì)密度變化，從而實(shí)現(xiàn)更精確的容補(bǔ)器液位測(cè)量。

圖3 液位算法修正示意圖Fig.3 The schematic diagram of water level algorithm correction

3.4 引壓管內(nèi)積液或介質(zhì)損失

在研究堆啟動(dòng)、停運(yùn)以及正常升降功率過程中，一回路冷卻劑溫度的變化會(huì)導(dǎo)致冷卻劑的膨脹與收縮，對(duì)于容補(bǔ)器寬量程液位長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后低壓引壓管路中由于氣相冷凝會(huì)有液體聚集，從而導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確，可通過定期排空引壓管路中的積液以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。

對(duì)于容補(bǔ)器中、上段窄量程液位，高低引壓管路中介質(zhì)均為水時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行儀表管中水蒸發(fā)會(huì)失去部分水，導(dǎo)致測(cè)量出現(xiàn)新的誤差[9]。為了保證低壓參考端水柱高度不變，可在系統(tǒng)運(yùn)行之前，對(duì)參考端管線進(jìn)行補(bǔ)水，保證儀表管路內(nèi)始終充滿水，從而提高液位測(cè)量的準(zhǔn)確性[10]。

4 結(jié)束語

通過對(duì)容補(bǔ)器液位測(cè)量系統(tǒng)的逐步分析和優(yōu)化，解決了容補(bǔ)器液位測(cè)量的一系列問題。經(jīng)系統(tǒng)調(diào)試和長(zhǎng)期運(yùn)行，驗(yàn)證了上述方法大幅提高了容補(bǔ)器液位測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性，有助于對(duì)液位測(cè)量問題做出快速地分析與判斷，降低了設(shè)備的維修檢查頻率與放射性輻射劑量，保證了研究堆的安全可靠運(yùn)行。