核電廠乏燃料池一體化液位溫度測量裝置設(shè)計

孫益暉，文　繼，孫　琳

（成都中核鑫星應(yīng)用技術(shù)研究所，四川　成都　610041）

核電廠乏燃料池一體化液位溫度測量裝置設(shè)計

孫益暉，文繼，孫琳

（成都中核鑫星應(yīng)用技術(shù)研究所，四川成都610041）

文章介紹了福清核電3號、4號機組乏燃料池完成同時同點液位溫度測量裝置，無需分設(shè)兩套設(shè)備；失去外電源時仍能正常工作，響應(yīng)速度＜50 ms、測量精度水位±5 mm，溫度±5 ℃，具有在線校驗功能，適用于核電廠的池、坑及其他容器的水位溫度測量。

水位、溫度一體測量；失去外電源；響應(yīng)速度＜50 ms；在線校驗

成都中核鑫星應(yīng)用技術(shù)研究所研制和生產(chǎn)的ZHXX-YTDYW.FC型核電廠乏燃料池一體化液位溫度測量裝置，是一種新型的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的乏燃料池液位、溫度測量設(shè)備。研制工作始于2011年日本福島核事故以后，屬于國家能源局核電廠關(guān)鍵儀表國產(chǎn)化項目之一。研制依據(jù)是國家核安全局（NNSA）2012年3月發(fā)布的國核安發(fā)［2012］98號文“福島核事故后核電廠改進行動——乏燃料池監(jiān)測的技術(shù)要求”［1］。同時參考了美國核管會（NRC）2012年3月12日發(fā)布的EA-12-051號指令中關(guān)于乏燃料池監(jiān)測儀表的各項技術(shù)要求［2］。在調(diào)研國內(nèi)核電廠營運單位及乏燃料池監(jiān)測儀表設(shè)計單位的需求后，進行了產(chǎn)品設(shè)計、工程樣機制造，按核電廠關(guān)鍵儀表鑒定大綱規(guī)定進行了鑒定試驗。2013年1月通過了能源局組織的國家級鑒定，并于2013年9月與中國核電工程公司簽訂了福清核電3號、4號機組乏燃料池供貨的合同，實現(xiàn)了科研成果向核電產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。

1　ZHXX-YTDYW.FC型一體化液位溫度測量裝置

1.1設(shè)計思想

針對預(yù)想不到的超基準設(shè)計的極端事故工況，研制在失去外電源后最惡劣的工況下可以測量并遠距讀出乏燃料池的水位、溫度參數(shù)的測量技術(shù)和裝置，為深層防護提供可靠信息［3］。

1.2工作原理和裝置組成

1.2.1工作原理

測量裝置利用具有導(dǎo)電性的含硼水能將還具有溫度測量功能的電接點測量回路接通的原理進行液位測量和溫度測量。電接點是被結(jié)構(gòu)化了的電極。將一組按設(shè)計高度垂直布置的電接點插入水中：當電接點觸水時，測量回路導(dǎo)通，此狀態(tài)可用有色燈光（及數(shù)碼）顯示，表明該電接點的位置在水面之下；當電接點脫水面時，測量回路不導(dǎo)通，此狀態(tài)可用另色燈光（及數(shù)碼）顯示，表明該電接點的位置在水面之上。根據(jù)電接點的導(dǎo)通狀態(tài)，便可測量出電接點所在位置的真實水位及同時同步的溫度。

1.2.2裝置組成

裝置由傳感器、信號變送器、應(yīng)急便攜閱讀器及信號電纜組成（見圖1）。

傳感器安裝固定在乏燃料池壁的安裝支架及導(dǎo)向筒豎直插入池中，信號變送器安裝在乏燃料池附近的電器箱內(nèi)。在有外電源的正常工況時，多點水位開關(guān)信號和水位與溫度的模擬信號以4～20 mA標準電流傳輸至中央控制室。在喪失外電源的事故工況時，測量信號自動切換到“無外電源端”傳輸?shù)? km內(nèi)任何地點的便攜閱讀器，遠距讀取測量參數(shù)。當外電源恢復(fù)時，測量信號又自動切換到“有外電源端”。切換是在外電源喪失或恢復(fù)的瞬間完成的。

（1）傳感器

傳感器的作用是將乏燃料池的水位、溫度測量參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號傳至信號變送器。傳感器為整體管狀結(jié)構(gòu)，將一系列微型“水位-溫度”復(fù)合電極依次縱向布置固定在骨架上，整體裝入金屬保護套管中，套管頸部設(shè)安裝法蘭；信號線集束由上端密封經(jīng)機頂盒的接插件輸出。

圖1　裝置組成框圖Fig.1　Schematic of measuring device

（2）信號變送器

信號變送器的作用是將傳感器輸入的水位、溫度信號轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的開關(guān)信號及連續(xù)的4～20 mA模擬信號，根據(jù)有外電源工況和無外電源工況，自動選擇輸出到中央控制室或設(shè)在應(yīng)急中心的便攜閱讀器。選擇動作在喪失或恢復(fù)外電源的瞬間完成。

（3）便攜閱讀器

便攜閱讀器是內(nèi)置干電池（例如紐扣鋰電池）的專用手持儀表。直接顯示水位值和溫度值。電池可隨時更換，工作時間很長，直到外電源的恢復(fù)。

1.3裝置功能和主要技術(shù)性能

1.3.1功能

測量裝置主要具有以下功能：

1）液位、溫度雙參數(shù)一體測量功能。可以同點同時測得雙參數(shù)，且能省一套溫度測量設(shè)施。

2）多點液位開關(guān)量和模擬量輸出功能。保證測點處水位的精確開關(guān)量和模擬量輸出。

3）干點報警輸出功能。水位及溫度的報警點及點數(shù)可以設(shè)定。

4）無外電源時，液位、溫度可讀取實時測量值的功能。在失去外電源的事故工況下，用手持專用表遠距（例如應(yīng)急中心或其他地方）讀取實時測量值。

5）現(xiàn)場在線校驗功能。在線校驗運行十分方便，無需將傳感器從池中取出，只需將一定壓力的壓縮空氣通入或卸除傳感器即可。按照校驗程序，使傳感器內(nèi)的水位下降或上升，與裝置的初始設(shè)計值進行比對，即可完成在線校驗。

1.3.2技術(shù)性能

技術(shù)性能如表1所示。

表1　技術(shù)性能Table 1　Technical performance

1.4安裝

根據(jù)核電廠乏燃料池內(nèi)設(shè)備安裝要求，傳感器以法蘭形式安裝在配套設(shè)計的安裝支架和導(dǎo)向筒中。信號變送器安裝在水池附近電器箱中，二者之間通訊電纜連接。

1.4.1在建新池安裝

對在建新池，由于安裝位置，池壁鉚固板等安裝構(gòu)件已經(jīng)確定，根據(jù)相關(guān)標準對安裝支架、導(dǎo)向筒做相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。并對傳感器—安裝架的組合結(jié)構(gòu)件，根據(jù)“壓水堆核電廠核島機械設(shè)備設(shè)計規(guī)范（GB/T 167020—1996）”有關(guān)要求進行抗震應(yīng)力評定，計算表明，該結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求（見圖2）。

1.4.2在運乏燃料池安裝

由于在運乏燃料池的池水不能排放和池體結(jié)構(gòu)不能做任何改動，對安裝傳感器的支架、導(dǎo)向筒及其組合構(gòu)件的設(shè)計要求是很嚴格的，對構(gòu)件開展了配套方案設(shè)計，待進行抗震分析，以期有足夠的抗震性，基本做到在不對乏燃料池進行帶損壞性改造的情況下進行安裝，使之適用于在運乏燃料池。

2　裝置特點

2.1技術(shù)特點

1）在失去外電源的情況下，具有可長期（例如半年）讀出測量參數(shù)的功能，別種儀表無此功能。

2）關(guān)鍵水位測量點的測量精度高，其間的趨勢水位測量分辨率符合國家核安全局和美國NRC的要求。

3）反應(yīng)時間快，結(jié)構(gòu)簡約，可靠性高。

圖2　傳感器在乏燃料池的安裝示意圖Fig.2　Installation of transduser in new S.F.P

2.2性價比高

裝置通過了國家能源局組織的“核電廠關(guān)鍵儀表國產(chǎn)化” 項目的技術(shù)鑒定，是具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的中國產(chǎn)品，性價比高，競爭力強，不但國內(nèi)可用，推向國外亦是可待。

3　結(jié)束語

本裝置的自主研發(fā)適逢國家能源局大力推動的“核電廠關(guān)鍵儀表國產(chǎn)化”行動的大好環(huán)境，國家的需要和核電市場的需求對研制工作給予了有力地支持和推動。測量裝置的測量精度和反應(yīng)時間等綜合技術(shù)指標優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。不但在技術(shù)上達到了國家核安全局提出的乏燃料池監(jiān)測技術(shù)要求，而且具有價格優(yōu)勢。

［1］ 國家安全局. 福島核事故后核電廠改進行動通用技術(shù)要求［R］. 國核安發(fā)［2012］98號.（National Nuclear Safety Administration. Generic Technical Requirements for Nuclear Power Plant Improvement After the Fukushima Nuclear Accident ［R］. Guohe Anfa［2012］No.98.）

［2］ NRC，Issuance of order to modify licenses with regard to reliable spent fuel pool instrunentation，Washington D.CU.S.A.

［3］ 葉奇蓁. 中國核電的安全與發(fā)展［J］. 中國核電，2012（4）.（YE Qi-zhen. The Safety and Development of Nuclear Power in China［J］，China Nuclear Power，2012（4）.）

［4］ NEI.Order EA-12-051 Guidance SPEN FUEL POOL Instrumention［R］，April 18，2012，U.S.A.

The Design of the Integrated Level and Temperature Instrumentation for the Spent Fuel Pool of Nuclear Power Plant

SUN Yi-hui，WEN Ji，SUN Lin
（Chengdu Zhonghe Xinxing Application Technology Institute，Chengdu of Sichuan Prov. 610041，China）

The integrated level and temperature instrumentation （type ZHXXYTDYW.FC） could simultaneously measure the water level and temperature at the same point with just one set of equipment. The instrumentation still works under loss of all power accidents with less than 50 ms response time. The measurement error for water level is 5 mm， and 1.5 ℃ for temperature. It has calibration function on line. It could be applied to the level and temperature measurement of spent fuel pool，reactor cavity and all kinds of containers of nuclear power plants.

simultaneous measurement of water level and temperature；loss of all power；response time ＜50 ms；calibration on line

TM623Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）02-0125-04

TM623

A

1674-1617（2015）02-0125-04

2015-02-08

孫益暉（1970—），男，河南鄭州人，工程師，學(xué)士，主要從事測量技術(shù)工作。