重水堆核電站ECC系統爆破盤液位測量回路分析與優化

張振超，劉 錚，丁林樸，祁陸凱，林 熙

（中核核電運行管理有限公司 維修五處，浙江 海鹽 314300）

0 引言

重水堆核電站應急堆芯冷卻系統（以下簡稱ECC系統）是四大專設安全系統之一，當主熱傳輸系統出現破口導致堆芯冷卻劑減少時，通過及時并持續地向主系統中注入大量的常溫輕水的方式保證堆芯內熱量的有效導出以防止堆芯及主系統管道的損壞。

系統參數可分為工藝參數、觸發參數、條件參數。工藝參數主要是指用于監視系統運行狀態的參數，由于沒有邏輯控制功能，用于區別觸發和條件參數。觸發參數和條件參數參與邏輯控制，用于觸發LOCA、啟停泵等，觸發參數是邏輯控制功能實現的充分條件，條件參數是邏輯功能實現的必要條件。當以下條件滿足時，注射和快速冷卻啟動：主熱傳輸系統壓力≤5.9MPa和下列3個條件之一滿足時：R/B壓力≥3.45 kPa或慢化劑液位≥10.12 m或主熱傳輸系統壓力持續5min≤5.9 Mpa，邏輯觸發自動動作。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram

圖2 液位測量回路原理圖Fig.2 Schematic diagram of liquid level measurement loop

ECC系統爆破盤RD1/RD2是重水和輕水之間的隔離膜，在機組正常運行時，使系統的輕水部分和重水部分分開，防止輕重水之間的相互擴散，減少降級重水；在ECC安注時，爆破盤破裂，ECC水注入主系統。爆破盤的正向破裂壓差為345kPa，反向破裂壓差為172kPa。如果在運行時在爆破盤兩側壓力發生波動，可能造成爆破盤的意外破裂。ECC系統爆破盤液位測量回路就是用于監測爆破盤重水側液位的重要工藝參數，通過監視爆破盤液位保證正常運行期間爆破盤重水側的滿水情況以及相應的充水操作，并且可以判斷出爆破盤是否破裂。

正常運行情況下，爆破盤液位在0.6m～1.81m之間波動，可以通過正常的補水和疏水操作保證爆破盤液位在合理范圍之內。

1 爆破盤液位測量回路介紹

ECC系統安注功能通過兩個回路實現，即奇回路和偶回路。每個回路各有一個爆破盤，設備編碼分別為RD1和RD2，每個爆破盤通過兩個液位測量回路測量爆破盤液位，回路編碼為L-219K/L-219M和L-218K/L-218M。每個液位測量回路由液位變送器、隔離模塊、報警模塊和指示表組成，液位變送器根據測得的壓差轉換成4mA～20mA的電流信號，對應-0.5m～10.5m的液位。報警模塊分別提供兩個報警點，低液位報警0.6m，高液位報警1.81m。

隔離模塊用于隔離指示表、AI等于一回路的連接，防止顯示設備功能異常導致測量回路出現異常。隔離模塊后連接有指針式指示表和AI。

2 爆破盤RD1液位測量回路偏差大描述

在某機組大修期間，對爆破盤RD1液位L-219M回路進行標定工作后，AI值顯示L-219M液位值為1.401m，L-219K液位值為1.557m，兩回路液位偏差0.156m，整個測量回路中液位變送器允許誤差為0.25%，隔離模塊允許誤差為0.1%，AI值允許誤差為0.5%，總允許誤差值為0.85%，測量回路總量程為11m。因此，允許最大誤差為11m×0.85%=0.0935m，在極端情況下，兩個液位測量回路的偏差最大為0.187m。目前爆破盤RD1的兩個液位測量回路的偏差為0.15m，已經接近極端情況的上限值，由此判斷爆破盤RD1液位偏差過大，需要進行缺陷分析。

3 爆破盤RD1液位回路偏差大原因分析

3.1 隔離模塊輸出回路分析

隔離模塊輸出信號連接有一塊電流型指針指示表、一個輸出到PI系統的AI信號通過225Ω的電阻與指示表并聯。隔離模塊和指示表在大修期間都經過嚴格校驗，校驗結果正常。因此，可首先排除隔離模塊和指示表故障。

用萬用表測量取樣電阻為225Ω，排除取樣電阻故障，測量隔離模塊輸出電流為6.772mA，根據公式計算對應的液位為：

PI系統AI值顯示液位值為1.401m，計算結果與AI值基本一致。因此，排除隔離模塊輸出回路故障的可能性。

3.2 隔離模塊輸入回路分析

隔離模塊輸入回路中連接有液位變送器、液位報警模塊和隔離模塊，液位報警模塊通過50Ω的電阻與回路并聯。因此，液位報警模塊對回路的測量結果不產生影響，50Ω的取樣電阻對回路電流也不產生影響，可以排除液位報警模塊故障的可能性。應首先檢查回路電流是否與對應的液位顯示值一致。用萬用表檢查隔離模塊一次側回路電流為6.770mA，根據公式計算對應的液位為：

與隔離模塊輸出回路和PI系統AI顯示的液位值基本一致。因此，可以排除報警模塊和隔離模塊故障的可能性。

3.3 變送器分析

隔離模塊輸入側的電流值是由液位變送器輸出提供，測量L-219K的電流輸出為6.983mA，根據公式計算對應的液位為：

測量L-219M的電流輸出為6.770mA，對應液位為1.404m。因此，兩液位變送器輸出電流不一致，導致兩個測量回路的液位偏差較大。由于在大修期間已經對L-219K回路和L-219M回路的液位變送器都進行過標定，且標定合格。若兩個變送器的取壓管線內有氣泡，也會導致偏差過大（氣泡總長度約0.15m），但是并不清楚是哪個變送器的取壓管線內有氣泡。因此，決定對兩個變送器的高壓側取壓管線（低壓側對空）各反充5L新重水，以排除管線內的氣泡對測量結果的影響。

反充完成后，重新測量兩個液位變送器輸出的電流值，測量L-219K的電流輸出為7.189mA，測量L-219m的電流輸出為6.983mA，從電流值可以得出兩個液位變送器測得的液位差為：

比反充之前的0.156m相比有所減小，但偏差仍然很大，可以判斷取壓管線內有一定的小氣泡影響到了測量結果，但并不是主要原因。

目前分析進展已經鎖定到液位變送器，但是液位變送器標定合格，且對兩個變送器的高壓側取壓管線都反充了足夠的重水，已經排除了液位變送器故障和取壓管線內有氣泡的可能性。下一步分析只有定位到液位變送器的工藝參數上。

3.4 液位變送器工藝參數分析

爆破盤液位的有效液位值主要取決于重水儲存箱的液位高度，重水儲存箱與地坑相連，液位變送器低壓側對空，高壓側測得的壓力值即液位值，通過正遷移使液位變送器的輸出值與重水儲存箱對應的液位高度值一致。其測量原理如圖3所示。

液位變送器的輸入信號受儀表管線內的重水密度和取壓點標高影響。儀表管線內的水是靜止的，重水密度受周圍環境影響。根據儀表管線所在位置測量出了不同環境下取壓管線的環境溫度如表1所示。

根據3.3節中的分析，對取壓管線反充重水后，確定了管線內存在小氣泡并不是造成偏差存在的主要原因，但還需要考慮水溫對測量結果的影響。

剛剛反充到取壓管線的重水在整條管線內溫度可以認為是相同的，即重水反充前的溫度。為考察重水水溫對測量結果的影響，等待24h后，重新測量兩個液位變送器輸出的電流值，測量L-219K的電流輸出為7.187mA，測量L-219m的電流輸出為6.984mA，從電流值可以得出兩個液位變送器測得的液位差為：

圖3 液位變送器測量原理圖Fig.3 Measurement schematic diagram of liquid level transmitter

從測量結果可以看出，液位變送器測量偏差由0.142m變為了0.140m。偏差仍然很大，因儀表管線所在環境溫度變化并不是很大，其密度變化也很小。因此，水溫變化對測量結果影響較小，實際測量結果與理論分析結果一致，水溫變化不是導致測量偏差大的主要原因。

下面分析取壓點標高對測量結果的影響：

根據重水存儲箱上的標注，重新測量了L-219K和L-219M各取壓點的標高，如表1所示。

根據工程要求及液位變送器測量標準，統一將重水的液位高度換算成20℃下的輕水液柱。當環境溫度T=20℃時，輕水的密度為ρw=998.2kg/m3。不同高度的液位溫度需與周圍環境溫度一致，且在不同溫度下，重水的密度也是不同的[3]，已在表1中體現。

首先計算L-219M的輸入信號量程：

重水柱h3對應的輕水柱高度為：

重水柱h2對應的輕水柱高度為：

最大量程重水柱H對應的輕水柱高度為：

由此計算，得出變送器零點壓力值為279.766kPa：

變送器滿點壓力值為398.791kPa：

表1 取壓點測量數據Table 1 Pressure point measurement data

即L-219M的輸入信號量程為279.766～398.791kPa。

根據同樣的方法可以計算出L-219K的輸入信號量程為：282.239～401.264kPa。

通過將計算得到的數據與標定單對比發現L-219M的標定單中的輸入信號量程為281.079～400.105kPa。

當液位變送器輸出為6.770mA時，根據標定單中的信號量程計算對應的壓力值，即實際壓力值為：

當實際壓力值為301.865kPa時，根據重新計算得出的輸入信號量程計算對應的輸出電流應為：

對應的液位值為：

與L-219K測得的液位值為1.551m，兩者偏差值為0.008m，遠小于最大允許誤差值0.187m。

L-219M液位變送器的輸入信號量程偏高導致液位測量結果偏低，將L-219M的液位變送器的輸入信號量程修正為279.766～398.791kPa后，可有效消除偏差，液位曲線見圖4和圖5。

通過圖4和圖5對比可以看出，L-219M液位變送器的輸入信號量程修正后，有效地消除了兩個測量數據之間的偏差，顯示液位最大偏差值只有0.004m。

4 優化建議

圖4 信號量程修正前液位曲線Fig.4 Signal range correction before liquid level curve

根據實地測量數據計算，L-219M液位變送器的輸入信號量程與實際信號量程存在偏差是導致L-219K和L-219M測量液位偏差較大的根本原因。將L-219M的液位變送器的輸入信號量程由281.079～400.105kPa修正為279.766～398.791kPa（輸入信號零點由281.079kPa修正為279.766kPa，輸入信號滿點由400.105kPa修正為398.791kPa）,可有效消除L-219K和L-219M回路的偏差。根據PI系統的AI顯示，其測量偏差減小到了0.005m以內，偏差值小于0.045%,使爆破盤液位的測量結果更加精確有效。

5 結束語

作為ECC系統監測輕水和重水隔離爆破盤的重要參數，爆破盤液位測量回路的精確性對ECC系統的正常運行、事故后運行及運行決策有著非常重要的影響。通過對爆破盤RD1液位測量回路偏差大問題的分析和解決，爆破盤液位測量結果更加精確有效，使ECC系統輕水和重水隔離邊界的穩定性、可靠性得到提高，對液位測量回路的工作特性和測量偏差的判斷有了更深入地了解，并由此得出3點經驗：

1）對于系統中偏差值接近偏差允許上限的測量參數不能抱有僥幸心理，按照缺陷維修的分析邏輯一步步分析，會找到測量參數偏差值偏大的根本原因。

2）整個分析過程中的每個設備或者參數都有可能對測量結果產生影響，主要影響因素總結如下：

圖5 信號量程修正后液位曲線Fig.5 Liquid level curve after signal range correction

◆ 隔離模塊輸出電流與輸入電流偏差大，即隔離模塊漂移。

◆ 取樣電阻性能下降。

◆ 液位變送器輸出電流偏差大，即液位變送器漂移。

◆ 取壓管線內有氣泡。

◆ 取壓管線溫度變化。

◆ 液位變送器輸入量程偏差大。

3）整個分析過程中的多個參數都有可能對測量結果產生影響，維修人員應按照儀控回路的工作流程，依次對設備參數及允許情況進行檢查，不放過任何一個細節。比如通過本次分析工作，也分析出了儀表管線存在氣泡也會導致測量結果產生了一定的偏差，這種情況可以通過向取壓管線內反沖重水的方式得到有效消除。