福清核電乏燃料水池改進項監測儀表的安裝、試驗及維護

季誠

福建福清核電有限公司維修一處 福建福清 350318

日本福島事故發生后，為增強對乏燃料水池狀態的監測能力。福清一二號機組的乏燃料水池監測系統，增加了一套具備事故后監測乏燃料水池液位、溫度連續量測量系統，該改進方案采用美國FCI公司FCI-CL86連續液位及溫度監測儀表（系統），是一種基于熱擴散原理監測乏燃料水池內連續的液位、液體溫度及特定液位報警的組合傳感器。

1 福清乏燃料水池改進項監測儀表的結構及其原理

乏燃料水池作為乏燃料的貯存地，池中只要有乏燃料，就必須充滿水，且維持正常水位，以提供必要的安全生物防護；同時，要對池水進行冷卻，及時導出乏燃料元件剩余釋熱。在我國M310二代加堆型核電廠的原有設計中，對于乏燃料水池狀態的液位監測，設有兩個非核級浮子式液位開關，分別輸出高、低液位報警；對于乏燃料水池的溫度監測，設有非核級就地和遠傳溫度連續量測量儀表，以及非核級溫度報警開關。由于設置的儀表均為非安全級，所以無法保證在地震、類似福島的嚴重事故的情況下測量儀表的可用性。

該儀表主要包括傳感器和變送器兩部分，傳感器為各自相互獨立的測量部件，經過組合裝配與變送器通過電纜連接。變送器也分屬不同的處理機箱，具有一定的抗共模故障能力。

連續液位測量由三組獨立的連續熱電阻（RTD）構成，其中一組為加熱端（Rh），連接一個恒流源持續提供恒定熱源；一組為測量端（RA），利用液體導熱系數高于空氣的原理，通過測量電阻變化△R，連續監測液位；一組為參考端（RP），用來補償環境溫度變化，對△R帶來的影響。在傳感器探桿底部裝有測溫專用RTD，完成對池中液體溫度的測量[1]。

液位定值測量，由固定在探桿上四個固定探測器組成。探測器內置兩個RTD，一個是測量端，一個是參考端。測量原理和連續溫度監測相同。

國家安全局發布的《福島核事故后核電廠改進行動通用技術要求（試行）》中對福島后改進行動中明確提出了乏燃料池監測的技術要求，主要包括監測手段、監測范圍、監測儀表和系統的可用性的要求。

2 儀表選型

經調研分析，采用美國FCI公司FCI-CL86連續液位及溫度監測儀表，該儀表基于熱擴散原理監測乏料池內連續的液位、液體溫度以及特定點位報警開關的組合傳感器。它由兩組連續的熱電阻（RTD），其中一組加熱（Rth），另一組保持常溫（Rt）。利用液體導熱系數高于空氣的原理，連續監測液位。在此兩組測量用熱電阻的上端還裝有干區補償電阻組，用于補償環境溫度對測試（量）的影響，在底部裝有溫度傳感器，完成對池中液體溫度的測量。經變送器單元處理，溫度、液位分別以4-20mA和觸點的信號遠傳輸出至主控室進行連續和報警顯示。該整套測量儀表包括傳感器和變送器兩部分，分體安裝，變送器為單獨電子部件，安裝在非輻射的區域，與傳感器通過專用電纜連接。溫度和液位連續測量傳感器、以及關鍵點處的液位報警開關相互獨立，組合裝配。變送器也分屬不同的處理單元，具有一定的抗共模故障能力。

3 儀表安裝及調校

頂部支撐平臺的平整度，不得因為焊接等原因，導致頂部支撐平臺不平整度大于3mm，最多允許使用6片厚度為0.5mm環形石墨墊片進行儀表和支撐平面的密封，過多的使用環形石墨墊片，儀表在下放入導向管時，石墨墊片容易因為受力不均勻或者跟隨儀表本體滑動，導致各層墊片錯位，在進行儀表安裝緊固力矩作業的時候，也會因為四個角力矩不均勻，而易出現石墨墊片錯位等問題，導致儀表和支撐平臺無法有效形成密封，影響后續連續液位標定試驗。

頂部支撐平臺高度必須保證在19.6m，CL86儀表的出廠標定安裝高度為19.6m，液位開關的安裝相對位置，均是按照19.6m安裝高度進行計算。現場安裝高度不滿足要求，將導致儀表測量偏差大、液位開關定值偏移等問題的發生。

傳感器采用支架安裝，利用乏燃料水池覆面側壁上的預埋件，通過焊接固定支架，考慮到儀表的維修維護的方便性，傳感器還能從外套筒中取出。支架和傳感器整體進行抗震分析，以滿足抗震要求。變送器部分采用墻裝支架，支架和傳感器整體進行抗震試驗。為了保證儀表的持續可用性，儀表需在核電廠的每個換料周期進行定期試驗。在線調校時，無需取出傳感器，只需將增壓泵軟管與密封導管頂部的接口相連，啟動增壓泵向密封導管內增壓，以調節管內液面的高度。當液面到達相應的高、中、低位置時，連續液位測量輸出與相應的觸點開關信號輸出進行比對，從而進行在線調校。

4 儀表試驗

4.1 變送器性能檢查

變送器的性能檢查主要是為后續連續液位標定做好準備，

溫度信號轉換檢查，通過電阻箱模擬就地溫度1077.94Ω（20℃）、1385.06Ω（100℃），此時用萬用表測量主板和輔板的電流輸出應該分別為在6.57-6.77mA之間、17.63-17.83mA之間，如果超過允許范圍，則需要調節主板或者輔板的零點或者滿點電位器[2]，見圖1。

圖1 CL86定期試驗示意圖

報警開關定值設定及檢查，在測試模式下檢查報警開關的動作電壓為3.7V左右，使報警開關動作一次，使其記住這個電壓值。將報警開關恢復為工作模式，通過報警燈的狀態簡單的判定報警開關的狀態，再次進行電壓測量，并檢查此時的查報警開關輸出，報警開關正常工作時輸出電壓（1-2V），報警開關動作后輸出電壓（5-6V左右），確保報警開關正常工作后開始進行液位標定實驗。

4.2 連續液位標定

FCI-CL86的傳感器在出廠前已經按照現場的實際情況模擬做過標定，因此現場首次液位標定實際上是對連續液位監測變送器的信號輸出驗證和調整。其方法是依靠已經固定相對標高的四個液位開關作為參考，通過專用壓力調節設備調節輸出壓力，從儀表上部導氣管將氣體注入導向管內，通過觀察液位開關指示燈的紅/綠變化，確定導向管內液位的具體位置。

具體的通氣壓力數值，參考表1。驗證前確保乏池水位在19.55m以上。從L3液位開始進行測試，考慮到熱擴散儀表響應較慢，達到定值點附近時調節過程需要緩慢，并且在每個定值點附近都需要停留10-15分鐘。確保連續液位監測的讀數穩定。需要注意因為使用的是壓縮空氣，所以試驗得到的L3和L2液位，將會比實際值偏大。我們在測得數據后還需要對這兩個點的數據進行修正。

表1 預估的液位低報警定值點附近通氣壓力值

5 儀表常見故障及處理

5.1 液位報警定值偏差大

液位定值偏差大，與連續液位數據不匹配，可能的故障原因：1.液位報警開關定值設定錯誤，報警開關定值電壓與廠家出廠報告電壓不符，導致液位報警提前或者延時觸發，處理方法按照出廠測試報告對報警模塊進行調整；2.儀表安裝高度錯誤；儀表安裝過高或者過低，導致液位開關提早或者延時觸發，處理方法，按照廠家提供的標高文件重新對設備進行安裝。

5.2 乏池液位高報警消失過低

FCI-CL86和乏池原有的液位開關配合失效，液位開關報警觸發，乏池連續液位監測顯示偏低，或者連續液位監測已經顯示乏池液位足夠低，但是液位開關報警未消失。可能的故障原因：（1）乏池液位開關浮球高度設置不合理，導致液位開關報警錯誤觸發；（2）FCI-CL86連續監測液位標定誤差偏大，特別是19.3m和19.55m兩個點誤差較大；處理方法：根據乏池的鋼標尺檢查乏池當前實際液位，確認連續液位監測儀表的誤差，如果乏池連續液位監測的讀數與實際液位偏差在1-3cm，則對乏池液位開關進行調整，否則重新進行乏池連續液位計標定[3]。

5.3 連續液位監測儀表波動

連續監測儀表持續波動，但運行反饋乏池并未開展補水作業。可能的故障原因：（1）裝卸料期間乏池溫度異常升高，乏池所在廠房濕度變大。連續監測儀表出現結露等現象，導致探頭熱擴散計算錯誤，此問題為儀表本身固有特性決定，待裝卸料結束后，乏池房間溫度恢復正常會自行消失；（2）連續液位傳感器探桿存在硼結晶堵塞探頭的進水孔，導致探頭內部存在結露問題，處理方法對連續液位監測儀表執行液位標定，特別是執行高報液位標定，利用乏池內的介質對探頭的進行沖洗，溶解結晶物。

6 應用前景

（1）熱電偶組件集成了液位和溫度監測功能，設備緊湊，安裝簡便，相關原理在堆芯液位測量中有過應用業績，產品可靠性較高，并通過了相關核級鑒定，可基本滿足嚴重事故后乏池環境條件下的測量要求，但該裝置只能對液位進行斷續測量，無法進行連續跟蹤，不利于對事故的及時判斷。（2）差壓式液位計由于利用成熟的差壓式變送器產品，設備的可靠性較高，設備安裝簡便，但受取壓點限制，液位測量范圍有限。（3）磁浮子液位計具有測量精度高、測量范圍廣等特點，但由于處于設備研發階段，尚未通過相關實驗鑒定，應用前景尚無法判定[4]。

7 結語

綜上所述，乏燃料水池改進項監測儀表FCI-CL86，因為其原理和承擔的功能要求，所以相較現場其它類型的儀表，它的安裝方式更復雜且安裝要求更高，其常見故障也主要是因為前期的安裝和調試工作偏差導致的，因此在調試階段加強對設備安裝和試驗跟蹤，將有助于減少后期的維護工作，提高設備的可靠性。