船用壓水堆穩壓器水位測量系統研究設計

鄭文強，黃勇，張立德，魏川清，張守杰，郝天才

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳518000）

1 引言

壓水堆核電站反應堆冷卻劑系統在啟動停運以及正常升降功率過程中，冷卻劑溫度的變化會導致冷卻劑的膨脹與收縮，穩壓器的液位會產生不同程度的波動。穩壓器的液位過高會導致汽腔容積過小，壓力控制的瞬態響應能力降低，液位的進一步升高甚至會淹沒噴頭；液位過低會導致電加熱器的裸露甚至燒毀，進而引發穩壓器壓力控制功能的喪失。通過化學與容積控制系統的上充下泄功能來控制穩壓器的水位，當液位的變化無法調節到正常范圍，高高液位將會觸發停堆保護，低低液位觸發下泄隔離，因此，為保證穩壓器的正常功能，需對穩壓器的液位設置必要的監測。在陸基壓水堆核電站中，一般通過差壓法測量穩壓器的液位，即通過測量穩壓器頂部以及底部的壓力差得到水位的高度，這種測量方法可以得到較高的精度。對于船載式反應堆而言，在船舶行駛過程中，船體會產生一定的搖擺或者傾斜，進而導致穩壓器水位的傾斜與晃蕩，穩壓器底部引壓頭大小會隨著船體的傾斜產生變化，進而影響所測水位的準確性，若傾斜的角度過大頻率過高，還會引起水位的晃蕩，這種晃蕩和傾斜可能導致水位調節執行機構以及水位保護機構的誤動作，影響反應堆的安全運行。

2 雙參考管測量原理

為克服傾斜帶來的問題，船用壓水堆必須采取相應的措施來減小對測量造成的影響，通過在穩壓器內設計一套固定高度的參考管與測量管，在其底部設置差壓計，測量管與管之間的壓差，并對信號進行運算和處理，最終可以消除傾斜角度對水位測量的影響。

船用核動力裝置中采用了雙參考管式差壓計水位測量系統，如圖1所示，并在系統中采用以下措施：

①將所有參考管子安裝在穩壓器的下封頭，從而減少差壓計兩側參考管中介質的溫度和壓力的影響。

②采用了兩個參考管和三個差壓計構成兩個水位測量通道。

③對兩個參考管采用了連續補水措施，從而保證參考管總是保持滿水狀態。

④用除法運算裝置，對差壓計輸出信號進行除法處理，從而克服介質密度或船體搖擺所造成的誤差。

圖1 穩壓器雙參考管水位測量裝置原理圖

三個差壓計的測量壓差為：

ΔP1和ΔP2是隨水位變化而變化的，ΔP則不變，其取決于兩個參考管中液柱之差。令I1、I2、I分別為1#、2#、3#差壓計輸出電流，有：

式中K1、K2、K分別為差壓計的轉換系數，I1、I2和I分別送兩個除法器進行除法運算之后，其輸出電流分別為ICF1、ICF2，則有：

圖2 差壓計變送過程

式中：K'C1=KC1K1/（KΔH）——窄量程水位表系數；K'C2=KC2K2/（KΔH）——寬量程水位表系數。

由式（7）、（8）知：

①儀表C對液面的差（Δh1）范圍窄，ICF1稱為窄量程測量通道。同理，ICF2為寬量程測量通道。

②由于測量系統對測量信號進行了除法處理，其輸出的電流僅與液面差成比例，消除了介質溫度、壓力變化對水位測量的影響。

③測量系統克服了船搖擺和傾斜對測量的影響。如：當船體傾斜角為α時，三個差壓計的差壓分別為：

差壓計的輸出分別為I'1、I'2、I'，經過除法器除法運算后，除法器輸出分別為I'CF1、I'CF2，則有：

根據除法器運算可以得出結論，差壓計的輸出結果不受船體傾斜的影響。

3 參考管、補水管、測量管設計

測量管的布置位于筒體內部中心，寬量程高度為穩壓器液位全量程的80%，窄量程高度為穩壓器液位全量程的50%。在參考管頂部開設喇叭形孔，便于補水，參考管的上半部分直管段靠穩壓器筒體中心線布置，下半部分管道采用彎管以避開電加熱器并分別連接至A、B參考管的接管。直管段與彎管段之間的連接采用承插焊方式連接。

補水管布置于穩壓器筒體上部，分水平段和2個豎直段；與補水管嘴承插焊，以保證其足夠的支承強度。

在筒體下部周向均布3個水位測量接管C1、C2、C3，伸入筒體內部，并在同一標高對稱布置了A、B兩個參考管。

4 參考管補水水源

為保證機組在正常運行過程中，參考管A、B之間的壓差一直維持恒定值，需使參考管內保持不變的液柱高度，在穩壓器穩定運行的過程中，其內部一直維持在飽和狀態，當出現壓力變化的瞬態時，由于噴淋和電加熱器的投運，內部介質可能會出現短暫的欠飽和或者過飽和的現象，參考管內的水柱高度也可能發生波動。因此，需采取必要的措施防止水柱高度發生波動，可行的方法是尋找一個補水水源，使參考管一直處于滿水狀態。

通過分析，該補水水源是否有效，需考慮兩個因素的影響：

①盡可能是溫度較高的水源，因注入水溫差過大會使補水管段產生較大的熱應力；②要求流速盡量低，流量盡量小且穩定，只要能使參考管滿水即可。

綜合上述兩個因素，考慮可行的引水區域是在堆芯的出口的熱段冷卻劑。依靠主泵的循環壓頭將堆芯出口熱冷卻劑注入穩壓器。但因穩壓器為飽和態，注水量若過大會造成穩壓器的水過冷影響穩壓器運行，水量上限的確定需根據穩壓器的瞬態響應計算。通過Flowmaster建模計算補水管路的流體特性，以堆芯出口冷卻劑的壓力、溫度、穩壓器汽相壓力、溫度為邊界條件，對補水管的特性參數進行實際模擬，得出計算數據表明補水流速可以達到4～5m/s，流量可以達到0.5m3/h。該流量大小是否合適還需通過實驗檢驗，或者在機組調試階段進行實際驗證。

5 結論

通過本文的分析論證，雙參考穩壓器水位測量方法能很好地解決船體傾斜搖擺水位虛晃導致的測量精度和準確性降低的問題，確保船用核動力裝置的安全運行。

在海洋傾斜搖擺的工況下，船載的大部分水箱或者罐體的水位測量信號穩定性以及準確性都會受到不同程度的影響，使用在穩壓器內設置雙參考管的水位測量方法同樣可以應用在船上其他需精確測量液位的水箱、罐體、冷凝器、蒸發器等，具有較為廣闊的應用前景。