核電廠安全殼再循環地坑的液位監測系統配置設計

林國強

大亞灣核電運營管理有限責任公司 廣東 深圳 518124

背景

核電廠的安全注入系統(RIS)和安全殼噴淋系統(EAS)是壓水堆核電站的重要專設安全設施，其正常運行能夠確保事故工況下堆芯熱量的排出和安全殼的完整性，限制事故的發展和減輕事故的后果。核電廠安全殼再循環地坑屬于RIS和EAS系統，位于安全殼內，原設計未配置液位監測及報警系統。有必要研究并配置安全殼地坑液位監測及報警系統，對再循環地坑的液位進行連續、準確的監測，實現水位顯示與報警功能，以便及時采取補水措施。

1 系統總體方案

為核電廠安全殼再循環地坑配置液位監測系統，分別作為RIS和EAS系統的獨立子系統，對RIS和EAS系統的原有功能無影響。

其中，地坑及液位測量儀表(傳感器和變送器)位于安全殼內，顯示報警儀和補水閥門均設置在燃料廠房(輻射綠區)，方便運行人員監視和進行補水操作。同時，液位低、液位低低報警信號送至主控室的數據集中處理系統(KIT)。

在機組正常運行期間，液位監測系統對地坑液位進行連續、準確的監測，實現水位顯示與報警功能，為地坑的手動補水提供監測手段；在事故工況再循環階段，地坑已經處于淹沒狀態，液位監測系統不要求可用。

2 系統配置設計過程

2.1 儀表選型設計

2.1.1 設備分級 新增系統主要用于機組日常運行期間地坑液位的監測，以便及時采取補水措施，保證再循環起始階段地坑有一定的水位，不直接執行核安全功能，在事故情況下不要求可用。而且，作為獨立的子系統，與RIS和EAS系統沒有直接關聯或管線連接。

鑒于以上原因，地坑水位計選型采用非核級設備，其制造和設計按非核級規范和標準中較高的要求執行，應具有較高的可靠性。

2.1.2 關鍵技術參數 根據液位監測系統的功能要求，考慮正常運行工況下的環境條件，確定液位監測儀表的性能要求和關鍵技術參數如下：

1)工作介質：硼酸水(硼酸濃度0～7000pp m)；

2)工作環境：正常運行壓力：96-110k Pa，溫度：0～55℃；

3)液位量程：-4.0～-3.5 m；

4)測量范圍內最大允許誤差不大于±5 mm，響應時間＜50 ms；

5)重復性標準差應小于最大允許誤差0.5倍；

6)傳感器由顯示報警儀供電。

2.1.3 儀表選型設計 目前，較為常用的液位測量方式方法有靜壓式、浮力式、電氣式、超聲波、導波雷達、射線式物位檢測等。

浮力式液位測量儀表內部有浮動機械部件，且現場地坑會定期進行補水操作，考慮到浮動部件的存在，由于地坑中是含硼水，一旦發生硼結晶有可能造成浮動部件發生卡澀，影響正常測量，因此不適于地坑液位測量。

電氣式(電節點式)液位測量儀表沒有機械可動部件，結構簡單，無需進行誤差計算與調整，具有良好的穩定性，目前在火電廠水位測量中大量使用。根據其測量原理及特點，可以在反應堆地坑環境實現實時、精確測量，可以用于地坑液位測量，但無法實現連續測量。

超聲波液位測量儀表測量探頭的結構復雜，且在高溫、潮濕環境使用可靠性不高，測試容易有盲區，一旦發生故障檢修難度大，目前在核電站系統使用較少，不適于地坑液位測量。

導波雷達液位測量儀表采用非接觸式測量，不受槽內液體的密度、濃度等物理特性的影響。但其電子元件結構復雜，價格昂貴，對安裝位置有一定的要求，且儀表需要設置的參數較多，檢修難度大，目前在核電站反應堆廠房系統使用較少，不適于地坑液位測量。

射線式物位檢測儀表電子元件結構復雜，價格昂貴，對安裝位置有一定的要求，不適合放射性環境的地坑液位測量。

根據上述分析，地坑液位測量擬選用靜壓式液位測量儀表，并根據地坑尺寸及現場條件設計相應的支承固定裝置、信號顯示及報警系統。

羅斯蒙特公司的3051+1199儀表采用浸入式測量方式，符合設計要求。其中，傳感器部分(1199)能夠承受高溫、高壓及輻照環境下的正常使用要求，采用接觸式測量直接深入地坑水池中，變送器(3051)和傳感器之間通過毛細管連接，毛細管為不銹鋼材質，外殼及內部介質具有良好的穩定性。

2.2 儀表安裝布置設計 安全殼再循環地坑安裝有過濾器，過濾器將地坑完全遮蓋，使地坑成為封閉式結構，移除過濾器后的地坑結構及立管結構如圖1所示。

圖1 安全殼再循環地坑現場環境

2.2.1 總體布置設計 安全殼再循環地坑液位儀表的安裝布置如圖2所示，包括三個部分，即變送器、毛細管和傳感器。

圖2 安全殼再循環地坑液位儀表安裝示意圖

1)變送器：安裝在環廊內側墻壁上，采用膨脹螺栓固定。

2)毛細管：用于連接變送器及傳感器。在環廊墻面部分，采用槽架進行保護；在環廊地面部分，通過在地面開槽且上面覆蓋不銹鋼板進行保護，毛細管穿過過濾器基座和地坑外水泥地面交界處進入地坑，并對凹槽和不銹鋼蓋板進行涂漆、密封處理。

3)傳感器：安裝于地坑內的支撐筒中，通過支撐筒固定在地坑側面墻壁面上。

2.2.2 傳感器安裝設計 傳感器安裝于支撐筒內，支撐筒通過其背板上的膨脹螺栓固定在地坑側面墻壁上，安裝位置盡量遠離地坑吸水口，便于安裝及檢修。

支撐筒結構采用不銹鋼材料，筒上開有多個圓孔，使地坑水能夠進入支撐筒實現液位的實時測量。支撐筒設計能夠保證在地震載荷下保證其結構完整性，避免出現部件掉落進入地坑吸水口的情況。

2.3 液位顯示與報警設計 液位監測系統將實時液位信息、報警信息送至燃料廠房的顯示報警儀和控制室，報警信息包括液位低低、液位低、液位高報警。

液位低低報警觸發時，需要盡快對地坑進行補水；液位低為預報警信號，說明地坑有補水需求，需要準備近期補水；液位高報警觸發時，停止對地坑進行補水。

2.3.1 液位低低報警定值設計 根據RIS和EAS泵最大汽蝕裕量(NPSH)、安全殼隔離閥鍋爐效應評估情況，以及地坑水含硼量等確定地坑安全液位，然后結合地坑安全液位及現場情況，確定液位低報警定值。

1)泵最大汽蝕裕量。根據計算，若要給RIS和EAS泵提供足夠的NPSH，EAS泵需在機組日常運行過程中保證地坑液位不低于-5.3 m 標高，RIS泵需在機組日常運行過程中保證地坑液位不低于-5.5 m 標高。

2)安全殼隔離閥鍋爐效應。根據分析，與貫穿件的標高相同或更高的安全殼隔離閘閥可能會有鍋爐效應的風險，比貫穿件低的閘閥只要“距離L大于2D，則比貫穿件的位置低的安全殼隔離閘閥不會產生鍋爐效應”，因此，地坑RIS和EAS泵吸入管線液位若高于-5.2 m，就不會產生鍋爐效應。

3)地坑水含硼量及硼結晶的影響。考慮地坑水蒸發、硼結晶及補水時間等因素，地坑及相關管線硼濃度不能過高，否則會出現硼結晶風險，因此，需要保證地坑中有足夠的水裝量。根據計算，若要保證地坑水不發生硼結晶現象(非安全相關要求)，機組運行期間最低液位應大于-3.95 m，若要保證地坑吸水管不發生硼結晶現象，機組運行期間最低液位應大于-6.1 m。

綜合考慮以上因素，地坑液位值應大于-3.95 m。考慮到地坑吸水管的存在，當地坑液位低于吸水管口時，則無法監測地坑吸水管內的液位變化，地坑吸入管口標高為-3.70 m，為了使最低液位能夠淹沒吸水管線，地坑液位低低報警定值可以取-3.70 m。

2.3.2 液位高報警定值設計 補水需要將地坑補滿水，地坑坑口標高-3.50 m，為了避免補水過多溢出地坑，液位高報警信號取-3.58 m，即地坑液位達到-3.58 m 即刻停止注水。

2.3.3 液位低報警定值設計 地坑液位低報警信號用于預報警。

根據歷史數據，地坑液位在2個月時間內會下降6～7c m 高度，液位會從-3.58 m 降至-3.64～-3.65 m，取預報警液位為-3.62m，若地坑液位降低到該預報警水位，則需要做好補水準備，在下一個補水窗口時間(定期試驗)進行補水操作，或達到低低液位時盡快進行補水操作。

根據以上分析，并結合液位監測儀表測量范圍，液位報警定值如表1所示。

表1 地坑液位報警定值

3 結論

選用合適的液位測量儀表，為核電廠安全殼再循環地坑配置液位監測系統，對再循環地坑的液位進行連續、準確的監測，實現水位顯示與報警功能，以便及時采取補水措施，保證再循環泵的最大汽蝕裕量、避免安全殼隔離閥的鍋爐效應、避免地坑水發生硼結晶現象，進而消除由此導致的再循環功能失效、堆芯和安全殼喪失冷卻功能的風險，保障電廠安全運行。