密度補償在穩壓器液位測量中的應用

羅 番，康 凱，陳華兵

(海南核電有限公司，海南 昌江 572700)

國內某核電站穩壓器水位測量系統由四個獨立的羅斯蒙特差壓變送器組成，其中三個熱態儀表(RCP007/008/011 MN)用于測量熱停堆及功率運行期間的穩壓器液位，一個冷態儀表(RCP012 MN)用于一回路沖排水過程中指示常溫常壓狀態下的穩壓器的液位。在穩壓器建立汽腔后的升溫升壓過程中，穩壓器壓力與液位變送器的整定壓力相差較大，按照設計壓力參數整定的穩壓器水位與實際水位誤差很大，甚至失去監視意義。本文通過對穩壓器水位的測量方法進行理論分析，提出了基于I/A平臺邏輯組態的水位密度補償法，實現了正常中間停堆狀態下穩壓器水位的測量，在單室平衡容器液位測量系統中具有推廣意義。

1 測量原理

以RCP007 MN為例，其測量安裝如表1所示下，變送器一側與穩壓器下部管嘴相連，另一側與參考液毛細管相連，通過隔膜把參考液毛細管與冷凝罐隔開，防止穩壓器水分中分離出的氫氣形成氣泡進入毛細管。假設穩壓器液位為h(以下部取壓接頭處為量程下限-5 m)，則變送器差壓為：

ΔP=P+-P-=ρLg(h-5)+ρvg(Dr-h+5)-Drρrg

(1)

(2)

上式中，Dp為上部取壓接頭到下部取壓接頭的距離，Dr為平衡罐水平面到下部取壓接頭的距離ρL為水密度，ρv為蒸汽密度，ρr為導壓管內水密度。

圖1 穩壓器液位測量圖

根據計算公式(1)，將相關數據代入計算得到穩壓器液位變送器的測量范圍見表1：

表1 測量范圍計算表

將差壓轉換為穩壓器液位H時，是按設計工況進行的,存在以下轉換計算式：

(3)

2 密度補償的引入

根據式(2)可知，穩壓器水位，不僅與測量差壓有關，還隨穩壓器內介質密度變化而變化。遷移計算書給出的是特定工況下的數據，當出現工況偏離時，密度變化引起的測量誤差為：

(4)

高溫高壓的穩壓器內，水和水蒸汽一般處于或近似處于飽和狀態，而密度ρL、ρv、ρr都與穩壓器內壓力p有關，此時水密度和蒸汽密度都是穩壓器壓力的單值函數[1]，不同工況下測量誤差計算見表2：

由表2可知，當介質工作溫度偏離設計工況時，差壓儀表測得液位會產生偏差。壓力變化引起的測量誤差因液位工作區間的變化而變化。在測量區域內，液位越高，測量誤差越大；液位越低，測量誤差越小。如果指定ρr-ρv=f1(p)、ρL-ρv=f2(p)，則有：

(5)

表2 測量誤差計算表

根據公式(5)，設計穩壓器液位密度補償運算邏輯圖2如下：

圖2 密度補償邏輯圖

在冷停堆狀態時，穩壓器內充滿水或者空氣，不存在汽水分離界面，在一回路2.5 MPa壓力下建立汽腔以后，穩壓器內出現汽水分離界面，考慮穩壓器正常運行壓力小于16 MPa，進行密度補償時，穩壓器壓力區間為[2.5,16 MPa]。

平衡罐及儀表導壓管內水在機組狀態變化時，水溫基本保持不變，雖然導壓管內存在溫度分層現象[2]，水密度的數值變化并不大，近似認為其為常數998.3 kg/m3。將壓力區間分為七段，根據《水和水蒸氣熱力性質表》中的數據，在excel軟件中對介質密度進行分段線性擬合[4]，得到介質密度與壓力的線性回歸方程如下表3所示。

3 軟件實現

以施耐德公司的非安全級控制系統I/A平臺為例，在此軟件平臺下存在非線性函數模塊(CHARC)及數學運算模塊(MATH)，可有效實現密度補償的運算邏輯。計算得密度壓力折線在CHARC模塊內坐標點見表4所示，并以CHARC模塊輸出作為數學運算模塊的輸入：

表3 密度擬合折線表

表4 坐標統計表

差壓信號ΔP與穩壓器液位線性相關，但現有的穩壓器液位測量系統中，并無差壓信號ΔP可直接用于計算，而以換算后的電流輸入IE隔離卡件，得到穩壓器液位，并參與緊急停堆、RPR和DAS保護邏輯。若想得到差壓測量數值，根據公式(3)同樣使用CHARC模塊進行液位差壓信號的線性變換，差壓換算模塊對應坐標點為(-5 m，-76730 Pa)、(3.5 m，-35560 Pa)，取函數輸入為穩壓器熱態液位平均值RCP601 KM；取三個非線性函數模塊的運算輸出，作為數學運算模塊的輸入參數，并將高度差Dr及重力加速度作為常數輸入，密度補償的運算邏輯如圖3所示。

圖3 運算邏輯圖

穩壓器壓力測量變送器測量范圍為11-18 MPa，當穩壓器壓力小于11 MPa時，考慮以一回路平均壓力RCP710 KM替代穩壓器平均壓力RCP602 KM參與密度補償計算，根據歷史數據及變送器安裝高度差，取一回路壓力減去0.1 MPa為穩壓器壓力。穩壓器壓力計算采用CALC模塊，實現穩壓器壓力信號的選擇，壓力計算模塊命名為1RCP_M1:PRES1，取值RI01=1RCP_M1：602 KM_M.PNT，RI02=1RCP_M1：710 KM_M.PNT ，RI03=11,RI04=0.1，I/A平臺下邏輯運算實現步驟見圖4：

圖4 運算步驟

在模擬機平臺上新增CHARC模塊：1RCP_M1：CH1(MEAS=1RCP_M1:PRES1.RO01)、1RCP_M1：CH2(MEAS=1RCP_M1: PRES1.RO01)、1RCP_M1：CH3(MEAS=1RCP_N1:601 KM_M.PNT)，新增MATH模塊1RCP_M1：MA1；根據公式(5)，運算模塊主要參數組態及邏輯運算步驟邏輯如圖5所示：

RI01=RCP_M1：CH1.OUT

RI02=RCP_M1：CH2.OUT

RI03=RCP_M1：CH3.OUT

RI04=9.8

RI05=8.692

RI06=5.00

圖5 組態參數

選取1號機組功率運行狀態下數據點如下，并在模擬機上進行密度補償邏輯運算，得到相關運算數據見表5：

可知功率運行情況下，采用密度補償后計算得到的液位與現有測量方法及真實液位的偏差均小于0.9%，參照過程儀表定期試驗完整性說明，進行一致性檢查驗證，顯然偏差小于驗證標準2.53%。考慮到進行密度補償的計算數據中，穩壓器壓力信號及差壓信號均需經過隔離模塊、保護通道，此精度誤差已處于可接受范圍內。

功率運行期間，穩壓器壓力及液位處于自動控制，液位及壓力的波動較小，壓力密度曲線的擬合偏差不大，應擴大驗證范圍。選取機組103大修期間穩壓器正常中間停堆狀態下充排水過程如圖6所示，進行分析。

圖6 中間停堆液位

此時穩壓器液位變化趨勢明顯，分別代入數據，得到密度補償后液位如表7所示：

根據穩壓器汽相及液相溫度查詢介質密度后代入公式(2)計算真實液位數據如表6所示：

根據穩壓器汽相及液相溫度查詢介質密度后代入公式(2)計算數據點真實液位如表8所示。

表5 功率運行補償液位表

表6 功率運行真實液位表

表7 中間停堆補償液位表

表8 中間停堆真實液位表

比較可知，在正常中間停堆狀態下，密度補償法所得液位與真實液位偏差小于0.05 m，基本實現了穩壓器液位測量的較高精度。

4 誤差分析

密度補償運算中介質密度誤差由擬合公式的誤差和變送器的測量誤差構成[4]。其中測量變送器為羅斯蒙特1154系列，其測量精度為0.25%。I/A平臺內的CHARC模塊最多可實現20段折線來模擬一條曲線，即擬合壓力區間可縮小至0.7 MPa，擬合精度將得到提高，補償計算的誤差也會隨之減小。當壓力小于11 MPa時，本文采用了一回路壓力替代穩壓器壓力的方法，但當一回路溫度壓力變化時，一回路冷卻劑密度變化，取壓點高度差產生的壓力偏差會發生變化，此項誤差對密度補償的影響，同樣不可忽視。

在單室平衡容器水位測量系統中，導壓管水柱密度一般設定為固定值，但實際豎直管段的熱分層現象會產生密度偏差，影響測量精度。文獻[5]對17 MPa下的火電廠鍋爐汽包差壓液位的導壓管中的水柱密度進行了測量，在導壓管500 mm的長度內，水柱溫度由最高的300°迅速下降為35°，且溫度分布為非線性，500 mm以下水柱溫度基本不再變化。

由于缺乏相關穩壓器液位測量導壓管溫度分布數據，僅以粗略類比進行分析。正壓側由于取樣管線近似水平，溫度變化引起的豎向壓力測量偏差可忽略不計。假設穩壓器平衡罐豎直管段在500 mm內，溫度由250°降至50°(考慮穩壓器房間溫度較高)，以此段溫度平均為150°(壓力15.4 MPa，密度為925.243 kg/m3)進行替代計算，壓力測量偏差計算如下：

ΔP降=(998.3-925.243)×9.8×0.5

=357.98Pa

轉換為液位測量偏約為

但在進行密度補償時，不同工況下的豎直管段溫度分布并不一樣，其測量誤差是不恒定的[3]，但不大于功率運行狀態下的測量偏差。在穩壓器的液位測量過程中，可在獲取相關溫度數據后，查詢水柱的密度分布后，在儀表零點校驗過程中，消除此項誤差。

變送器維修時，冷凝器充水使用的是除鹽水，穩壓器滿水狀態下，一回路冷卻劑會進入冷凝罐，冷凝管中會變為含硼水。從歷次檢修經驗看，冷凝管線接頭出現硼結晶也驗證了這一點。但由于穩壓器熱態液位計存在隔離膜片，隔離膜片上側為含硼水，高度僅約為0.7 m，隔離膜片下為內部充純水的毛細管(高度約8 m)。冷凝罐中含硼后，密度變化對測量誤差的影響可忽略不計。

在補償液位計算中，一般把實際工況近似作為飽和水汽平衡狀態進行處理，但如果工況變化較大，如存在穩壓器噴淋，有冷熱水注入容器時，實際工況則有可能偏離飽和工況，會導致計算模型與實際工況的偏差。

5 研究意義及應用拓展

本文通過對穩壓器液位測量原理的分析，提出了基于I/A系統邏輯組態的密度補償方法，實現了正常中間停堆工況下穩壓器液位的精確測量，為機組上下行期間提供了一種準確測量穩壓器液位的手段。將密度補償法應用于機組功率運行期間，將有助于提高穩壓器水位的測量精度，避免機組瞬態情況下，大范圍壓力波動引起的虛假水位。

密度補償法對其他單室平衡容器的水位測量精度提高也具有一定的推廣意義。高壓加熱器液位測量結構與穩壓器類似，大修結束后的機組啟動期間，抽汽壓力由零逐漸增加至2.5 MPa(對應電功率約550 MW)，在機組電功率提升期間，抽汽壓力又升至2.9 MPa(對應電功率約650 MW)。不同電功率平臺下，內部疏水密度與蒸汽密度的變化，引起液位測量偏差最大達20 mm，接近儀表測量精度的十倍。考慮將高加抽汽壓力作為變量引入，在不改變測量方式的情況下，通過基于控制系統組態密度補償法，將有助于提升高加液位測量的精度。