在役核電廠乏燃料水池液位測量改進方案研究

付皓；劉路

（深圳中廣核工程設計有限公司，深圳518172）

0 引言

根據福島事故反饋，在超設計基準事故引發核電廠喪失電源和冷卻水源的情況下，乏燃料水池內貯存的乏燃料所產生的衰變熱僅能依靠池水的蒸發、沸騰帶走，從而導致水池液位的下降，水池襯里以及與水池相連的管線也可能發生破口而導致水池液位的快速下降。為防止燃料組件裸露，判斷水池內的事故狀態，需為操作人員提供事故后長期冷卻期間準確可靠的乏燃料水池液位信號，進而判斷水池補水操作啟停的時機，同時為制定事故處理策略提供依據。

目前，在建電站國內外已有較多儀表選型及配置方案，但在役電站受到機組投運后客觀條件的制約，在施工條件、時間窗口和控制邊界等問題上對改進方案的可行性提出了更高的要求，帶來了一定的難度。本文通過對比在建和在役電站乏池液位改進中存在的客觀差異，給出一種適用于在役電站切實可行的改進方案。

1 現狀分析

現有CPR1000 機組反應堆換料水池和乏燃料水池冷卻和處理系統（PTR）具有一定的液位及溫度監測能力，通過設置的浮球式液位開關對乏池正常補水操作進行監視，并提供乏池水位低、乏池水位高報警功能，其報警在主控室進行顯示，但以上所用液位測量儀表均為非安全級，未經過抗震和環境鑒定，其安裝方式在嚴重事故下不具備抗震能力，同時設備由普通電源供電，無法在事故后提供有效的監測信息。乏池現有液位儀表配置如表1 所示。

2 法規或規范要求

在國家核安全局發布的《福島核事故后核電廠改進行動通用技術要求（試行）》中明確提出：通過增設能在嚴重事故后可用的乏燃料水池監測設備和手段，如液位、溫度監測以獲取事故后乏燃料水池的必要信息；并明確了監測參數要求：液位測量區間應包括乏燃料開始裸露的水位到滿水位，可采用連續測量或間斷式測量設備和手段，間斷式測量的測點布置應滿足必要的關鍵水位報警和指導操縱員相關補水操作的需要。

表1 乏池現有儀表配置

3 在建電站改進方案概述

在建電站目前主要通過對安裝于發池內的液位測量設備配置改進，實現嚴重事故后乏池應急補水操作的監測需求，該方案下儀表的抗震性、鑒定等級需要符合相應要求，同時需要為儀表配置滿足事故后長期工作的供電電源。

方案一：熱電阻組件測量方案。

安全級一體式熱電阻測量組件，可以實現液位連續、溫度連續測量和關鍵液位斷續測量。

方案二：熱電偶組件測量方案。

安全級一體式熱電偶組件由熱電偶和帶加熱器的熱電偶組成，由于氣相、液相傳熱系數不同，加熱的熱電偶與不加熱的熱電偶測得的溫度不同，比較加熱的熱電偶與不加熱的熱電偶的溫度，當溫差超過閾值，則認為液面在兩熱電偶之間，從而確定水位。同時組件底部設置專用的測溫探頭，實現對乏池水溫的連續監測。

方案三：超聲波液位計測量方案。

超聲波液位計具有測量范圍廣、安裝檢修簡便等優點，也是一種進行液位連續測量的有效方法，但嚴重事故后乏池現場環境復雜，所用超聲波液位計難以在高溫環境下測量乏池在沸騰狀態下的水位。

方案四：差壓式液位計測量方案。

利用差壓式液位計進行液位測量，結合熱電阻測水溫的方式也是一種可以考慮的解決方案。但乏池池水沸騰后，大量蒸發導致燃料大廳環境溫度、水蒸汽含量升高，市場現有設備可用性需要繼續調研分析。

4 在役電站改進方案

4.1 在建與在役電站差異

在役電站與在建電站相比，為確保反應堆的穩定運行和乏燃料棒位于屏蔽液位以下，機組投運后乏燃料水池中的池水不允許排空，保證持續帶走乏燃料釋放的衰變熱，避免其重返臨界，所以在役電站無法提供時間窗口和施工條件進行乏池內儀表的安裝工作。另外，需要避免改造過程中對在運設備和生產環境造成較大影響，導致因施工范圍過大而產生區域不可控。根據上述情況進行評估，在建電站方案均難以應用于在役電站。

4.2 在役電站改進方案

該方案以嶺澳核電站二期4 號機組（以下簡稱PK4）為參考電站，通過增設非能動應急高位冷卻水系統，使核電站發生內外部電源喪失和冷卻水喪失的嚴重事故后，可通過補水管線上的手動隔離閥實現高位水源向乏燃料水池的有效補水，補水速率和水池蒸發損失相匹配，以保證燃料組件的淹沒水平。所以需要在滿足全廠斷電事故（SBO）工況下，乏池完全喪失正常冷卻能力時仍具備乏池15.5m 以上液位監測能力，為操作員進行乏池補水操作提供相關參數依據。

本方案以壓力式液位測量儀表為手段，提出在乏池冷卻泵入口處取壓來實現壓力信號向液位信號的轉換。在SBO 工況下，乏池冷卻泵PTR001PO、PTR002PO 出現停運，乏池冷卻泵PTR001PO、PTR002PO 取源管口位于乏池15.5m 標高處，此處壓力經過遷移計算后與乏池液位成線性關系，通過在 PTR001PO、PTR002PO 入口壓力表PTR029LP、PTR030LP 引壓管線上引出兩路抗震取壓管線，接入新增核級壓力變送器PTR929MN、PTR930MN，測得冷卻泵前入口管線處壓力，并進行遷移計算，實現乏池15.5m 以上的液位測量。操作員對乏池補水時需能監測乏池液位，故在補水閥附近安裝乏池液位就地顯示箱盒，內置兩臺多功能數字顯示表，用于事故后顯示乏池液位。整套液位監測裝置需滿足抗震要求，并由蓄電池實現SBO工況下的電源供應。改進方案流程簡圖如圖1 所示。

圖1 乏燃料水池應急補水改進方案流程簡圖

4.3 可行性分析

該方案通過測量乏池冷卻水泵入口管線靜壓換算得到乏池水位，但嚴重事故情況下乏燃料廠房的環境壓力、蒸發及補水過程中乏池水位水溫的變化，連接乏池和冷卻水泵的管道內介質參數均會對測量的準確性和精度產生影響。因此需要對乏池冷卻系統完全喪失以及執行補水操作過程中的上述參數變化進行分析。壓力變送器液位測量示意圖如圖2 所示。

圖2 壓力變送器液位測量示意圖

乏池熱井喪失后，因為乏燃料廠房本身并非完全密閉，而且根據事故規程要求，需在事故后乏池沸騰前，打開乏池房間對外通道（門）來排放蒸汽進行泄壓，保證房間內壓力和外界壓力接近，由此判定事故工況下乏池房間的壓力近乎為大氣壓。

事故后乏池水溫逐漸升高，但在達到沸騰前，水位將不會出現明顯下降，反而在升溫至大量蒸發前會因池水密度變小出現暫時的水位升高。水溫升至100℃時，乏燃料釋放的熱量將依靠池水蒸發帶走，乏池水位開始明顯下降，操作員需要通過就地顯示儀表監測水位變化，當水位降至16.5m 時，開啟補水閥對乏池補水，當水位升至19.5m 時，關閉補水閥防止池水溢出乏池。超設計基準事故發生時的機組狀態按照對乏燃料水池最不利的情況考慮，即異常工況的完全卸料模式，此時，乏燃料水池的最大熱負荷為11.98MW（此為峰值熱負荷，隨時間推移逐漸衰減）。根據安全分析結論要求，總的補水能力應不低于45m3/h，按此當前補水能力計算，此過程中池水將一直處于沸騰狀態。

表2 壓力變送器液位測量遷移計算表

表3 乏池儀表改進配置方案

在SBO 工況下，冷卻泵PTR001PO、PTR002PO 停運，泵前入口管道至乏池取水口間無隔離閥關斷，管道中水流靜止，無法與乏池池水對流傳熱，僅靠熱傳導對管道中的水加熱能力有限，故此垂直下降段的水可取常溫（40℃）水進行計算。

依據上述條件，可由遷移公式得出變送器4～20mA 輸出信號對應的乏池液位。液位測量遷移計算詳見表2。

4.4 儀表技術及安裝要求

4.4.1 液位測量儀表技術要求

羅斯蒙特1152GP 壓力變送器可以實現乏池液位測量的功能需求，改進后的液位測量儀表配置方案如表3所示。

4.4.2 液位測量儀表安裝要求

利用現有PTR001PO、PTR002PO 入口壓力測點，可有效降低施工過程中對在役設備造成的改動和影響，通過在壓力PTR029LP、PTR030LP 引壓管線上各增加一個三通，引出兩路滿足抗震設計的取壓管線，接入核級壓力變送器PTR929MN、PTR930MN。

4.4.3 數字顯示儀表技術要求

通過數字顯示表 （001ID、002ID） 將 PTR929MN、PTR930MN 測得的乏池液位信號在就地予以顯示，并設置乏池液位高、低報警，為現場操作人員提供乏池的液位信息，以判斷事故狀態并執行相關應急操作。

數字顯示表技術要求如下：

①輸入電源：24VDC，1A；

②信號輸入：無源變送器4～20mA；

③顯示范圍：15.5～19.6m；

④報警值：16.5m，19.5m 聲光報警。

設備滿足抗震I 類要求，根據安裝區域和環境條件確定安全等級和防護等級。

4.4.4 數字顯示儀表安裝要求

就地顯示儀表的安裝位置需滿足如下條件：

①現場人員操作補水管線手動隔離閥進行應急補水時，應可方便使用該顯示儀表監測乏池液位；

②設備安裝位置需便于運行人員操作和正常的維護保養；

③需確保數字顯示表與壓力變送器之間的測量電纜路徑暢通。

5 結論

本改進方案主要針對在役電站設計，為超設計基準事故下乏池監視提供了手段，為事故后應急處理提供了重要的參考信息，同時也能有效降低現場施工對在役機組產生的不利影響。通過該改進的實施，可有效解決嚴重事故下現有配置對乏池液位監測能力不足的問題，采用壓力向液位轉換的改進方案為乏池嚴重事故監測提供了一種可行的解決方案。