核電站反應堆冷卻劑系統充排水期間水位監測及優化

摘要：核電站反應堆冷卻劑系統采用多臺變送器測量卸壓模式下的反應堆冷卻劑系統水位，保證了主控室操縱員能在充排水期間連續監測從穩壓器頂部至主管道底部的水位。現介紹某核電站水位監測的偏差情況，對偏差原因進行分析并提出糾正措施，可供其他同類型核電站借鑒。

關鍵詞：核電站;水位監測;壓力容器;優化

1 反應堆冷卻劑系統水位計介紹

核電站采用多臺變送器測量反應堆冷卻劑系統水位，有RCP007/008/011MN、RCP012/098MN、RCP090/091/092/

093/094/095MN，正常運行期間，RCP007/008/011MN測量穩壓器水位參與反應堆保護，RCP092/093MN主要用于失水事故等工況。

本文主要介紹用于冷態一回路充排水期間的RCP012/

098/090/091/300MN。如圖1所示，4臺變送器量程相互重合，測量不同階段水位，保證卸壓模式下主控室操縱員能在RCP充排水期間連續監測從穩壓器頂部至主管道底部的水位，用以跟蹤RCP充排水過程中反應堆水池和穩壓器波動管線水位的變化，同時也保證穩壓器水位測量的部分冗余度。

1.1? ? RCP012MN

差壓變送器測量穩壓器水位，測量范圍為13.6～23.4 m。

1.2? ? RCP098MN

差壓變送器測量穩壓器水位，量程范圍達到了8.7～20 m。在充排水期間，RCP098MN實際上是最主要的一個水位監測表。它安裝在核島5 m的環廊里，其正壓側接在二環路的熱管段，標高8.7 m;負壓側接參考液柱，平衡罐接在穩壓器頂部，標高23.416 m。

1.3? ? RCP090/091MN

壓力容器窄量程水位計的測量范圍是8.5～13.35 m，但實際上RCP090/091MN的可測量范圍比8.5～13.35 m要寬得多，按安裝測量圖推算，在反應堆水池為40 ℃、環境為28 ℃、上膜盒一直對空的情況下，它可以測量2.08～17.52 m的水位，實際使用時僅將RCP090/091MN的可測量范圍區間截取了一段進行精準顯示，從而形成了窄量程的水位測量。一回路水位高于10.68 m時觸發“法蘭面高高水位”報警;一回路水位低于10.21 m時觸發“法蘭面低水位”報警。為確保安全，反應堆開關蓋期間，水位必須控制在10.21～10.68 m。

RCP090/091MN有3種測量模式，分別是：反應堆正常運行模式、反應堆卸壓模式、反應堆卸壓開蓋模式。

（1）反應堆正常運行模式：一回路滿水，穩壓器汽腔建立，壓力15.5 MPa，用于事故工況下監測一回路，信號送至堆芯水位監測系統。

（2）反應堆卸壓模式：一回路卸壓，排水至13.1 m時，RCP090/091MN上取壓管通過壓力容器排氣軟管與穩壓器連通，用于測量卸壓工況下一回路水位。

（3）反應堆卸壓開蓋模式：反應堆大蓋吊走后，上取壓管線及隔離閥被拆除，為使換料水池充水，上取壓管靠堆腔側用盲板堵住，將RCP090/091MN隔離膜盒排氣堵頭打開對大氣。

下面以一次完整的大修中的充排水過程為例介紹RCP090/091MN的模式轉換：

（1）反應堆正常運行。RCP090MN處于反應堆正常運行模式，由堆芯水位監測系統接收RCP090/091/092/093/

094/095MN的信號進行處理，得到事故工況下反應堆的水位情況。

（2）反應堆進行卸壓。一回路進行排水，至13.35 m時，RCP090/091MN的上取壓管自動對空，從反應堆正常運行模式轉換到反應堆卸壓模式。

（3）排水至10.5 m。

（4）拆掉RCP090/091MN在堆坑中的取壓管線及隔離閥，并在RCP090/091MN的取壓管到堆坑壁上加裝盲板（堵頭）。

（5）將RCP090/091MN上膜盒的取壓側堵頭擰松，使之對大氣，完成反應堆卸壓模式到反應堆卸壓開蓋模式的轉換。

（6）開始充水至19.5 m進行換料，其間RCP090/091MN處于反應堆卸壓開蓋模式。

（7）換料完畢，排水至10.5 m。回裝大蓋，拆卸盲板、回裝隔離閥和取壓管線。為使水位計可用，將RCP090/091MN上膜盒的取壓側堵頭擰緊，將其置于反應堆卸壓模式。

（8）一回路進行充水，水位上升至14 m左右，進行RCP090/091/092/093MN取壓管線充水排氣，由反應堆卸壓模式轉換到反應堆運行模式。

（9）水位繼續上升一直到并網后，RCP090MN處于反應堆運行模式。

1.4? ? RCP300MN

RCP300MN是超聲波水位計，安裝在三環路熱管段，用來在RRA處于MLO（MID LOOP OPERATION，半管運行）時監測水位，測量范圍8.55～9.29 m。

從上述儀表的安裝可以看出，RCP090/091MN有一些特殊，正常運行時，其負壓側連接壓力容器頂部;當反應堆開蓋時，其負壓側需要對空。在開關蓋狀態轉換時，若內外壓力存在偏差，會導致水位變化。

2 充排水期間反應堆冷卻劑系統水位計的使用

在反應堆冷卻劑系統不同水位期間需重點關注的水位計不同，如圖2所示。

2.1? ? 下行排水期間的水位監測

當完成一個周期的功率運行后，機組開始下行卸料，在卸料前將反應堆冷卻劑系統排水至法蘭面（RCP090/091MN處于10.21～10.68 m），打開壓力容器大蓋，依次查看RCP012MN、RCP098MN、RCP090/091MN。

在反應堆壓力容器大蓋打開前的排水過程中，由于重力排水時，壓力容器頂部會形成負壓，為避免壓力容器頂部負壓對排水帶來的影響，一般使用軟管將壓力容器頂部和穩壓器頂部相連，同時使用壓縮空氣對其進行加壓排水（壓縮空氣經穩壓器頂部管線再通過RCP640VP處注入壓縮空氣）。排水到目標水位后，需要使用風機通過RCP640VP抽氣，讓壓力容器頂部形成微負壓。

在排水過程中，穩壓器和壓力容器之間的管線堵塞會對排水過程造成很大的影響。

2.2? ? 上行充水期間的水位監測

在完成對核燃料的裝載后，需要先將反應堆冷卻劑系統排水至法蘭面（RCP090/091MN處于10.21～10.68 m）;然后扣壓力容器大蓋，最后一回路充水至滿水，整個過程中需先后關注RCP090/091MN、RCP098MN、RCP012MN。

在RCP090/091MN量程范圍內的充水過程中，因為扣蓋后的壓力容器與穩壓器不再是一個連通器，RCP090/091MN與RCP098MN之間偏差逐漸增大，隨著水位的上升，壓力容器頂部的氣體被壓縮，壓力變大，水位變小，如式（1）所示：

P壓力容器+ρgH壓力容器=P穩壓器+ρgH穩壓器 （1）

最終，通過靜排氣和動排氣將壓力容器中的水充滿。

3 當前水位計使用中遇到的問題

在排水過程中，穩壓器和壓力容器之間的管線堵塞會對排水過程造成很大的影響，RCP640VP、RPE110VP在線后，此時穩壓器排氣管線也已經在線，如圖3所示。此時，壓力容器與穩壓器連通，RCP090/098MN水位指示具有可比性。此時不同的管段出現堵塞，對RCP090MN指示來說會出現不同的現象。為便于問題說明，將管段分為如圖3所示的三段：AB、BC、BD，下面針對這三段分別進行分析。

3.1? ? BD段堵塞

在BD段堵塞、其他管段正常的情況下，壓力容器上方與穩壓器上方連通并對大氣，此時壓力容器可正常排水。由于BD段管某處有堵，其結果是：RCP090MN負壓側膜盒所受的氣壓不等于壓力容器上方的氣壓，變送器兩端所受到的差壓如下：

ΔP=（P0+-P0-）+ρwg（H+1.3）-14.65ρcg（2）

因此，BD段堵塞，變送器的輸出仍然會隨著水位發生變化，但其輸出與實際水位存在一個固定的偏差，將RCP090MN置于卸壓開蓋模式后，（P0+-P0-）項偏差等于0，RCP090MN的指示等于實際水位。從實際排水情況看，排水過程RCP090MN指示下降一段后基本不變，可以排除BD管段堵塞的可能。每次大修一回路充水后，均對BD段使用除鹽水沖洗，防止硼結晶。

3.2? ? BC段堵塞

壓力容器在排水前處于滿水狀態，當開始排水時，由于BC段的堵塞，壓力容器上方屬于一個密閉的環境，排水的過程就相當于一個抽真空的過程。排水到一定的程度，壓力容器中的水將不再排出，維持一定的水位，此時壓力容器上方與穩壓器上方沒有連通，RCP098MN并不能反映壓力容器內的水位。在繼續排水過程中，RCP090MN水位指示將維持不變，RCP098MN反映的僅是穩壓器內的水位。此時如果將RCP090MN置于卸壓開蓋模式，由于BC段堵塞，大氣壓仍不能通過DBC進入壓力容器內，因此，BC段堵塞，將造成壓力容器內的水不能排出，RCP090MN輸出維持不變，即使將RCP090MN置于卸壓開蓋模式，仍不能使壓力容器的水位排出，RCP090MN輸出反映穩壓器水位。該種情況有可能。

3.3? ? AB段堵塞

如果AB段某處有堵塞，其現象基本與BC段堵塞相同，唯一不同的是，將RCP090MN置于卸壓開蓋模式時，大氣壓通過DBC段管道進入壓力容器，壓力容器內的水可以在重力作用下排出，此時RCP090MN的輸出將會隨著水位的變化而變化。因此，AB段堵塞，將造成壓力容器內的水不能排出，RCP090MN輸出維持不變，將RCP090MN置于卸壓開蓋模式后，壓力容器內的水可以正常排出，RCP090MN輸出隨水位變化而變化。該種情況可能性較大。

從以上分析可知，反應堆冷卻劑系統充排水過程中RCP090/098MN水位測量出現偏差的根本原因為壓力容器排氣管線AB段或BC段存在堵塞。同時也容易理解，不管堵塞是否存在，兩者測量的水位均是可信的，兩個水位計測量出現偏差是因為兩個容器不再是連通器，真實水位不再相同，RCP090MN反映壓力容器實際水位，RCP098MN反映穩壓器水位。

4 下行排水期間的水位監測的優化

加壓排水時讓壓力容器頂部形成正壓（超過大氣壓力），抽氣時讓壓力容器頂部形成微負壓（低于大氣壓力），看起來似乎很完美，但在實際操作時有時卻會存在偏差。由于RCP640VP與壓縮空氣或者抽風機之間連接的軟管又細又長，很難避免彎曲、水封等造成管道傳壓不暢的情況，這個時候壓力容器頂部到底是正壓還是微負壓就屬于未知數。如果開蓋前壓力容器頂部是正壓（抽氣時管線不暢），開蓋時就會導致水位上漲;如果開蓋前壓力容器頂部形成較大負壓（排水過快或者加壓排水時加壓管線不暢），開蓋時會導致水位下降，可能會超出報警水位;理想的情況是開蓋前壓力容器頂部形成微負壓，開蓋時水位微降。

按照當前的模式，無法準確知悉開蓋前壓力容器頂部壓力情況，可能會在開蓋時造成水位的異常變化，導致水位高于10.68 m觸發“法蘭面高高水位”報警，或者水位低于10.21 m觸發“法蘭面低水位”報警的風險。

為解決該問題，提出在排水過程中在壓力容器頂部安裝壓力表監測壓力容器頂部壓力的方法：排水期間，通過三通接口在RCP640VP下游接入壓力表，監測壓力容器頂部與反應堆廠房大氣之間的差壓，控制差壓在-1～0 kPa（使得開蓋后水位變化在10 cm，同時維持負壓，防止放射性氣體外泄）。該方法經過大修的實踐，效果非常好，有效地避免了開蓋前后水位的超預期變化。

5 結語

核電站使用多個儀表監測一回路水位，確保水裝量滿足要求，確保堆芯得到充分冷卻。在各種模式轉換，特別是壓力容器開關大蓋時，水位監測存在風險薄弱點，本項目通過一個小的優化改進，監測壓力容器頂部和環境大氣的差壓，較好地解決了壓力容器開關大蓋時水位異常變化的風險，提高了安全性。

[參考文獻]

[1] 廣東核電培訓中心.900 MW壓水堆核電站系統與設備[M].北京：原子能出版社，2005.

收稿日期：2021-02-26

作者簡介：張皓云（1987—），男，四川大英人，工程師，研究方向：儀表控制。