1E 級低功率熱擴散式水位探測器組件研制

徐思捷 朱毖微 何 亮 呂 鑫 吳 茜 王雪梅 向美瓊 鄧志光

(中國核動力研究設計院,四川 成都 610213)

反應堆壓力容器水位是事故后重要監測參數,對于事故后評估堆芯淹沒狀態具有重要意義。熱擴散式水位探測器組件具有結構簡單,可靠性高,耐高溫高輻照環境的特點,被用作第三代核電廠壓力容器關鍵點水位監測。根據熱擴散式水位探測器組件原理,探測器組件工作需由二次儀表提供加熱電流,加熱功率與響應時間成正相關。但加熱功率過大會造成二次儀表的功耗過大,加熱電源的體積也會過大,對二次儀表的設計造成影響,當前國內水位探測器組件在高溫工況下需200W 才能達到規定的響應時間要求。因此,有必要在滿足水位探測器組件響應時間和可靠性的基礎上適當降低加熱功率。

1 傳感器結構及測量原理

熱擴散式水位探測器組件由外套管、加熱元件、熱電偶及填充在套管內的絕緣材料組成,探測器端部通過焊接密封[1]。單個測點功能一個主動端熱電偶、一個參考端熱電偶和一個加熱元件實現,如圖1 所示。

圖1 水位探測器組件結構示意圖

當加熱元件通電時,根據導熱公式有：

其中,φ 為加熱元件提供的加熱功率,h 為探測器組件導熱率,λ 為水或氣體的熱擴散率,πdε 為傳熱面積。t1為加熱元件處溫度,t2為探測器外壁溫度,t3為介質溫度。由于水的熱擴散率遠遠大于氣體,因此當水位下降,測點從水中露出液面時,λ 會大幅減小,而t3和φ保持不變,責t2和t1均會上升,即整個探測器組件測點部分的溫度都會上升,主動端熱電偶的溫度會上升,當上升幅度大于10℃時,則判斷測點漏出水面,發出報警信息。

2 傳感器設計

由熱擴散水位探測器組件測量原理,若需要響應時間短,則需要主動端溫度上升幅度大。式(1)中d 為探測器組件外徑,根據探測器所需要內部各元件布置所需要的內部空間確定內徑,再根據探測器組件需要承受的外壓計算得到壁厚,因此外徑為一固定值。若想要溫度變化較快,直接的辦法顯然是增大加熱元件提供的加熱功率φ,其次盡量增大探測器組件導熱率h。

φ=I2R,增大加熱功率直接的辦法是增大電流I 或者加熱電阻R。若是增大電流,由于水位探測器組件一般長度有6 米左右,除去測點外,其余部分加熱元件的非加熱段,電流增大意味著整個探測器組件的加熱功率大幅提升。而對于加熱電阻有：

ρ 為加熱絲電阻率,L 為加熱絲長度,S 為加熱絲的橫截面積。加熱絲電阻率對同種加熱合金來說是不變量,若減小橫截面積,可以提高加熱電阻,但為保證非加熱段電阻不增加,減小加熱段橫截面積會造成加熱元件加熱段和非加熱段的變徑比增大,造成加熱元件加工困難甚至無法加工。同時橫截面積過小容易造成加熱元件可靠性降低。因此,提高加熱功率最佳的辦法是增長加熱段的長度。

為增大探測器組件測點位置的導熱率h,探測器組件內填充的絕緣材料(一般為氧化鎂)導熱率降低,因此在測點位置設置金屬導熱塊,將主動端熱電偶、加熱元件和探測器外壁聯通,加快熱量傳遞以提高溫度變化的響應速度。

在增大了加熱元件加熱段的長度后,為使加熱功率能夠盡可能作用在測點部分,將加熱元件加熱段纏繞在導熱塊上。將加熱元件、熱電偶等放入套管中,加入填充材料,通過拉拔工藝將加工成型,用氬弧焊密封住探測器端頭后看,探測器組件加工完成。

3 功能驗證

熱擴散式水位探測器組件主要用于在壓力容器水位下降低于監測點時發出報警信號,因此主要模擬在不同溫度平臺下容器水位下降時,水位探測器組件的功能性能。

在常溫下,通過直流電源向探測器組件施加1.76A的電流,電壓為36.1V,功率為63.1W,在水位下降到測點以下過程中,主動端溫度變化如圖2 所示。

圖2 主動端溫度變化曲線

根據溫度變化曲線,主動端溫度于16 點05 分33 秒開始上升,證明水位低于測點,此時溫度得77℃；16 點05 分45 秒主動端溫度達到87℃,判斷水位漏出測點,響應時間為12 秒。

在310℃溫度平臺下,通過直流電源向探測器組件施加1.986A 的電流,電壓為44.1V,功率為87.5W,在水位下降到測點以下過程中,主動端溫度變化如圖3 所示。

圖3 主動端溫度變化曲線

根據溫度變化曲線,主動端溫度于19 點01 分39 秒開始上升,證明水位低于測點,此時溫度得315℃；19 點01 分50 秒主動端溫度達到325℃,判斷水位漏出測點,響應時間為11 秒。

通過高溫和常溫平臺下模擬水位下降,可以看出水位探測器組件能夠完成功能,功率小于100W,并且響應時間較快。

4 水位計算算法設計

根據水位探測器組件原理,主要是通過判斷主動端溫度的變化超過10℃來判斷水位測點漏出水面從而發出報警信號。水位算法主要對比前一時刻和當前的溫度值,將兩個溫度的差值不斷累加,從而得到溫度的變化量。由于運行中,反應堆溫度可能會緩慢上升,為去除反應堆溫度上升帶來的干擾,累加的時間定為1 分鐘,1 分鐘后累加值清零并重新開始累加；同時加熱電源剛剛打開時,溫度也可能會突然上升,因此加熱電源剛剛打開的1 分鐘內也不能進行累加；當測點漏出水面以后,主動端溫度經過一段時間的上升后會與周圍環境達到熱平衡,此時通過與參考端溫度的對比來判斷水位情況。溫度變化量算法的流程圖如圖4 所示,程序運行與DCS 的控制器中,上電以后循環執行。

圖4 溫度變化量算法流程圖

將水位計算算法下載到DCS 控制器中,將DCS 與加熱電源、水位探測器組件連接,模擬水位下降,DCS 能夠正確發出報警信息,無誤報、漏報等現象。

5 設備鑒定

設備鑒定采用試驗法鑒定,試驗主要遵循GJB 150A、GJB 150、GJB 151B、GB/T 17626和RCC-E 等標準,進行了包括檢驗、基準試驗、極端環境試驗、老化試驗、力學性能試驗、電磁兼容試驗和長期穩定性試驗[2]。

5.1 檢驗

檢驗主要在制造過程中對探測器組件材料成分檢測以及加工完成后的對焊縫及粗糙度的檢測,包括密封段金相檢驗、液體滲透檢測、射線照相檢測、粗糙度檢測等。

5.2 基準試驗

基準試驗包括外觀檢查、接電連續性檢測、絕緣電阻試驗、介電性能試驗、熱電偶分度試驗、功能性能試驗、水壓試驗,驗證探測器組件功能的正確性和結構的完整性。

5.3 極端環境試驗

極端環境試驗為驗證水位探測器組件在存儲、運行和事故后工況下的環境耐受性,包括高溫試驗、低溫試驗、交變濕熱試驗、鹽霧試驗、霉菌試驗和LOCA 試驗,LOCA 試驗最高壓力和溫度分別為1.0MPa 和180℃。

5.4 老化試驗

檢驗水位探測器組件的壽命,包括熱老化試驗、輻照老化試驗和電加熱元件壽命試驗。熱老化試驗按照EJ/T 1197,輻照老化試驗劑量為740kGy。

5.5 力學性能試驗

驗證水位探測器組件的力學性能是否滿足使用環境要求,包括沖擊試驗、地震試驗、振動試驗等。

5.6 電磁兼容試驗

由于水位探測器組件內部為熱電偶信號和直流電,沒有對外界發射,主要考驗水位探測器組件及電纜的抗擾性,按照GJB 151B 和GB/T 17626,進行了CS114、CS116、RS101、RS103、射頻電磁場輻射抗擾度試驗、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗、射頻場感應的傳導騷擾抗擾度試驗、工頻磁場抗擾度試驗、振鈴波抗擾度試驗。

5.7 長期穩定性試驗

水位探測器組件在運行工況下運行168h 后,模擬水位下降,水位探測器組件應能實現功能,試驗后絕緣電阻、電連續性正常。

6 結論

根據反應堆壓力容器水位測量需求,研制了熱擴散式水位探測器組件,通過延長加熱段長度,加入導熱塊和加熱元件結構設計,降低了水位探測器所需功率。通過模擬水位下降驗證水位探測器組件能夠完成壓力容器關鍵點水位監測。同時設計了水位測量算法,并驗證算法的正確性。