某研究堆容補器液位測量系統分析與優化

韓娟娟，葛 源，袁志敏，石 強，馬樹波

（中國核動力研究設計院，成都 610005）

0 引言

容積補償器（以下簡稱“容補器”）是研究堆冷卻劑系統中重要的設備之一，正常運行時維持反應堆一回路冷卻劑壓力在限定范圍內，特殊工況下實施超壓保護。容補器內部介質為冷卻水和壓縮空氣，氣水體積比例約為1:1，頂部設計有安全閥和泄壓閥，底部設置一次水出口和入口閥，利用容補器液位的波動來減緩和維持研究堆一回路冷卻水體積變化[1]。當一回路冷卻劑體積增加時，冷卻劑會流入容補器內，導致容補器內液位上升，上部氣體被壓縮；當一回路冷卻水體積減小時，容補器內液位下降，氣體體積增大而氣空間壓力下降[2]。容補器液位是研究堆重要的監測參數之一，正常運行工況下液位保持在一定范圍內，當液位高于某一閾值時將觸發泄壓閥關閉，而當液位低于某值時，液位低報警并觸發泄壓閥開啟，同時疊加容補器氣空間壓力低報警將觸發應急注水泵啟動，因此容補器液位測量的可靠性和準確性對研究堆專設驅動和安全運行具有重要的意義。

1 液位測量系統

某研究堆容補器設計有9 組液位測量，分別為1 組寬量程式和8 組窄量程式，以保證液位測量的冗余和可靠性。如圖1所示，容補器上段設置有3 組窄量程液位測量（位號RCP007MN～RCP009MN），中間段設置有兩組窄量程液位測量（位號RCP001MN、RCP002MN），下段設計有3組窄量程液位測量（位號RCP004MN～RCP006MN），以及1 組寬量程液位測量（位號RCP003MN）。另外，在容器上部設置有3 組氣空間壓力測量（位號RCP0016MP～RCP 018MP）。

圖1 容補器液位測量系統示意圖Fig.1 The schematic diagram of volume compensator water level measurement system

其中9 組液位測量全部采用差壓式，由差壓變送器和DCS（分布式控制系統）構成，介質通過引壓管路進入差壓變送器后進行過程參數信號的采集，并輸出標準4mA～20mA 信號，通過DCS 控制機柜內部邏輯處理后在主控室進行顯示。

2 液位測量原理

根據流體靜力學原理，容補器內的液位高度與液柱上下兩端面的靜壓差成比例，利用差壓變送器測量容補器頂部和底部的壓力差，從而計算得到液位。

其中，ΔP為差壓變送器測量得到的壓力差；PH為變送器高壓側壓力；PL為變送器低壓側壓力。

在本測量系統中均采用電容式差壓變送器，變送器內部結構包括一個傳感元件和兩個球面形極板。當高、低壓側介質產生的壓力通過引壓管傳遞到中心傳感膜片上時，兩側壓力差使中心傳感膜片產生一個正比于壓力差的變形位移量，從而導致電容發生對應變化。利用差動電容檢測原理，在電子電路中將可變電容信號檢波和放大，轉換成標準的直流電流信號輸出[3]。

3 影響液位測量的因素分析

通過對容補器液位測量系統結構和原理的分析，可以發現影響液位測量的主要因素包括變送器安裝標高[4]、引壓管內介質狀態變化、氣空間介質密度變化、引壓管內積液及介質損失等，從而導致容補器液位測量值與真實液位不符，各組液位顯示不一致，液位顯示值隨工況變化而偏離實際等一系列現象。

3.1 變送器安裝標高

一般情況下，差壓變送器的安裝高度與高壓側取壓點在同一水平高度，但在核工業領域多為放射性環境，為了便于現場施工和后期運行維護，變送器的安裝位置通常通過引壓管延伸到某一區域集中布置[5]。因此，在變送器安裝位置與高壓取壓點之間會存在標高差，如圖2所示，對于寬量程液位RCP003MN，在設計階段和變送器初始參數設置時并未完全考慮到現場實際施工問題，系統充水后在高壓引壓管路中始終存在一段高度為h1的附加液柱，則會導致液位測量與實際液位不符。

圖2 寬量程液位測量示意圖Fig.2 The Schematic diagram of wide range water level measurement

對于寬量程液位測量RCP003MN，通過變送器零點遷移的方法即可消除附加液柱帶來的誤差。變送器低壓側管路中為氣，高壓側管路介質為一回路去離子水，水密度ρw=997.90kg/m3，重力加速度g=9.80m/s2，測量變送器實際安裝位置與高壓取壓點距離，得到h1高度為1.102m，h2為高、低壓側取壓點之間的距離為7.30m，h為高壓取壓點距離液面的高度。在容補器氣空間壓力為常壓時，零點和滿點的差壓計算公式分別為：

根據上式，得到寬量程液位RCP003MN 差壓變送器測量的零點和滿點分別是10780Pa 和82170Pa，利用壓力校驗模塊完成該差壓變送器的零點遷移，同理可解決其他由安裝標高問題帶來的測量偏差。

3.2 引壓管內介質狀態變化

對于窄量程液位測量，即RCP001MN~RCP002MN、RCP004MN~RCP009MN 用于分段測量容補器局部區間的液位，設計階段僅考慮了變送器低壓側為氣體，高壓側為水的工況，但實際在容補器補水過程中，當液位逐漸上升并高于上述變送器低壓側取壓口時，低壓側管路內介質由空氣變為水，此時液位計算方法和變送器量程設置仍為高壓側為水、低壓側為氣體的情況，明顯已不再適用。因此，對于窄量程液位測量顯示值嚴重脫離實際。

為了解決在補水過程中產生的低壓側引壓管內介質狀態改變的問題，提出了在系統投運前進行儀表低壓管路充水，再進行變送器零點遷移的方案，利用下式計算得到實際適用的變送器零點和滿點。

其中，h2為高、低壓側取壓點之間的距離，對于RCP004MN～RCP009MN，見表1。h2均為0.5m，得到ΔPZero為-4680Pa，因此對應的量程應該設置為（-4680～0）Pa，利用壓力校驗模塊完成零點遷移。對于RCP001MN、RCP002MN，與上述方法相同，變送器零點遷移后，量程為（-19560～0）Pa。

表1 變送器初始參數和遷移后參數Table 1 The initial parameters and modified parameters of transmitters

通過對變送器零點和量程的遷移，解決了氣空間為常壓下的各類測量偏差問題。

3.3 氣空間介質密度變化

研究堆容補器在升壓過程中，通過關閉容補器一次水進出口閥，打開進氣閥利用壓縮空氣對容補器進行升壓時，發現容補器顯示液位會隨著氣空間壓力的變化而變化，而實際上在密閉容器中液位是保持不變的。表2記錄了3 種不同氣空間壓力下，主控室DCS 顯示的液位值。

從表2中可以看出，對于寬量程液位測量RCP003MN，液位顯示值隨著容補器氣空間壓力RCP016MP 的降低而升高，而對于窄量程液位測量RCP008MN，顯示值隨著容補器氣空間壓力的降低而降低。因此，氣空間壓力變化會給差壓式液位測量帶來相當大的偏差。此類工況下對于氣體壓力已不能忽略，對于寬量程液位RCP003MN，重新計算差壓：

表2 不同壓力下容補器液位值Table 2 The water level value of volume compensator under different pressures

從上式可以看出，液位h除了與容補器內水密度ρw有關，還與容補器上部氣體密度ρs有關，介質密度直接決定了液位測量的準確度[6]。對于RCP003MN 變送器正壓側引壓管路中為靜止的水，可近似為不可壓縮介質，處于環境溫度時，密度ρw可以近似為是一個定值，但容補器在升壓或泄壓過程中，氣空間體積不變，氣體密度ρs會隨著氣體壓力變化而變化，從而導致液位測量值變化。由于氣體密度ρs是氣空間壓力的單值函數，因而提出了在差壓式液位測量回路中引入壓力修正，從而自動消除介質密度變化對液位測量的影響。

將容補器內部看作近似絕熱過程，內部氣體遵循理想氣體狀態方程[7]，按照公式：

Ps為氣空間絕對壓力(Pa)，M 為空氣摩爾質量28.9634g/mol，R 為摩爾氣體常數8.314J/(mol·K)，溫度T在額定工況下為318.15K，Ps1為氣空間相對壓力即表壓，Ps1可從DCS 中直接讀取氣空間相對壓力（RCP016MP～RCP018MP）三通道任一值，但由于在DCS 中氣Ps1單位設置為MPa，即得到了氣體密度隨氣空間壓力變化的函數關系，如下式：

h1=1.102m，由于h為高壓取壓口距離容器內液面的相對高度，DCS 液位設置量程為（0.10～7.40）m，因而DCS 顯示液位值hdisplay為：

對于RCP003MN，利用上式在DCS 一層組態中進行算法修正，如圖3。對于其他窄量程液位測量可以采用相同的方法來消除氣空間壓力變化影響，以實現密度的自動補償[8]，解決在不同工況下液位測量的偏差。另外，當反應堆一回路水溫變化范圍較大時，可以將溫度作為變量引入液位算法中進行修正，以補償由于溫度變化導致的介質密度變化，從而實現更精確的容補器液位測量。

圖3 液位算法修正示意圖Fig.3 The schematic diagram of water level algorithm correction

3.4 引壓管內積液或介質損失

在研究堆啟動、停運以及正常升降功率過程中，一回路冷卻劑溫度的變化會導致冷卻劑的膨脹與收縮，對于容補器寬量程液位長時間運行后低壓引壓管路中由于氣相冷凝會有液體聚集，從而導致測量不準確，可通過定期排空引壓管路中的積液以提高測量的準確性。

對于容補器中、上段窄量程液位，高低引壓管路中介質均為水時，長時間運行儀表管中水蒸發會失去部分水，導致測量出現新的誤差[9]。為了保證低壓參考端水柱高度不變，可在系統運行之前，對參考端管線進行補水，保證儀表管路內始終充滿水，從而提高液位測量的準確性[10]。

4 結束語

通過對容補器液位測量系統的逐步分析和優化，解決了容補器液位測量的一系列問題。經系統調試和長期運行，驗證了上述方法大幅提高了容補器液位測量的準確性和可靠性，有助于對液位測量問題做出快速地分析與判斷，降低了設備的維修檢查頻率與放射性輻射劑量，保證了研究堆的安全可靠運行。