6000型水位測量儀表測量偏差分析與處理

劉建光，徐建飛，李 劍

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

CPR1000核電機組中，反應堆冷卻劑系統(reactor coolant system，RCP)的RCP 090MN～RCP095MN液位儀表應用于堆芯水位測量，尤其是在發生冷卻劑喪失事故(loss of coolant accident,LOCA)情況下,為操作員提供準確的堆芯液位監測信號，保證機組安全穩定[1]。其中:RCP090MN、RCP091MN為窄量程液位測量儀表；RCP092MN、RCP093MN為寬量程液位測量儀表；RCP094MN、RCP095MN為參考液位測量儀表。6塊儀表在不同工況下提供液位測量信號。CPR1000核電機組中，RCP094MN、RCPO95MN正負壓側隔離膜盒高度差比理論值高150 mm，RCP090MN～RCP093MN負壓側隔離膜盒的安裝高度超出設計高度32 mm。上述安裝偏差都會影響堆芯液位測量的準確性，對操作員產生誤導，不利于反應堆的安全、可靠運行[2]。

本文對6000型水位測量儀表偏差進行分析和處理，保證了反應堆冷卻劑系統堆芯水位測量的準確性，同時為變密度條件下的儀表遷移提供詳細的理論計算方法。

1 測量原理

壓力容器液位測量儀表為差壓式6000型變送器，屬于電站1E級K1類級設備，帶2個隔離器，主要分類如下。

①窄量程：RCP090MN、RCP091MN(-110～+40 kPa)。

②寬量程：RCP092MN、RCP093MN(-140～+270 kPa)。

③參考：RCP094MN、RCP095MN(-140.0～-26.5 kPa)。

堆芯水位測量儀表安裝如圖1所示。

圖1 堆芯水位測量儀表安裝示意圖

當安全殼內發生LOCA時，反應堆堆芯內液位可能下降。此時利用RCP090MN～RCP093MN監測堆芯淹沒情況。RCP090MN～RCP093MN的變送器正壓側通過毛細管與壓力容器底部相連，負壓側通過毛細管與壓力容器頂部相連。變送器變送的壓差ΔP1為：

ΔP1=(H-h)γV+hγL-HγL1

(1)

式中：H為壓力容器水位測量高度;h為壓力容器水位;γL為壓力容器內水的重度;γV為壓力容器內蒸汽的重度;γL1為毛細管內水的重度。

毛細管安置在安全殼內。其中，水是密封不流通的。故γL1只隨環境溫度的變化而變化。安全殼內的溫度在失水事故時升高，致使毛細管內水的重度減少，造成測量誤差。為了消除這個誤差，本文增加了RCP094MN和RCP095MN，并將其置于同一環境。這將修正堆芯冷卻監測系統(core cooling monitoring system,CCMS)堆芯水位測量計算中反應堆廠房環境溫度對堆芯水位測量的影響。

RCP094MN和RCP095MN的壓差ΔP2為：

ΔP2=0-HγL1

(2)

式(1)與式(2)相減，得：

ΔP1=(H-h)γV+hγL+ΔP2

(3)

按照式(3)計算ΔP2的理論值，要求式(3)中H等于壓力容器高度，即RCP094MN和RCP095MN的正負側隔離膜盒安裝高度差要等于H，否則式(3)就會引入新的誤差。

堆芯水位測量原理如圖2所示。

圖2 堆芯水位測量原理圖

2 測量誤差分析

RCP094MN和RCP095MN實際安裝高度如圖3所示。圖3中：正壓側隔離膜盒安裝設計高度要求為827 mm，現場實際高度為677 mm；負壓側隔離膜盒安裝設計高度要求為13 350 mm，現場實際高度為13 350 mm。RCP094MN、RCP095MN儀表正壓側隔離膜盒實際安裝高度與設計高度理論值偏差150 mm，導致正負壓側隔離膜盒高度差比理論值高150 mm，RCP094MN、RCP095MN測量出的壓力值比理論值偏低，從而影響CCMS中堆芯水位測量的準確性。

圖3 RCP094MN和RCP095MN實際安裝高度

RCP094MN和RCP095MN儀表量程為-140.0～-26.5 kPa。當前狀態下正負壓側隔離膜盒高度差將導致壓力偏差-1.467 kPa，引起誤差1.3%。

RCP090MN～RCP093MN負壓側高度增加32 mm，相比于式(1)設計壓差，RCP090MN～RCP093MN測量的壓差ΔP實際為:

ΔP實際=(H+ΔH-h)γV+hγL-(H+ΔH)γL1

(4)

ΔP實際與理論壓差值相差ΔH(γV-γL1),導致測量的實際液位比真實液位偏低。由于安全殼內溫度不是1個恒定值，尤其是在LOCA情況下，安全殼內的溫度一直在變化，因此γL1也一直是1個變化量。

RCP090MN～RCP095MN不可用，將影響堆芯水位測量的功能。在反應堆一回路封閉情況下,運行技術規范要求檢修工作必須在3 d內完成，否則機組狀態需要后撤[3]。

3 處理方案

3.1 RCP094MN和RCP05MN處理方案

通過查看儀表現場實際安裝情況，可以確認如果采用調整膜盒實際高度的處理方法，需要將與膜盒相連的毛細管重新布置并調整彎曲度。處理過程中會出現毛細管彎曲過度或不滿足最小彎曲半徑要求的情況，影響毛細管使用壽命，因此只能采取儀表遷移方案。

3.1.1 常規遷移方式

目前，核電站中普遍采用的液位傳感器主要是差壓式液位傳感器。差壓式液位傳感器通過測量變送器正負壓側之間壓差的方法對液位進行測量[4]。應用差壓變送器測量液面時，如果差壓變送器的正、負壓室與容器的取壓點處在同一水平面上，就不需要遷移。而在實際應用中，出于對設備安裝位置和便于維護等方面的考慮，測量儀表不一定都能與取壓點在同一水平面上。如被測介質是強腐蝕性或重粘度的液體，則不能直接把介質引入測壓儀表，而必須安裝隔離液罐，用隔離液來傳遞壓力信號，以防止測量儀表被腐蝕。這時就要考慮介質和隔離液的液柱對測壓儀表讀數的影響[5]。為了正確指示液位的高度，差壓變送器必須作一些技術處理，即遷移。遷移分為無遷移、負遷移和正遷移。

①無遷移。

無遷移是將差壓變送器的正、負壓室與容器的取壓點安裝在同一水平面上。無遷移原理如圖4所示。

變送器變送的壓差ΔP無遷移如式(5)所示。

ΔP無遷移=PB-PA=ρgh+PA-PA=ρgh

(5)

式中：ΔP無遷移為無遷移變送器變送的壓差值;PA為A點的壓力;PB為B點的壓力;ρ為被測介質的密度;g為重力加速度。

如果容器為敞口容器、PA為大氣壓力，則ΔP無遷移=PB=ρgh。由此可見，如果差壓變送器正壓室和取壓點相連，負壓室通大氣，通過測B點的表壓力就可知液面的高度。當液面由h=0變化為h=hmax時，差壓變送器所測得的差壓由ΔP無遷移=0變為ΔP無遷移=ρghmax，輸出由4 mA變為20 mA[6]。

②負遷移。

負遷移原理如圖5所示。

圖5 負遷移原理圖

為了防止密閉容器內的液體或氣體進入差壓變送器的取壓室，造成引壓管線的堵塞或腐蝕，在差壓變送器的正、負壓室與取壓點之間分別裝有隔離液罐，并充以隔離液，其密度為ρ1。則：

ΔP負遷移=PB-PA=ρ1gh高+ρgH高-ρ1g(h高+H高)

(6)

式中：ΔP負遷移為負遷移變送器變送的壓差值;ρ1為隔離液罐中液體密度;H高為被測液體高度;h高為變送器到正壓側取壓口高度。

當測量高度為0時，ΔP負遷移=-ρ1gH，在差壓變送器的負壓室存在靜壓力，使差壓變送器的輸出小于4 mA。當測量高度為H時，ΔP負遷移=(ρ-ρ1)gH，由于在實際工作中ρ1>ρ，所以在最高液位時，負壓室的壓力也遠大于正壓室的壓力，使儀表輸出仍小于實際液面所對應的儀表輸出。這樣就破壞了變送器輸出與液位之間的正常關系。為了使儀表輸出和實際液面相對應，就必須把負壓室引壓管線這段H液柱產生的靜壓力消除掉。要想消除這段靜壓差，就必須將變送器進行負向遷移。

③正遷移。

正遷移原理如圖6所示。

圖6 正遷移原理圖

圖6中容器為敞口容器。差壓變送器的位置比最低液位低h的距離。變送器變送的壓差為：

ΔP正遷移=ρgH+ρ環gh

(7)

式中:ΔP正遷移為正遷移變送器變送的壓差值;ρ環為環境中液體密度[7]。

當H=0時，ΔP正遷移=ρ環gh，在差壓變送器正壓室存在靜壓力，使其輸出大于4 mA。當H=Hmax時，ΔP正遷移=ρgH+ρ環gh，變送器輸出也遠大于20 mA。因此必須把這段靜壓力消除掉。這就是正遷移。

3.1.2 等比例遷移法

上述所采用的遷移方法都是恒定量的遷移方法，只要根據儀表的高度進行相應的正遷移或負遷移即可。RCP094MN和RCP095MN堆芯水位測量儀表為6000型變送器，與常規的儀表在測量原理和應用場景上都存在區別。為了能夠在LOCA發生時監測堆芯淹沒情況，6000型變送器設置分體結構，主要包括變送器本體、正負壓側隔離膜盒、傳遞壓力信號的毛細管以及獨立的信號處理單元[8]。由于機組正常運行期間以及發生LOCA情況下安全殼內不同樓層、不同房間環境溫度都不相同，導致處在安全殼毛細管內水的密度也隨溫度的變化而變化。因此，當出現安裝高度與設計高度存在偏差時，如果采用傳統的恒定量的遷移方法，由于管線中各管段密度不同，必定會引入誤差，不能真實表征堆芯水位的測量精度。此時，不能采用常規的儀表遷移方式對儀表進行遷移[9]。

RCP094MN和RCP095MN儀表中的參考液柱高度H是常量，參考液柱壓差ΔP2=0-HγL1與毛細管中的密度成正比，對于同一密度下所測的壓差僅與高度H成正比，現場儀表正、負壓側隔離膜盒高度差由(理論參考液柱高度H1)12 523 mm變為12 673 mm(實際參考液柱高度H2)。因此，通過H2和H1的比值對儀表量程進行遷移，可解決安裝高度差引起的測量壓力偏差。

按照設計理論值計算，RCP094MN和RCP095MN儀表壓力應為：

P標準=ρgH1

(8)

式中:P標準為理論壓差。

儀表遷移方案實施后，RCP094MN和RCP095MN儀表壓力為：

(9)

式中:P遷移后為遷移后的壓差。

儀表側按照調整后量程(-141.677～-26.817 kPa)對應4～20 mA的關系進行儀表遷移。通過計算過程可知，儀表遷移的方式能夠使RCP094MN和RCP095MN真實反映設計高度12 523 mm對應的真實壓力，消除1.3%的誤差，從而使CCMS堆芯水位測量準確。

3.2 RCP090MN～RCP093MN處理方案

RCP090NN～RCP093MN的負壓側隔離膜盒比設計高度13 350 mm高了32 mm。如果把負壓側隔離膜盒整體下移32 mm，就會在A、B之間產生1個32 mm的落差。

調整方案如圖7所示。

圖7 調整方案示意圖

當反應堆排水至泄壓模式時，A1、B1兩點之間有水，會對負壓側隔離膜盒附加1個32 mm的水柱壓力，導致RCP090MN～RCP093MN測量產生偏差(如果A1、B1兩點之間呈水平，泄壓模式下即使有水也不會對膜盒產生附加壓力)。

因此，本文采取的修正方案為保持膜盒高度不變，保證取壓管線和膜盒水平高度一致，通過遷移的方式消除高出的32 mm產生的壓差。但是根據式(1)可知RCP090MN～RCP093MN儀表感受的壓差，則偏高后實際的壓差為:

ΔP=(H-h)γV+hγL-(H+ΔH)γL1

(10)

式中：ΔH為負壓側隔離膜盒實際安裝高度與理論安裝高度之差。

因此，負壓側隔離膜盒安裝偏高后產生的偏差為ΔHγL1。由于變送器感受的壓差與高度不是成正比例的關系，因此不能對RCP094MN、RCPO95MN采用等比例的遷移方式。

在計算遷移量的過程中毛細管中液體的密度為:

ρL1=ρ(TCON,PRCP+PCON)

(11)

式中：ρL1為毛細管中液體的密度;TCON為安全殼內環境溫度;PRCP為反應堆一回路壓力;PCON為安全殼內環境壓力。

所以毛細管中水的密度是和TCON、PRCP+PCON這2個參數相關的。TCON的范圍定義為10～156 ℃[10]。由于不同溫度和壓力下32 mm對應的壓力基本恒定偏差很小，最大偏差小于0.03 kPa，因此經設計確認采用平均值0.27 kPa作為恒定遷移量的恒定數值進行遷移。壓差計算如表1所示。

表1 壓差計算表

遷移后儀表的量程如下，能夠真實測量壓力容器水位。

①RCP090MN和RCP091MN的量程為-109.73～+39.73 kPa。

②RCP092MN和RCP093MN的量程為-139.73～+269.73 kPa。

4 結論

6000型堆芯水位測量儀表用于反應堆正常充、排水期間為操作員提供反應堆水位信息，在反應堆LOCA發生時監測反應堆堆芯淹沒情況，保證機組安全。由于LOCA情況下安全殼毛細管內水的重度隨溫度的變化而變化，因此當出現儀表或膜盒安裝高度與設計高度存在偏差時，不能采用常規儀表恒定密度的遷移方式對儀表進行遷移。本文針對CPR1000核電機組反應堆堆芯參考液位計RCP094MN和RCP095MN正負壓側隔離膜盒高度偏差問題，采用等比例遷移的方式進行儀表遷移處理。針對RCP090MN～RCP093MN負壓側隔離膜盒安裝高度偏差問題，由于測量原理同時與壓力容器內蒸汽重度和毛細管內液體密度兩個變量相關，因此不能采用等比例的遷移方式。通過對不同壓力、不同環境下的重度偏差定量分析，對其采用恒定遷移量方式。儀表調整后通過反應堆水位儀表試驗驗證，確認儀表工作正常，滿足設計準則要求。本研究保證了在正常沖排水以及LOCA事故工況下能夠實現反應堆水池液位正常監測和滿足機組的安全需求。同時，相關分析方法和遷移方法能夠為其他變量密度的儀表遷移方式提供借鑒。