熱管段液位靜態特性分析及工程測量監督優化

閆繼鋒,鄭 偉,錢立虎,鄭駢垚,馬象睿,曾景暉,金冀偉,解保林

(1.生態環境部華北核與輻射安全監督站,北京 100082,2.上海核工程研究設計院有限公司,上海 200233,3.國核自儀系統工程有限公司,上海 200240)

0 引言

在核電工程項目(以下簡稱“被監督項目”)的參考工程項目(以下簡稱“參考項目”)調試期間,連接蒸汽發生器的一回路熱管段液位[1]LT001等部分儀表在核電廠正常功率運行時,存在由于實際液位超過儀表設定的運行量程而導致一回路熱管段液位測量值質量碼長期為“BAD”,進而產生長期報警的問題。雖然該報警是熱管段在正常運行工況下的正常預期,但由于該報警在機組正常運行狀態下長期存在,使操縱員無法判斷儀表是否處于正常工作狀態。這可能導致操縱員作出錯誤判斷,從而對核安全構成潛在影響甚至威脅。

由于被監督項目存在同樣的問題,本文通過對不同工況下的液位靜態特性分析,結合參考項目所采用的解決措施,提出優化的工程解決措施,以及進一步的改進建議。

1 差壓式液位測量原理及分析

差壓式液位計[2]被廣泛應用于石油、化工、冶金、電力等工業生產過程檢測控制系統,通過測量開口或密閉容器兩個不同壓力點處的壓力差來計算容器內介質的液位。液位計可將被測信號轉換成4～20 mA的輸出信號[3](智能型可帶協議通信),與其他組合儀表、模塊組成可實現檢測、記錄、控制等功能的工業自動化系統。其中,密閉差壓式液位計測量[4]如圖1所示。

圖1 密閉差壓式液位計測量示意圖

圖1中,各液位高度與壓力之間的關系如式(1)～式(3)所示。

h=X×γ1×g

(1)

式中:h為液柱x′所產生的最大壓力;X為被測的最低和最高液位之間的垂直距離;γ1為被測液體的密度。

e=Y×γ1×g

(2)

式中:e為液柱y′所產生的壓力;Y為液位計高壓側取壓口到最低液位之間的距離。

s=Z×γ2×g

(3)

式中:s為填充液柱所產生的壓力;Z為充液導壓管頂端到液位計基準線之間的距離;γ2為低壓側導管填充液體的密度。

根據式(1)～式(3)即可得到所需液位。

本文討論的核電機組熱管段液位測量采用差壓式液位計測量方法。一回路熱管段與蒸汽發生器連接如圖2所示。

圖2 一回路熱管段與蒸汽發生器連接示意圖

圖2中,熱管段管道水平布置,并向上彎曲連接到蒸汽發生器底部[5]。對于被監督項目,熱管段管道內徑為900 mm。基于差壓液位計的液位計下部取壓口位于熱管段管道水平段底部;上部取壓口受限于安裝空間位于熱管段向上彎曲段處(靠近蒸汽發生器底部),距熱管段底部高度為2 350 mm。因此,對應于圖1:X為900 mm;Y為0 mm;Z為2 350 mm。由于液體均為水,測量工況溫度接近于常溫,γ1和γ2均取近似值為1 g/cm3,取重力加速度g為9.806 65 m/s2。根據式(1)～式(3)可分別計算得到h=8.826 kPa、e=0 kPa、s=23.046 kPa。

熱管段液位測量的核安全功能是在停堆工況下“半管”運行期間(為進行真空充水或蒸汽發生器維護而使管道半充水)監視熱管段液位,并在液位低于整定值時觸發專設安全設施動作。因此,雖然差壓液位計LT001的高壓側取樣口和低壓側取樣口之間的高度差為2 350 mm,但為了保證其執行安全功能的測量精度,運行量程實際按管道水平段直徑標定為0～900 mm。一旦核電廠退出停堆工況下的“半管”運行狀態而進入正常運行工況下的“滿管”運行狀態,熱管段液位測量儀表LT001液位計將由于液位超出其運行量程上限900 mm而始終處于超量程狀態。因此,無論是被監督項目還是參考項目,均存在以下問題。

①停堆工況“半管”運行期間,LT001液位計在其標定的運行量程范圍0～900 mm內工作,對應的差壓測量范圍為-23.046～-14.220 kPa,輸出信號為對應的4～20 mA電流信號。

②正常運行工況“滿管”運行期間,LT001液位計測量的液位遠遠超出其標定的量程范圍上限,導致液位計輸出信號接近輸出電流信號的上限值。由于系統采用通用的4～20 mA信號質量碼賦值原則,即當液位計輸出信號≤-10%(即≤2.4 mA)或≥110%(即≥21.6 mA)時為壞品質,其質量碼被賦值為“BAD”。因此,如果不采取必要的處理,在機組正常運行期間,LT001液位計的質量碼將長期為“BAD”,并導致數字化保護系統長期發出質量報警信號。

造成上述現象的主要原因是:熱管段的工藝布置和差壓測量液位管線的布置限制,使得上部引壓管線高度(2 350 mm)高于實際最大需求的測量范圍(0～900 mm),造成“滿管”工況下差壓液位計輸出超過標定范圍。這種現象短期內無法通過修改工藝布置修正,只能在后端儀表、保護系統的設置上進行優化設計,以避免產生誤報警。

2 參考項目采取的解決措施

針對輸入信號超過設定閾值而產生壞品質的處理,通常是在數字化系統的模擬量輸入(analog input,AI)卡件中實現。在參考項目中,所用系統的AI卡件中根據超量程判定質量碼為“BAD”的閾值無法修改,且4～20 mA信號需要經電流/電壓采樣電阻轉換為電壓信號后才能被模數轉換器(analog digital converter,ADC)采集。因此,本文采用了減小采樣電阻,將超量程的液位計輸出電流轉化為閾值以內正常運行范圍的電壓信號再進行采集的方法,解決了上述問題。

參考項目中,AI卡件對應于正常量程范圍的模擬/數字(analog/digital,A/D)采樣電壓為0～1 V直流(direct current,DC)。根據AI卡件中的固化設置,當采樣電壓超過閾值1.1 V DC時,AI卡件將判定信號質量碼為“BAD”。采樣電阻調整前為50 Ω,正常滿量程的4～20 mA信號對應于0.2～1 V DC。由于LT001液位計的最大輸出電流為24.1 mA,為了保證在超量程情況下也不會產生“BAD”質量碼,需要通過調整采樣電阻,將24.1 mA轉換后的電壓線性歸一化到1.1 V DC。根據以上參數,采樣電阻值最小可調整為45.6 Ω。參考項目調整后的LT001液位計AI通道參數如表1所示。

表1 參考項目調整后的LT001液位計AI通道參數

采樣電阻調整為45.6 Ω后,正常滿量程4～20 mA信號對應的電壓范圍變為0.182 4～0.912 V DC,比調整前對應的采樣電壓范圍小。卡件采樣電壓精度為0.1%,最大誤差為0.001 V DC。由于機架校準精度為最大誤差與電壓測量范圍之比,調整前后機架校準精度由0.125%降低到0.137%。而實際上在工程實施中,由于45.6 Ω為非標電阻,其電阻精度(0.1%)相對原50 Ω標準電阻(精度為0.01%)下降了1個數量級,因此進一步降低了機架校準精度。

本文采用美國核管會導則RG 1.105 R3[6]背書的ISA 67.04.01-1994 (R2000)[7]中用于不確定項計算的平方和的平方根(square root of the sum of the squares,SRSS)。在測試工具精度、氣壓源、偏差等其他十幾項相關因素不變的情況下,根據變更的采樣電阻重新計算通道不確定度。計算結果表明,通道不確定度由6.80%增大到6.83%,裕量從2.88%減小到2.84%。由于裕量仍然為正,雖然此解決措施帶來了精度下降,但可被接受。

3 被監督項目采取的解決措施

在熱管段液位測量上,被監督項目具有和參考項目相同的問題。但與之不同的是,被監督項目采用AI卡件直接讀取4～20 mA回路中的電流,且保護系統中產生“BAD”質量碼報警的電流閾值可以修改。因此,本文采用了直接修改質量碼判定閾值來避免產生不必要報警的方法。

在出廠驗收測試階段,甚至監管方執行獨立驗證活動之前,保護系統通道的質量碼閾值仍暫定為21.6 mA。出于對新技術首臺套核電機組的重點關注,為了避免保護系統帶待定項出廠,在監管方要求下,設計方進行了熱管段“滿管”和“半管”液位的前期分析和試驗工作并出具設計變更單,暫時根據供貨商提供的差壓液位計最大輸出電流,將LT001液位計等儀表通道的質量碼變“BAD”的上限閾值調整為28 mA。同時,設計方將在調試過程中進一步精確測得通道在正常工況下的最大電流,并根據電流值判斷是否需要進一步精細化設定質量碼變“BAD”值。

由于系統電流輸入支持 4～20 mA 與 10～50 mA兩個量程范圍,28 mA 處于平臺設計范圍內。具體分析如下:對于電流輸入通道,電流采樣電阻為 20 Ω(由兩個 10 Ω串聯構成),按照輸入回路電流 100 mA 計算(保守地按最大兩倍輸入量程考慮),采樣電阻上的取樣電壓為2 V,而ADC的輸入允許范圍為 2.5 V,小于 ADC 最大允許輸入采集范圍要求。此外,該采樣電阻的額定功率為 600 mW,如按照最大允許量程 50 mA 在該采樣電阻實際產生的功耗,單個 10 Ω將產生 25 mW功耗,只占該采樣電阻額定功率的4.17%,滿足設計 25%的降額要求[8]。因此,電流(28 mA)長期工作在平臺允許的設計電流范圍內,不影響產品可靠性。

針對上述變更,本文完成了相應的驗證與確認(verification and validation,V&V) 及測試工作[9]。本文對在145%量程(對應輸入電流27.2 mA,容差5%)和155%量程(對應輸入電流28.8mA,容差5%)的LT001通道分別進行了測試。其信號質量的期望值分別為:145%量程對應“GOOD”;150%量程對應“BAD”。在100%～150%滿量程“滿管”液位量程范圍內,差壓液位計電流-液位對照如表2所示。

經實測,在145%量程點、輸出電流達到 27.2 mA 時,不會產生質量碼“BAD”報警;在155%量程點、輸出電流達到 28.8 mA 時,將產生質量碼“BAD” 報警。

熱管段液位傳感器的核安全功能對應的低2 和低4整定值,分別為熱管內徑(900 mm)的58.1%和9.7%。為了保證觸發整定值時差壓液位計具有足夠高的精度,本文僅選用0～900 mm作為有效標定量程(0～100%)。被監督項目液位傳感器修改后,在145%、155%量程時通道測量結果分析如表3所示。

表3 在145%、155%量程時通道測量結果分析

在液位高于大約1 350 mm后,液位計已無法送出高于28 mA的電流。保護系統對于20 mA以上、28 mA以下的電流輸入只會顯示“↑”的超量程指示,而不會產生質量碼“BAD” 報警。這避免了對操縱員產生不必要的干擾。另外,由于被監督項目還設置了一個用于監視反應堆冷卻劑液位的寬量程非安全級儀表。該儀表覆蓋范圍為0～21.6 m。因此,在熱管段液位超出0～900 mm有效量程時,該儀表仍能提供準確的液位讀數。

被監督項目所采用的解決措施既保證了安全功能要求測量范圍內的測量精度,又有效避免了正常“滿管”運行時保護系統發出質量碼“BAD” 報警。相比參考項目,這種方法不會影響熱管段液位測量的不確定度,亦無需減少安全分析裕度,故相對更優。對于安全級差壓液位計量程范圍以外的液位監測,可通過一個寬量程的非安全級儀表,為操縱員提供額外信息。

4 改進措施的分析與探討

在模擬儀表時代,如果工藝變量超過窄量程儀表最大量程,出現的現象只是模擬顯示表指針打到量程上限,不會產生報警。而采用數字化儀控系統后,當采集信號明顯超過被測對象的合理范圍(例如4～20 mA測量回路的輸入大于21.6 mA),儀控系統可智能地判定為輸入通道故障,提示“BAD”質量碼信息給操縱員,以便及時檢修儀表回路。但某些正常的工況變化導致測量信號不可避免地超過其量程時,也會產生質量碼報警,從而對操縱員造成干擾。一方面,在設計中應對這種工況進行有效識別和應對。另一方面,隨著儀表技術的發展,可以選用寬量程、高精度的儀表來滿足測量需求。

對于被監督項目,如果選用寬量程液位計,使得0～2 350 mm的液位對應4～20 mA電流,則能實現覆蓋0～2 350 mm全量程范圍的數據采集及顯示功能。被監督項目差壓液位計重新標定后的對應參數如表4所示。

表4 被監督項目差壓液位計重新標定后的對應參數

按照被監督項目所用差壓液位計的技術規格[10],雖然選用的寬量程處于生產廠家提供的量程代碼規格范圍內,但因總量程變大、相對精度保持不變,絕對誤差將由60.2 mm變為149.2 mm。只有通過將整定值由87.3 mm調整為176.3 mm,才能保證不突破原來的安全分析限值。因此,如果仍然使用原規格液位計,由于通道誤差變大,會涉及到整定值修改,故方案不可行。因此,有必要研發新的寬量程、高精度儀表,保證0～2 350 mm全范圍內的精度,從而充分滿足“滿管”和“半管”等多種工況下的測量需求。

5 結論

通過監管活動發現,在壓水堆設計中存在為數不多又較為特殊的不同工況導致儀表輸入超量程上限的問題。本文以熱管段差壓液位計超量程上限的問題為例,對參考項目和被監督項目對于上述問題的解決方案進行了詳細分析和比較。參考項目和被監督項目根據各自儀控系統的特點給出了解決方案,有效避免了質量碼誤報警問題。但該解決方案仍存在改進空間。

通過監管活動,本文提出以下建議:應當在設計之初就對儀表的超量程工況有所考慮,如采取設計合理的工藝管線布置以避免超量程、要求儀表限制超量程輸出等措施。這勝于發現問題后再在儀控系統端進行補救。