穩(wěn)壓器新型水位測量裝置傾斜和搖擺試驗(yàn)研究

劉　科，郝天才，路廣遙

穩(wěn)壓器新型水位測量裝置傾斜和搖擺試驗(yàn)研究

劉科，郝天才，路廣遙

（中廣核研究院有限公司 設(shè)備研究所，廣東 深圳 518031）

為實(shí)現(xiàn)海上浮動核電站穩(wěn)壓器水位的精確測量，保證反應(yīng)堆的運(yùn)行安全，提出一種新型水位測量裝置。本文分別從測量原理，試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)項(xiàng)目，以及試驗(yàn)結(jié)果分析4個方面展開論述，驗(yàn)證了該裝置能夠解決海上浮動核電站穩(wěn)壓器的水位測量問題，為搖擺工況下設(shè)備水位測量提供重要參考。

穩(wěn)壓器；水位測量；結(jié)構(gòu)設(shè)計；試驗(yàn)研究

隨著我國海洋經(jīng)濟(jì)開發(fā)逐漸深化，對海上分布式能源基地的需求已經(jīng)顯現(xiàn)。海上浮動核電站以其功率密度高、燃料補(bǔ)給需求低、安全、機(jī)動、多用途、模塊化、清潔無污染的特點(diǎn)，成為滿足海上能源需求的首選。浮動核電站基于成熟小型反應(yīng)堆技術(shù)，安全設(shè)計納入能動和非能動安全系統(tǒng)，超過三代核電標(biāo)準(zhǔn)，充分具備市場化推廣的必要安全條件。

穩(wěn)壓器是對一回路壓力進(jìn)行控制和超壓保護(hù)的重要設(shè)備，穩(wěn)壓器水位的情況在一定程度上反映了反應(yīng)堆運(yùn)行功率水平。反應(yīng)堆運(yùn)行時，隨著功率的改變，一回路平均溫度不斷變化，這也引起一回路水體積的變化，所以穩(wěn)壓器水位也隨之變化。但穩(wěn)壓器的水位不能太高或太低，太高導(dǎo)致壓力調(diào)節(jié)失效，太低使電加熱器裸露在蒸汽空間而燒毀[1]，因此，對穩(wěn)壓器水位的準(zhǔn)確測量至關(guān)重要。

1 海上浮動核電站穩(wěn)壓器需考慮的海洋環(huán)境條件

海上浮動核電站運(yùn)行時，需考慮的海洋環(huán)境條件有：溫度、壓力、濕度、傾斜、搖擺、沖擊、鹽霧、霉菌等，其中傾斜和搖擺對穩(wěn)壓器水位測量結(jié)果影響較大。GJB 4000—2000對1～9級海況進(jìn)行了定義，并結(jié)合船舶與海洋工程規(guī)范要求和經(jīng)驗(yàn)，將6級及以下海況定義為正常作業(yè)海洋條件，將8級海況定義為設(shè)計基準(zhǔn)海洋條件，8級以上海況定義為極限工況，根據(jù)GB/T 2423.101—2008并結(jié)合海上浮動核電站的實(shí)際情況，傾斜和搖擺參數(shù)如表1[2,3]所示。

表1 海上浮動核電站傾斜和搖擺參數(shù)

注：對于應(yīng)急電源，應(yīng)保證30°橫傾下工作；極限工況（＞8級海況）下，能保證控制棒插入堆芯。

2 穩(wěn)壓器新型水位測量裝置傾斜和搖擺試驗(yàn)研究

處于海洋傾斜和搖擺工況時，穩(wěn)壓器水位因搖擺而發(fā)生晃蕩，陸上常規(guī)差壓式水位測量方法無法滿足測量要求，需開發(fā)搖擺工況下設(shè)備水位測量方法，一些學(xué)者對此類問題進(jìn)行了研究，李大鵬等開發(fā)了一種蒸汽發(fā)生器水位計測量系統(tǒng)[4,5]，李來春等提出一種艦船主鍋爐水位的測量方法[6]，本文基于現(xiàn)有船用設(shè)備水位測量方法，研制了一套穩(wěn)壓器新型水位測量裝置，并對裝置在傾斜搖擺工況下的測量精度進(jìn)行了測試，以解決傾斜搖擺工況下的穩(wěn)壓器水位測量難題。

2.1 測量原理

穩(wěn)壓器水位測量系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)共有三個水位測量通道，由高參考管差壓計A、低參考管差壓計B、實(shí)際水位差壓計C兩兩組合而成，分別用1#、2#、3#來表示A-B、A-C、B-C測量通道，差壓計應(yīng)安裝在同一水平面上，高低參考管中的水位需保持滿水狀態(tài)。

圖1 新型水位測量系統(tǒng)

將作為分母，用cf1和cf2分別表示A-C、B-C在被送除法器進(jìn)行除法運(yùn)算之后的輸出電流，cf1、cf2為差壓計進(jìn)行除法運(yùn)算之后的轉(zhuǎn)換系數(shù)，則有

由上述公式的計算過程可知，測量系統(tǒng)通過對測量信號進(jìn)行除法運(yùn)算，其輸出電流cf1和cf2僅與水位差成正比，消除了介質(zhì)密度、傾斜搖擺角度對水位測量的影響，即使用該裝置得到的測量結(jié)果不受船體傾斜、搖擺的影響。

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要包括新型水位測量裝置，二次儀表，以及搖擺試驗(yàn)臺。

新型水位測量裝置主要結(jié)構(gòu)件有裝置殼體、補(bǔ)水管、高低參考管、水位測量接管、防晃液板、差壓變送器、閥門、儀表管線及管件、裝置支承底座等，在試驗(yàn)裝置周向設(shè)置了6根拉桿以確保搖擺試驗(yàn)過程的安全性，防晃液板可降低搖擺工況下液面晃蕩對水位測量結(jié)果的影響。參考管水位的恒定通過控制補(bǔ)水管流量來保持。新型水位測量裝置如圖2所示。

搖擺臺能夠?qū)崿F(xiàn)±22.5°的傾斜搖擺試驗(yàn)。新型水位測量裝置的水位測量接管方位如圖3所示，其中，A、B分別對應(yīng)高、低參考管取壓口，考慮冗余，設(shè)置了C1、C2兩組實(shí)際水位取壓口，圖中橫軸（90°～270°）為縱搖中心線，縱軸（0°～180°）為橫搖中心線。

圖2 新型水位測量裝置

圖3 水位測量接管方位

2.3　試驗(yàn)項(xiàng)目

新型水位測量裝置性能驗(yàn)證試驗(yàn)重點(diǎn)研究了傾斜角度、傾斜方位及搖擺等運(yùn)動參數(shù)對不同水位量程下裝置測量精度的影響，試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括：

（1）橫傾性能驗(yàn)證試驗(yàn)：試驗(yàn)裝置在橫向傾斜工況下（傾斜角度為22.5°），記錄10%、20%、38%、56%、70%水位測量結(jié)果；

（2）縱傾性能驗(yàn)證試驗(yàn)：試驗(yàn)裝置在縱向傾斜工況下（傾斜角度為22.5°），記錄10%、20%、38%、56%、70%水位測量結(jié)果；

（3）橫搖性能驗(yàn)證試驗(yàn)：試驗(yàn)裝置在橫向搖擺工況下（搖擺角度范圍在22.5°～-22.5°變動，搖擺周期為10 s），記錄10%、20%、38%、56%、70%水位測量結(jié)果；

（4）縱搖性能驗(yàn)證試驗(yàn)：試驗(yàn)裝置在縱向搖擺工況下（搖擺角度范圍在22.5°～-22.5°變動，搖擺周期為10 s），記錄10%、20%、38%、56%、70%水位測量結(jié)果。

3 結(jié)果與分析

寬量程由高參考管與實(shí)際水位間的差壓變送器、高參考管與低參考管間的差壓變送器計算得到，窄量程由低參考管與實(shí)際水位間的差壓變送器、高參考管與低參考管間的差壓變送器計算得到。測量精度由寬、窄量程的測試結(jié)果與實(shí)驗(yàn)前豎直工況參考水位差壓變送器測量值計算得到。試驗(yàn)裝置的測量精度結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖4 橫向傾斜（22.5°）測量精度曲線

圖5 縱向傾斜（22.5°）測量精度曲線

圖6 橫向搖擺測量精度曲線

圖7 縱向搖擺測量精度曲線

由圖4和圖5可知，傾斜工況下裝置的寬、窄量程測量精度的一致性較好，裝置的測量精度在-1.5%到+1%范圍內(nèi)，較為精確，且測量精度隨水位的升高而提高，說明裝置在傾斜工況下的測量結(jié)果精確可靠。

由圖6和圖7可知，搖擺工況下裝置的寬、窄量程測量精度的一致性較好，說明測量數(shù)據(jù)有效。橫向搖擺時，裝置的測量精度在0.5%到2%之間，較為精確，縱向搖擺時，裝置的測量精度在1%～4%。

搖擺測量精度稍差的原因分析如下，后續(xù)可針對這些原因?qū)υ囼?yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，從而提高裝置的搖擺測量精度：

（1）搖擺時產(chǎn)生的液體動壓會沖擊C1，C2取壓口，導(dǎo)致測得的壓力產(chǎn)生偏差，特別是縱向搖擺時，兩個取壓口面臨更大的動壓沖擊，從測量結(jié)果上看，縱向搖擺時的測量精度更差；

（2）搖擺時參考管中液體因晃蕩而溢出，導(dǎo)致不是滿水狀態(tài)，且補(bǔ)水流量較小，不能及時補(bǔ)充水量，導(dǎo)致參考管水位偏低，從而影響了測量精度；

（3）目前的補(bǔ)水管結(jié)構(gòu)無法做到均勻補(bǔ)水，補(bǔ)水流量較小時，無法保證高參考管滿水狀態(tài)，而補(bǔ)水流量過大時，液體的沖擊會使高、低參考管水位均無法達(dá)到滿水位狀態(tài)。要獲得較好的測量精度，補(bǔ)水流量控制非常關(guān)鍵；

（4）低水位處未設(shè)置防止液面晃蕩的防晃液板，因此水位較低時，搖擺引起水面劇烈晃蕩，導(dǎo)致測得的水位不是真實(shí)水位，影響了測量精度；

（5）搖擺時測量管線中產(chǎn)生了較多氣泡，產(chǎn)生測量誤差。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計了一種新型水位測量裝置，從測量原理上論證了該裝置的水位測量結(jié)果不受傾斜、搖擺的影響，更進(jìn)一步，通過試驗(yàn)對裝置的測量精度進(jìn)行了分析研究，并針對如何進(jìn)一步提高裝置測量精度這一問題給出了改進(jìn)思路。

［1］ 廣東核電培訓(xùn)中心. 900 MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備［M］. 北京：原子能出版社，2007：109-118.

［2］ 中國船級社. 鋼質(zhì)海船入級規(guī)范2012（第4分冊）［M］. 北京：人民交通出版社，2015.

［3］ 黃勇，何伯陽，郭偉. 海上核電站儀控設(shè)備鑒定的方法與建議［J］. 自動化與儀表，2018，33（12）：74-77.

［4］ 李大鵬，楊治東，趙巖松. 蒸發(fā)器雙參考管水位測量系統(tǒng)軟測量技術(shù)的改進(jìn)［J］. 計算機(jī)測量與控制，2005，13（11）：1186-1188.

［5］ 李大鵬，孫豐瑞. 船用蒸汽發(fā)生器水位計測量系統(tǒng)的改進(jìn)［J］. 發(fā)電設(shè)備，1997（5）：28-30.

［6］ 李來春，王克. 艦船主鍋爐水位的測量［J］. 熱能動力工程，2000，15（5）：567-570.

Inclination and Swing Experimental Study of the New Water Level Measuring Device for the Pressurizer

LIU Ke，HAO Tiancai，LU Guangyao

（Equipment Research Institute，China Nuclear Power Technology Research Institute Co.，Ltd.， Shenzhen of Guangdong Prov. 518031，China）

In order to realize accurate measurement of the pressurizer level of offshore nuclear power plant，ensure the safe operation of the reactor, the new water level measuring device is put forward. This paper discusses the measurement principle, test device, test items, and test results, shows the device can solve the problem of water level measurement for the pressurizer of offshore nuclear power plant, and provide important reference for equipment water level measurement under swing condition.

Pressurizer; Water level measurement; Structure design; Experimental study

TL48

A

0258-0918（2023）05-1059-05

2022-07-19

深圳市科技計劃資助（KQTD20200820145821019）

劉 科（1988—），男，湖北武漢人，高級工程師，碩士，現(xiàn)從事核反應(yīng)堆工程的研究