船用压水堆稳压器水位测量系统研究设计

郑文强，黄勇，张立德，魏川清，张守杰，郝天才

（中广核研究院有限公司，广东 深圳518000）

1 引言

压水堆核电站反应堆冷却剂系统在启动停运以及正常升降功率过程中，冷却剂温度的变化会导致冷却剂的膨胀与收缩，稳压器的液位会产生不同程度的波动。稳压器的液位过高会导致汽腔容积过小，压力控制的瞬态响应能力降低，液位的进一步升高甚至会淹没喷头；液位过低会导致电加热器的裸露甚至烧毁，进而引发稳压器压力控制功能的丧失。通过化学与容积控制系统的上充下泄功能来控制稳压器的水位，当液位的变化无法调节到正常范围，高高液位将会触发停堆保护，低低液位触发下泄隔离，因此，为保证稳压器的正常功能，需对稳压器的液位设置必要的监测。在陆基压水堆核电站中，一般通过差压法测量稳压器的液位，即通过测量稳压器顶部以及底部的压力差得到水位的高度，这种测量方法可以得到较高的精度。对于船载式反应堆而言，在船舶行驶过程中，船体会产生一定的摇摆或者倾斜，进而导致稳压器水位的倾斜与晃荡，稳压器底部引压头大小会随着船体的倾斜产生变化，进而影响所测水位的准确性，若倾斜的角度过大频率过高，还会引起水位的晃荡，这种晃荡和倾斜可能导致水位调节执行机构以及水位保护机构的误动作，影响反应堆的安全运行。

2 双参考管测量原理

为克服倾斜带来的问题，船用压水堆必须采取相应的措施来减小对测量造成的影响，通过在稳压器内设计一套固定高度的参考管与测量管，在其底部设置差压计，测量管与管之间的压差，并对信号进行运算和处理，最终可以消除倾斜角度对水位测量的影响。

船用核动力装置中采用了双参考管式差压计水位测量系统，如图1所示，并在系统中采用以下措施：

①将所有参考管子安装在稳压器的下封头，从而减少差压计两侧参考管中介质的温度和压力的影响。

②采用了两个参考管和三个差压计构成两个水位测量通道。

③对两个参考管采用了连续补水措施，从而保证参考管总是保持满水状态。

④用除法运算装置，对差压计输出信号进行除法处理，从而克服介质密度或船体摇摆所造成的误差。

图1 稳压器双参考管水位测量装置原理图

三个差压计的测量压差为：

ΔP1和ΔP2是随水位变化而变化的，ΔP则不变，其取决于两个参考管中液柱之差。令I1、I2、I分别为1#、2#、3#差压计输出电流，有：

式中K1、K2、K分别为差压计的转换系数，I1、I2和I分别送两个除法器进行除法运算之后，其输出电流分别为ICF1、ICF2，则有：

图2 差压计变送过程

式中：K'C1=KC1K1/（KΔH）——窄量程水位表系数；K'C2=KC2K2/（KΔH）——宽量程水位表系数。

由式（7）、（8）知：

①仪表C对液面的差（Δh1）范围窄，ICF1称为窄量程测量通道。同理，ICF2为宽量程测量通道。

②由于测量系统对测量信号进行了除法处理，其输出的电流仅与液面差成比例，消除了介质温度、压力变化对水位测量的影响。

③测量系统克服了船摇摆和倾斜对测量的影响。如：当船体倾斜角为α时，三个差压计的差压分别为：

差压计的输出分别为I'1、I'2、I'，经过除法器除法运算后，除法器输出分别为I'CF1、I'CF2，则有：

根据除法器运算可以得出结论，差压计的输出结果不受船体倾斜的影响。

3 参考管、补水管、测量管设计

测量管的布置位于筒体内部中心，宽量程高度为稳压器液位全量程的80%，窄量程高度为稳压器液位全量程的50%。在参考管顶部开设喇叭形孔，便于补水，参考管的上半部分直管段靠稳压器筒体中心线布置，下半部分管道采用弯管以避开电加热器并分别连接至A、B参考管的接管。直管段与弯管段之间的连接采用承插焊方式连接。

补水管布置于稳压器筒体上部，分水平段和2个竖直段；与补水管嘴承插焊，以保证其足够的支承强度。

在筒体下部周向均布3个水位测量接管C1、C2、C3，伸入筒体内部，并在同一标高对称布置了A、B两个参考管。

4 参考管补水水源

为保证机组在正常运行过程中，参考管A、B之间的压差一直维持恒定值，需使参考管内保持不变的液柱高度，在稳压器稳定运行的过程中，其内部一直维持在饱和状态，当出现压力变化的瞬态时，由于喷淋和电加热器的投运，内部介质可能会出现短暂的欠饱和或者过饱和的现象，参考管内的水柱高度也可能发生波动。因此，需采取必要的措施防止水柱高度发生波动，可行的方法是寻找一个补水水源，使参考管一直处于满水状态。

通过分析，该补水水源是否有效，需考虑两个因素的影响：

①尽可能是温度较高的水源，因注入水温差过大会使补水管段产生较大的热应力；②要求流速尽量低，流量尽量小且稳定，只要能使参考管满水即可。

综合上述两个因素，考虑可行的引水区域是在堆芯的出口的热段冷却剂。依靠主泵的循环压头将堆芯出口热冷却剂注入稳压器。但因稳压器为饱和态，注水量若过大会造成稳压器的水过冷影响稳压器运行，水量上限的确定需根据稳压器的瞬态响应计算。通过Flowmaster建模计算补水管路的流体特性，以堆芯出口冷却剂的压力、温度、稳压器汽相压力、温度为边界条件，对补水管的特性参数进行实际模拟，得出计算数据表明补水流速可以达到4～5m/s，流量可以达到0.5m3/h。该流量大小是否合适还需通过实验检验，或者在机组调试阶段进行实际验证。

5 结论

通过本文的分析论证，双参考稳压器水位测量方法能很好地解决船体倾斜摇摆水位虚晃导致的测量精度和准确性降低的问题，确保船用核动力装置的安全运行。

在海洋倾斜摇摆的工况下，船载的大部分水箱或者罐体的水位测量信号稳定性以及准确性都会受到不同程度的影响，使用在稳压器内设置双参考管的水位测量方法同样可以应用在船上其他需精确测量液位的水箱、罐体、冷凝器、蒸发器等，具有较为广阔的应用前景。