核电厂安全壳再循环地坑的液位监测系统配置设计
2020-03-26林国强
林国强
大亚湾核电运营管理有限责任公司 广东 深圳 518124
背景
核电厂的安全注入系统(RIS)和安全壳喷淋系统(EAS)是压水堆核电站的重要专设安全设施,其正常运行能够确保事故工况下堆芯热量的排出和安全壳的完整性,限制事故的发展和减轻事故的后果。核电厂安全壳再循环地坑属于RIS和EAS系统,位于安全壳内,原设计未配置液位监测及报警系统。有必要研究并配置安全壳地坑液位监测及报警系统,对再循环地坑的液位进行连续、准确的监测,实现水位显示与报警功能,以便及时采取补水措施。
1 系统总体方案
为核电厂安全壳再循环地坑配置液位监测系统,分别作为RIS和EAS系统的独立子系统,对RIS和EAS系统的原有功能无影响。
其中,地坑及液位测量仪表(传感器和变送器)位于安全壳内,显示报警仪和补水阀门均设置在燃料厂房(辐射绿区),方便运行人员监视和进行补水操作。同时,液位低、液位低低报警信号送至主控室的数据集中处理系统(KIT)。
在机组正常运行期间,液位监测系统对地坑液位进行连续、准确的监测,实现水位显示与报警功能,为地坑的手动补水提供监测手段;在事故工况再循环阶段,地坑已经处于淹没状态,液位监测系统不要求可用。
2 系统配置设计过程
2.1 仪表选型设计
2.1.1 设备分级 新增系统主要用于机组日常运行期间地坑液位的监测,以便及时采取补水措施,保证再循环起始阶段地坑有一定的水位,不直接执行核安全功能,在事故情况下不要求可用。而且,作为独立的子系统,与RIS和EAS系统没有直接关联或管线连接。
鉴于以上原因,地坑水位计选型采用非核级设备,其制造和设计按非核级规范和标准中较高的要求执行,应具有较高的可靠性。
2.1.2 关键技术参数 根据液位监测系统的功能要求,考虑正常运行工况下的环境条件,确定液位监测仪表的性能要求和关键技术参数如下:
1)工作介质:硼酸水(硼酸浓度0~7000pp m);
2)工作环境:正常运行压力:96-110k Pa,温度:0~55℃;
3)液位量程:-4.0~-3.5 m;
4)测量范围内最大允许误差不大于±5 mm,响应时间<50 ms;
5)重复性标准差应小于最大允许误差0.5倍;
6)传感器由显示报警仪供电。
2.1.3 仪表选型设计 目前,较为常用的液位测量方式方法有静压式、浮力式、电气式、超声波、导波雷达、射线式物位检测等。
浮力式液位测量仪表内部有浮动机械部件,且现场地坑会定期进行补水操作,考虑到浮动部件的存在,由于地坑中是含硼水,一旦发生硼结晶有可能造成浮动部件发生卡涩,影响正常测量,因此不适于地坑液位测量。
电气式(电节点式)液位测量仪表没有机械可动部件,结构简单,无需进行误差计算与调整,具有良好的稳定性,目前在火电厂水位测量中大量使用。根据其测量原理及特点,可以在反应堆地坑环境实现实时、精确测量,可以用于地坑液位测量,但无法实现连续测量。
超声波液位测量仪表测量探头的结构复杂,且在高温、潮湿环境使用可靠性不高,测试容易有盲区,一旦发生故障检修难度大,目前在核电站系统使用较少,不适于地坑液位测量。
导波雷达液位测量仪表采用非接触式测量,不受槽内液体的密度、浓度等物理特性的影响。但其电子元件结构复杂,价格昂贵,对安装位置有一定的要求,且仪表需要设置的参数较多,检修难度大,目前在核电站反应堆厂房系统使用较少,不适于地坑液位测量。
射线式物位检测仪表电子元件结构复杂,价格昂贵,对安装位置有一定的要求,不适合放射性环境的地坑液位测量。
根据上述分析,地坑液位测量拟选用静压式液位测量仪表,并根据地坑尺寸及现场条件设计相应的支承固定装置、信号显示及报警系统。
罗斯蒙特公司的3051+1199仪表采用浸入式测量方式,符合设计要求。其中,传感器部分(1199)能够承受高温、高压及辐照环境下的正常使用要求,采用接触式测量直接深入地坑水池中,变送器(3051)和传感器之间通过毛细管连接,毛细管为不锈钢材质,外壳及内部介质具有良好的稳定性。
2.2 仪表安装布置设计 安全壳再循环地坑安装有过滤器,过滤器将地坑完全遮盖,使地坑成为封闭式结构,移除过滤器后的地坑结构及立管结构如图1所示。
图1 安全壳再循环地坑现场环境
2.2.1 总体布置设计 安全壳再循环地坑液位仪表的安装布置如图2所示,包括三个部分,即变送器、毛细管和传感器。
图2 安全壳再循环地坑液位仪表安装示意图
1)变送器:安装在环廊内侧墙壁上,采用膨胀螺栓固定。
2)毛细管:用于连接变送器及传感器。在环廊墙面部分,采用槽架进行保护;在环廊地面部分,通过在地面开槽且上面覆盖不锈钢板进行保护,毛细管穿过过滤器基座和地坑外水泥地面交界处进入地坑,并对凹槽和不锈钢盖板进行涂漆、密封处理。
3)传感器:安装于地坑内的支撑筒中,通过支撑筒固定在地坑侧面墙壁面上。
2.2.2 传感器安装设计 传感器安装于支撑筒内,支撑筒通过其背板上的膨胀螺栓固定在地坑侧面墙壁上,安装位置尽量远离地坑吸水口,便于安装及检修。
支撑筒结构采用不锈钢材料,筒上开有多个圆孔,使地坑水能够进入支撑筒实现液位的实时测量。支撑筒设计能够保证在地震载荷下保证其结构完整性,避免出现部件掉落进入地坑吸水口的情况。
2.3 液位显示与报警设计 液位监测系统将实时液位信息、报警信息送至燃料厂房的显示报警仪和控制室,报警信息包括液位低低、液位低、液位高报警。
液位低低报警触发时,需要尽快对地坑进行补水;液位低为预报警信号,说明地坑有补水需求,需要准备近期补水;液位高报警触发时,停止对地坑进行补水。
2.3.1 液位低低报警定值设计 根据RIS和EAS泵最大汽蚀裕量(NPSH)、安全壳隔离阀锅炉效应评估情况,以及地坑水含硼量等确定地坑安全液位,然后结合地坑安全液位及现场情况,确定液位低报警定值。
1)泵最大汽蚀裕量。根据计算,若要给RIS和EAS泵提供足够的NPSH,EAS泵需在机组日常运行过程中保证地坑液位不低于-5.3 m 标高,RIS泵需在机组日常运行过程中保证地坑液位不低于-5.5 m 标高。
2)安全壳隔离阀锅炉效应。根据分析,与贯穿件的标高相同或更高的安全壳隔离闸阀可能会有锅炉效应的风险,比贯穿件低的闸阀只要“距离L大于2D,则比贯穿件的位置低的安全壳隔离闸阀不会产生锅炉效应”,因此,地坑RIS和EAS泵吸入管线液位若高于-5.2 m,就不会产生锅炉效应。
3)地坑水含硼量及硼结晶的影响。考虑地坑水蒸发、硼结晶及补水时间等因素,地坑及相关管线硼浓度不能过高,否则会出现硼结晶风险,因此,需要保证地坑中有足够的水装量。根据计算,若要保证地坑水不发生硼结晶现象(非安全相关要求),机组运行期间最低液位应大于-3.95 m,若要保证地坑吸水管不发生硼结晶现象,机组运行期间最低液位应大于-6.1 m。
综合考虑以上因素,地坑液位值应大于-3.95 m。考虑到地坑吸水管的存在,当地坑液位低于吸水管口时,则无法监测地坑吸水管内的液位变化,地坑吸入管口标高为-3.70 m,为了使最低液位能够淹没吸水管线,地坑液位低低报警定值可以取-3.70 m。
2.3.2 液位高报警定值设计 补水需要将地坑补满水,地坑坑口标高-3.50 m,为了避免补水过多溢出地坑,液位高报警信号取-3.58 m,即地坑液位达到-3.58 m 即刻停止注水。
2.3.3 液位低报警定值设计 地坑液位低报警信号用于预报警。
根据历史数据,地坑液位在2个月时间内会下降6~7c m 高度,液位会从-3.58 m 降至-3.64~-3.65 m,取预报警液位为-3.62m,若地坑液位降低到该预报警水位,则需要做好补水准备,在下一个补水窗口时间(定期试验)进行补水操作,或达到低低液位时尽快进行补水操作。
根据以上分析,并结合液位监测仪表测量范围,液位报警定值如表1所示。
表1 地坑液位报警定值
3 结论
选用合适的液位测量仪表,为核电厂安全壳再循环地坑配置液位监测系统,对再循环地坑的液位进行连续、准确的监测,实现水位显示与报警功能,以便及时采取补水措施,保证再循环泵的最大汽蚀裕量、避免安全壳隔离阀的锅炉效应、避免地坑水发生硼结晶现象,进而消除由此导致的再循环功能失效、堆芯和安全壳丧失冷却功能的风险,保障电厂安全运行。