核电站反应堆冷却剂系统充排水期间水位监测及优化

摘要：核电站反应堆冷却剂系统采用多台变送器测量卸压模式下的反应堆冷却剂系统水位，保证了主控室操纵员能在充排水期间连续监测从稳压器顶部至主管道底部的水位。现介绍某核电站水位监测的偏差情况，对偏差原因进行分析并提出纠正措施，可供其他同类型核电站借鉴。

关键词：核电站;水位监测;压力容器;优化

1 反應堆冷却剂系统水位计介绍

核电站采用多台变送器测量反应堆冷却剂系统水位，有RCP007/008/011MN、RCP012/098MN、RCP090/091/092/

093/094/095MN，正常运行期间，RCP007/008/011MN测量稳压器水位参与反应堆保护，RCP092/093MN主要用于失水事故等工况。

本文主要介绍用于冷态一回路充排水期间的RCP012/

098/090/091/300MN。如图1所示，4台变送器量程相互重合，测量不同阶段水位，保证卸压模式下主控室操纵员能在RCP充排水期间连续监测从稳压器顶部至主管道底部的水位，用以跟踪RCP充排水过程中反应堆水池和稳压器波动管线水位的变化，同时也保证稳压器水位测量的部分冗余度。

1.1    RCP012MN

差压变送器测量稳压器水位，测量范围为13.6～23.4 m。

1.2    RCP098MN

差压变送器测量稳压器水位，量程范围达到了8.7～20 m。在充排水期间，RCP098MN实际上是最主要的一个水位监测表。它安装在核岛5 m的环廊里，其正压侧接在二环路的热管段，标高8.7 m;负压侧接参考液柱，平衡罐接在稳压器顶部，标高23.416 m。

1.3    RCP090/091MN

压力容器窄量程水位计的测量范围是8.5～13.35 m，但实际上RCP090/091MN的可测量范围比8.5～13.35 m要宽得多，按安装测量图推算，在反应堆水池为40 ℃、环境为28 ℃、上膜盒一直对空的情况下，它可以测量2.08～17.52 m的水位，实际使用时仅将RCP090/091MN的可测量范围区间截取了一段进行精准显示，从而形成了窄量程的水位测量。一回路水位高于10.68 m时触发“法兰面高高水位”报警;一回路水位低于10.21 m时触发“法兰面低水位”报警。为确保安全，反应堆开关盖期间，水位必须控制在10.21～10.68 m。

RCP090/091MN有3种测量模式，分别是：反应堆正常运行模式、反应堆卸压模式、反应堆卸压开盖模式。

（1）反应堆正常运行模式：一回路满水，稳压器汽腔建立，压力15.5 MPa，用于事故工况下监测一回路，信号送至堆芯水位监测系统。

（2）反应堆卸压模式：一回路卸压，排水至13.1 m时，RCP090/091MN上取压管通过压力容器排气软管与稳压器连通，用于测量卸压工况下一回路水位。

（3）反应堆卸压开盖模式：反应堆大盖吊走后，上取压管线及隔离阀被拆除，为使换料水池充水，上取压管靠堆腔侧用盲板堵住，将RCP090/091MN隔离膜盒排气堵头打开对大气。

下面以一次完整的大修中的充排水过程为例介绍RCP090/091MN的模式转换：

（1）反应堆正常运行。RCP090MN处于反应堆正常运行模式，由堆芯水位监测系统接收RCP090/091/092/093/

094/095MN的信号进行处理，得到事故工况下反应堆的水位情况。

（2）反应堆进行卸压。一回路进行排水，至13.35 m时，RCP090/091MN的上取压管自动对空，从反应堆正常运行模式转换到反应堆卸压模式。

（3）排水至10.5 m。

（4）拆掉RCP090/091MN在堆坑中的取压管线及隔离阀，并在RCP090/091MN的取压管到堆坑壁上加装盲板（堵头）。

（5）将RCP090/091MN上膜盒的取压侧堵头拧松，使之对大气，完成反应堆卸压模式到反应堆卸压开盖模式的转换。

（6）开始充水至19.5 m进行换料，其间RCP090/091MN处于反应堆卸压开盖模式。

（7）换料完毕，排水至10.5 m。回装大盖，拆卸盲板、回装隔离阀和取压管线。为使水位计可用，将RCP090/091MN上膜盒的取压侧堵头拧紧，将其置于反应堆卸压模式。

（8）一回路进行充水，水位上升至14 m左右，进行RCP090/091/092/093MN取压管线充水排气，由反应堆卸压模式转换到反应堆运行模式。

（9）水位继续上升一直到并网后，RCP090MN处于反应堆运行模式。

1.4    RCP300MN

RCP300MN是超声波水位计，安装在三环路热管段，用来在RRA处于MLO（MID LOOP OPERATION，半管运行）时监测水位，测量范围8.55～9.29 m。

从上述仪表的安装可以看出，RCP090/091MN有一些特殊，正常运行时，其负压侧连接压力容器顶部;当反应堆开盖时，其负压侧需要对空。在开关盖状态转换时，若内外压力存在偏差，会导致水位变化。

2 充排水期间反应堆冷却剂系统水位计的使用

在反应堆冷却剂系统不同水位期间需重点关注的水位计不同，如图2所示。

2.1    下行排水期间的水位监测

当完成一个周期的功率运行后，机组开始下行卸料，在卸料前将反应堆冷却剂系统排水至法兰面（RCP090/091MN处于10.21～10.68 m），打开压力容器大盖，依次查看RCP012MN、RCP098MN、RCP090/091MN。

在反应堆压力容器大盖打开前的排水过程中，由于重力排水时，压力容器顶部会形成负压，为避免压力容器顶部负压对排水带来的影响，一般使用软管将压力容器顶部和稳压器顶部相连，同时使用压缩空气对其进行加压排水（压缩空气经稳压器顶部管线再通过RCP640VP处注入压缩空气）。排水到目标水位后，需要使用风机通过RCP640VP抽气，让压力容器顶部形成微负压。

在排水過程中，稳压器和压力容器之间的管线堵塞会对排水过程造成很大的影响。

2.2    上行充水期间的水位监测

在完成对核燃料的装载后，需要先将反应堆冷却剂系统排水至法兰面（RCP090/091MN处于10.21～10.68 m）;然后扣压力容器大盖，最后一回路充水至满水，整个过程中需先后关注RCP090/091MN、RCP098MN、RCP012MN。

在RCP090/091MN量程范围内的充水过程中，因为扣盖后的压力容器与稳压器不再是一个连通器，RCP090/091MN与RCP098MN之间偏差逐渐增大，随着水位的上升，压力容器顶部的气体被压缩，压力变大，水位变小，如式（1）所示：

P压力容器+ρgH压力容器=P稳压器+ρgH稳压器 （1）

最终，通过静排气和动排气将压力容器中的水充满。

3 当前水位计使用中遇到的问题

在排水过程中，稳压器和压力容器之间的管线堵塞会对排水过程造成很大的影响，RCP640VP、RPE110VP在线后，此时稳压器排气管线也已经在线，如图3所示。此时，压力容器与稳压器连通，RCP090/098MN水位指示具有可比性。此时不同的管段出现堵塞，对RCP090MN指示来说会出现不同的现象。为便于问题说明，将管段分为如图3所示的三段：AB、BC、BD，下面针对这三段分别进行分析。

3.1    BD段堵塞

在BD段堵塞、其他管段正常的情况下，压力容器上方与稳压器上方连通并对大气，此时压力容器可正常排水。由于BD段管某处有堵，其结果是：RCP090MN负压侧膜盒所受的气压不等于压力容器上方的气压，变送器两端所受到的差压如下：

ΔP=（P0+-P0-）+ρwg（H+1.3）-14.65ρcg（2）

因此，BD段堵塞，变送器的输出仍然会随着水位发生变化，但其输出与实际水位存在一个固定的偏差，将RCP090MN置于卸压开盖模式后，（P0+-P0-）项偏差等于0，RCP090MN的指示等于实际水位。从实际排水情况看，排水过程RCP090MN指示下降一段后基本不变，可以排除BD管段堵塞的可能。每次大修一回路充水后，均对BD段使用除盐水冲洗，防止硼结晶。

3.2    BC段堵塞

压力容器在排水前处于满水状态，当开始排水时，由于BC段的堵塞，压力容器上方属于一个密闭的环境，排水的过程就相当于一个抽真空的过程。排水到一定的程度，压力容器中的水将不再排出，维持一定的水位，此时压力容器上方与稳压器上方没有连通，RCP098MN并不能反映压力容器内的水位。在继续排水过程中，RCP090MN水位指示将维持不变，RCP098MN反映的仅是稳压器内的水位。此时如果将RCP090MN置于卸压开盖模式，由于BC段堵塞，大气压仍不能通过DBC进入压力容器内，因此，BC段堵塞，将造成压力容器内的水不能排出，RCP090MN输出维持不变，即使将RCP090MN置于卸压开盖模式，仍不能使压力容器的水位排出，RCP090MN输出反映稳压器水位。该种情况有可能。

3.3    AB段堵塞

如果AB段某处有堵塞，其现象基本与BC段堵塞相同，唯一不同的是，将RCP090MN置于卸压开盖模式时，大气压通过DBC段管道进入压力容器，压力容器内的水可以在重力作用下排出，此时RCP090MN的输出将会随着水位的变化而变化。因此，AB段堵塞，将造成压力容器内的水不能排出，RCP090MN输出维持不变，将RCP090MN置于卸压开盖模式后，压力容器内的水可以正常排出，RCP090MN输出随水位变化而变化。该种情况可能性较大。

从以上分析可知，反应堆冷却剂系统充排水过程中RCP090/098MN水位测量出现偏差的根本原因为压力容器排气管线AB段或BC段存在堵塞。同时也容易理解，不管堵塞是否存在，两者测量的水位均是可信的，两个水位计测量出现偏差是因为两个容器不再是连通器，真实水位不再相同，RCP090MN反映压力容器实际水位，RCP098MN反映稳压器水位。

4 下行排水期间的水位监测的优化

加压排水时让压力容器顶部形成正压（超过大气压力），抽气时让压力容器顶部形成微负压（低于大气压力），看起来似乎很完美，但在实际操作时有时却会存在偏差。由于RCP640VP与压缩空气或者抽风机之间连接的软管又细又长，很难避免弯曲、水封等造成管道传压不畅的情况，这个时候压力容器顶部到底是正压还是微负压就属于未知数。如果开盖前压力容器顶部是正压（抽气时管线不畅），开盖时就会导致水位上涨;如果开盖前压力容器顶部形成较大负压（排水过快或者加压排水时加压管线不畅），开盖时会导致水位下降，可能会超出报警水位;理想的情况是开盖前压力容器顶部形成微负压，开盖时水位微降。

按照当前的模式，无法准确知悉开盖前压力容器顶部压力情况，可能会在开盖时造成水位的异常变化，导致水位高于10.68 m触发“法兰面高高水位”报警，或者水位低于10.21 m触发“法兰面低水位”报警的风险。

为解决该问题，提出在排水过程中在压力容器顶部安装压力表监测压力容器顶部压力的方法：排水期间，通过三通接口在RCP640VP下游接入压力表，监测压力容器顶部与反应堆厂房大气之间的差压，控制差压在-1～0 kPa（使得开盖后水位变化在10 cm，同时维持负压，防止放射性气体外泄）。该方法经过大修的实践，效果非常好，有效地避免了开盖前后水位的超预期变化。

5 结语

核电站使用多个仪表监测一回路水位，确保水装量满足要求，确保堆芯得到充分冷却。在各种模式转换，特别是压力容器开关大盖时，水位监测存在风险薄弱点，本项目通过一个小的优化改进，监测压力容器顶部和环境大气的差压，较好地解决了压力容器开关大盖时水位异常变化的风险，提高了安全性。

[参考文献]

[1] 广东核电培训中心.900 MW压水堆核电站系统与设备[M].北京：原子能出版社，2005.

收稿日期：2021-02-26

作者简介：张皓云（1987—），男，四川大英人，工程师，研究方向：仪表控制。