某工程试验堆乏燃料水池液位计仪表选型

  液位测量作为工业生产中重要的参数之一, 为自动调节和控制整个生产过程提供了重要、、可靠的基本信息。在核工程领域, 液位测量仪表作为重要的测量仪表, 对其选型提出了较高要求。本文以某工程试验堆为背景, 对乏燃料水池的液位检测仪表选型进行研究, 与核电站乏燃料水池的液位检测仪表进行对比和分析, 通过对仪表的性能参数、经济等方面进行比较, 选择出更适合本工程的液位仪表。

  当反应堆卸料后, 将乏燃料组件贮存在乏燃料水池中。为了满足在地震条件下能够对乏燃料水池液位的监测, 需要针对乏燃料水池特点设置液位检测仪表。目前在役的M310堆型的核电厂原有设计中对液位的检测仪表均为非安全级、无抗震要求设备, 作为改进项而新补充的液位检测仪表与新建ACP1000核电站所采用的检测方法也不尽相同。因此根据堆运行特点, 从仪表的性能、可靠性、经济型等方面找到合适于本工程试验堆乏燃料水池液位检测的液位仪表, 是本工程液位仪表选型的重点和难点。

  在工业生产过程中, 用于液位测量的方法很多, 下面介绍几种常用的液位测量仪表。差压式测量原理是通过计算液位顶部与底部差压。主要包括压力式液位计、差压式液位 (或界面) 计、吹气法压力式液位计等。浮力平衡式测量原理是通过检测漂浮在液面的浮子或沉浸在液体中的浮筒的位移。主要包括:浮子式液位计、伺服型浮子液位计、浮筒液位计、磁翻板液位计等。

  电气式测量原理是利用被测介质不同的电气性能来实现对液位的测量。此类仪表主要包括以下几种:超声波式测量原理利用超声波碰到液面 (界面) 产生反射机械波的原理, 测出发射和反射的时间差, 从而计算出液面高度。该类仪表发出的是机械波, 因此在真空环境下, 无法使用该类仪表。同时在选型及安装时需要注意超声波液位计的测量盲区, 不能与容器壁及其他能反射声波的构建接触, 降低准确性。

  雷达式测量原理是通过向被测一面发射电磁波, 计算电磁波与发射的时间差, 从而计算出液面高度。该类仪表可用于具有放射性、腐蚀性、易燃、易爆等介质的液位测量, 由于雷达式液位计产生电磁波, 因此可以用在真空环境下的液位测量[1]。

  在反应堆换料期间, 乏燃料组件暂存在乏燃料水池, 并且冷却回路持续运行, 将衰变热排出。乏燃料水池内温度不高于40℃。正常工况下, 水池温度≤40℃, 池水蒸发速率约为1.6kg/ (h.m2) , 不考虑水池泄漏和其他水量损失, 池水从高水位蒸发至低水位所用时间约为250h, 从低水位蒸发至低低水位所需时间约为125h, 当达到低低水位时, 运行人员应尽快手动向水池补水。乏燃料水池液位检测示意图见图1所示。

图1 乏燃料水池液位检测示意图

  日本福岛核事故发生后, 加强对乏燃料水池的各种状态的实时监测, 以提示操纵员进行相关操作。对于其液位测量仪表有以下要求:, 设备安全分级:NC+ (满足抗震以及运行期间环境的要求) 。第二, 运行期间环境:池水中, 温度:0~133.5℃;大气压力:0.1~100KPa;辐照剂量率:≤2.3k Gy/h (-1.0m) 。第三, 在乏燃料水池液位测量中, 测量范围为 (-1.0m~4.65m) , 辐照按照燃料组件不裸露进行考虑, 仪表要求具有抗震功能。

  目前, 可以实现连续测量液位计比如超声波、吹气法或浮球式等都无法满足乏燃料水池水位检测功能的要求, 只能选择安全级液位仪表, 如核级静压式液位变送器、导波雷达液位计、热扩散式液位变送器、核级压力变送器/核级差压变送器。

  (1) 静压式液位变送器。例如Baumer ED752核级静压式液位变送器, 该仪表安全等级为1E级, 质量鉴定为K3类, 由于该液位变送器无法满足耐辐照要求, 因此在乏燃料水池的液位检测中, 该仪表不适用。

  (2) 导波雷达液位计。采用分体式安装的杆式导波雷达如VEGA FX61, 对水池液位进行连续量测量。该仪表安全等级为NC级, 结构抗震。该仪表基于电磁波的时域反射原理, 能够用于对乏池等水池液位连续测量, 受环境影响小, 测量精度高, 不需要进行现场校验, 也不需要通过迁移来改变仪表量程;安装在水池侧壁, 便于现场检修维护。目前导波雷达液位计无法做到功能抗震, 在地震条件下, 该仪表的输出信号不可靠。该设备已通过抗震鉴定 (结构抗震) , 其测量范围为660mm, 无法覆盖本工程要求的测量范围 (测量范围5.65m) 。

  (3) 热扩散式液位传感器。由一组加热的热电阻和一组常温的热电阻组成, 利用液体与空气的导热系数差的原理进行液位测量。为了补偿环境温度对于测量的影响, 需设置补偿电阻。

  FCI-86连续液位监测仪表, 该仪表包括传感器和变送器两部分, 分体安装。该仪表安全等级为1E级, 传感器为K1类, 变送器为K3类, 精度为±100mm。该仪表可以实现乏燃料水池水位的连续检测。

图2 热扩散式液位传感器安装示意图

  (4) 核级压力变送器。对于核级压力/差压变送器主要采用电容式变送器例如Rosemount 1154DP系列, 一侧带远传装置一侧带T型或C型接头, 或者两侧均带远传装置。当被测介质的压力通过引压管或远传毛细管将传导至感压膜片上, 利用膜片之间的位移, 感压膜片和两电容极板之间的电容差经测量电路转换为统一的标准信号输出。该仪表可以在某工程实验堆工程抗震要求的条件下工作;测量范围也能够覆盖工艺专业提出要求。该仪表具备以下特点:液位变送器具有核级鉴定报告, 并且具有国内核电站的运用业绩;液位仪表寿命至少10年以上, 液位仪表稳定性较好, 可在较长周期内免校验。由于考虑到设备的抗震性能, 因此在安装支架的做法上, 在乏燃料水池钢敷面预埋钢板, 将套管焊接在预埋板上进行固定。变送器的远传法兰通过螺母连接至套管的底部。

  结合本工程的特殊性, 经过各个方面的综合比较, 本工程乏燃料水池的液位测量采用远传式毛细管压力变送器。上述原理液位选型对比见表1所示。

表1 液位选型对比表

  针对本工程乏燃料水池的液位检测要求, 对几种具有代表型非核级和核级液位仪表的选型研究和设计。通过对各种液位检测仪表的各个方面的比较, 优化了乏燃料水池的液位检测仪表选型设计为后续相关工程的乏燃料水池液位检测仪表选型方案提供了借鉴经验。