基于熱擴(kuò)散原理的壓力容器水位測量系統(tǒng)設(shè)計

徐思捷 王雪梅 吳茜 呂鑫 朱毖微

【摘 要】為實現(xiàn)核動力裝置事故后壓力容器水位監(jiān)測，設(shè)計了基于熱擴(kuò)散式水位探測器的壓力容器水位測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由熱擴(kuò)散式水位探測器和信號處理機(jī)柜構(gòu)成。熱擴(kuò)散式水位探測器測量關(guān)鍵點水位，信號處理機(jī)柜采集探測器信號，并為探測器提供加熱電流，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷水位測點情況，顯示液位情況并發(fā)出報警信號。系統(tǒng)具有測量直觀，信號處理簡單等特點，能提高核動力裝置的安全性和可靠性。

【關(guān)鍵詞】熱擴(kuò)散；水位測量；系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號： TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）27-0025-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.011

【Abstract】For monitoring the water-level of pressure vessel of nuclear-power device after accident， this paper designs a pressure vessel water-level measurement system based on heat diffusion theory. The system includes the heat diffusion water-level detector and the signal management cabinet. The heat diffusion water-level detector measures the key-point water level. The signal management cabinet collects and manages the detectors signal， provides current for the heater of detector， judges the water-level measurement points situation by analyzing data， displays water-level situation and alarms for the operators. The system characters direct measurement and easy signal management， improves the safety and reliability of the nuclear-power device.

【Key words】Heat Diffusion； Water-Level Measurement； System Design

0 前言

反應(yīng)堆壓力容器水位測量在反應(yīng)堆中對嚴(yán)重事故緩解后果有著重要影響。傳統(tǒng)的反應(yīng)堆測量系統(tǒng)中，操縱員在事故發(fā)生時無法得到反應(yīng)堆壓力容器直接的、真實的水位，在缺乏堆芯水位測量時，操縱員只能穩(wěn)壓器水位測量進(jìn)行判斷。但在三哩島事故發(fā)生時，當(dāng)操縱員看到穩(wěn)壓器有水位顯示，就認(rèn)為堆芯處于完全淹沒狀態(tài)，而沒有意識到反應(yīng)堆壓力容器里蒸汽的存在。在三哩島事故過后，美國NRC要求所有的反應(yīng)堆必須設(shè)置反應(yīng)堆壓力容器水位測量系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的壓力容器水位測量系統(tǒng)基于差壓法，其需要在反應(yīng)堆底部開孔取壓，并且信號處理復(fù)雜，需要外部信號較多，測量不夠直觀。

基于熱擴(kuò)散原理設(shè)計壓力容器水位測量，對事故后關(guān)鍵點水位進(jìn)行監(jiān)測，測量準(zhǔn)確直觀，信號處理較為簡單。

1 系統(tǒng)需求

水位測量系統(tǒng)作為事故后監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，主要功能需求是判斷事故后壓力容器內(nèi)4個關(guān)鍵點水位，并對操縱員進(jìn)行報警。根據(jù)系統(tǒng)需求，水位測量系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)重點考慮以下幾點：

（1）由于系統(tǒng)主要用于事故后監(jiān)測，必須在事故后的工況和環(huán)境條件下工作；

（2）快速準(zhǔn)確地判斷關(guān)鍵點水位；

（3）系統(tǒng)應(yīng)便于調(diào)試和維修；

（4）系統(tǒng)元件的可靠性；

（5）滿足其他設(shè)計準(zhǔn)則的要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如1所示。

水位測量系統(tǒng)由熱擴(kuò)散式水位探測器、電氣連接件、信號處理機(jī)柜和上位機(jī)組成。為了滿足安全性和可用性要求，水位測量系統(tǒng)采用冗余設(shè)計，設(shè)置A、B兩個測量系列，每個系列獨(dú)立對4個關(guān)鍵點水位進(jìn)行監(jiān)測，任何一個系列故障不影響另一個系列的正常運(yùn)行。

2.1 熱擴(kuò)散式水位探測器

熱擴(kuò)散式水位探測器基于熱擴(kuò)散原理，利用水、水蒸氣熱導(dǎo)率較大的差異來判斷水位測點是否被水淹沒從而測量壓力容器內(nèi)指定高度點的水位[1]。水位探測器組件從壓力容器頂蓋垂直插入至壓力容器內(nèi)指定高度點，水位探測器組件通過密封裝置與壓力容器頂蓋實現(xiàn)密封。水位探測器組件輸出信號和電加熱器供電信號通過電連接器，經(jīng)電纜傳輸至信號處理機(jī)柜，信號處理機(jī)柜為電加熱器提供加熱電流，并計算主動端熱電偶和參考端熱電偶之間的溫差從而判斷水位測點是否被水淹沒。

每個水位探測器含有兩個測點，根據(jù)測點的位置不同分為Ⅰ型和Ⅱ型，每個測量系列包含2支不同類型的探測器組件。為減少水位測量系統(tǒng)二次儀表部分的干擾，探測器采用絕緣型，熱電偶與探測器外殼之間采用MgO進(jìn)行填充。

水位探測器通過堆芯測量密封機(jī)構(gòu)固定在壓力容器上部，插入壓力容器內(nèi)有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，并在探測器底部進(jìn)行徑向限位。

探測器組件需監(jiān)測事故后水位，為保證探測器能在壓力容器事故后工況下工作，探測器包括其電氣連接器和連接電纜，都需要按照環(huán)境條件要求進(jìn)行正常工況下和事故后工況下的鑒定試驗，電氣連接器和連接電纜應(yīng)滿足K1類鑒定要求。

2.2 信號處理機(jī)柜

信號處理機(jī)柜也分為A列和B列，A列機(jī)柜包括1臺顯示和輸出機(jī)箱，1臺信號采集處理機(jī)箱和1臺電源機(jī)箱。B列機(jī)柜包括1臺信號采集處理機(jī)箱和1臺電源機(jī)箱。A列機(jī)柜的顯示和輸出機(jī)箱同時顯示A、B列數(shù)據(jù)。

信號采集處理機(jī)箱包含溫度采集單元、CAN通訊單元、控制器單元、開關(guān)量輸出單元、模擬量輸出單元和電源單元。溫度采集單元用于采集水位探測器的熱電偶信號和Pt100鉑電阻信號，每個探測器共4路熱電偶信號以及1路Pt100溫度信號。控制器單元根據(jù)采集到的溫度信號，判斷關(guān)鍵點是否被淹沒，并向開關(guān)量輸出單元輸出；同時，控制器單元還需要根據(jù)預(yù)定的程序計算出加熱電流，并向電源機(jī)柜輸出控制信號。信號采集處理機(jī)箱的數(shù)據(jù)通過CAN通訊單元傳輸?shù)斤@示和輸出單元。

電源機(jī)箱需要為本列機(jī)柜提供220V供電電源，同時需要為2個探測器提供加熱電源。電源機(jī)箱上設(shè)置斷路器，實現(xiàn)整個機(jī)柜電源的保護(hù)。機(jī)箱內(nèi)部設(shè)置EMC濾波器用于輸入電源濾波。加熱電源需要具備的特性如下：

-輸出電壓：0V-48V

-輸出電流：0A-2.1A；

-調(diào)節(jié)方式：4mA-20mA對應(yīng)0A-2.1A輸出電流。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 加熱電流計算

系統(tǒng)對加熱電流的計算主要依據(jù)水位探測器供應(yīng)商提供的各個溫度平臺與加熱電流的對應(yīng)關(guān)系，插值計算得到當(dāng)前溫度平臺下所需的加熱電流。

3.2 水位判斷

系統(tǒng)是通過水位測點主動端熱電偶與參考端熱電偶的差值是否達(dá)到閾值來判斷水位測點是否浸沒在水中。閾值的確定包括兩個方面的因素：一是各個溫度平臺下，主被動端熱電偶都在水中時的實際溫差，主要是通過供應(yīng)商提供的各個溫度平臺和每個測點的實際溫差的對應(yīng)關(guān)系，插值計算得到；二是當(dāng)水位下降，主動端熱電偶暴露在空氣中，主動端熱電偶和參考端熱電偶的溫差的變化值，由于在水位下降時，溫度需要很長時間才能達(dá)到穩(wěn)定，為提高響應(yīng)時間，通過對探測器的標(biāo)定，選取溫差變化超過某一閾值即判定水位測點露出水面。二者相加得到當(dāng)前溫度平臺下的閾值。

3.3 數(shù)據(jù)可用性檢查

系統(tǒng)在開始運(yùn)行時對所有模擬量信號進(jìn)行電氣量程檢查，如果信號超出量程范圍，則認(rèn)為該路信號不可用。在運(yùn)行過程中，對所有熱電偶進(jìn)行在線監(jiān)測，如熱點偶出現(xiàn)斷線，則溫度會超出量程范圍，此時發(fā)出報警信號，并且該路信號再后續(xù)處理中將被剔除。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)壓力容器事故后水位監(jiān)測需求，完成了基于熱擴(kuò)散式的壓力容器水位測量系統(tǒng)的設(shè)計，相對于以前的水位測量系統(tǒng)，信號處理簡單，不需其他外部信號，提高了核動力裝置的安全性和可靠性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]喬弘，田亮，電熱式液位計設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2003，11：12-15.

[2]孫炯，查美生，鎧裝旁熱式熱電偶水位傳感器的實驗研究[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2012，2：8-16.