核電廠安全殼再循環(huán)地坑的液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)

林國(guó)強(qiáng)

大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司 廣東 深圳 518124

背景

核電廠的安全注入系統(tǒng)(RIS)和安全殼噴淋系統(tǒng)(EAS)是壓水堆核電站的重要專設(shè)安全設(shè)施，其正常運(yùn)行能夠確保事故工況下堆芯熱量的排出和安全殼的完整性，限制事故的發(fā)展和減輕事故的后果。核電廠安全殼再循環(huán)地坑屬于RIS和EAS系統(tǒng)，位于安全殼內(nèi)，原設(shè)計(jì)未配置液位監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)。有必要研究并配置安全殼地坑液位監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)再循環(huán)地坑的液位進(jìn)行連續(xù)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)水位顯示與報(bào)警功能，以便及時(shí)采取補(bǔ)水措施。

1 系統(tǒng)總體方案

為核電廠安全殼再循環(huán)地坑配置液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分別作為RIS和EAS系統(tǒng)的獨(dú)立子系統(tǒng)，對(duì)RIS和EAS系統(tǒng)的原有功能無(wú)影響。

其中，地坑及液位測(cè)量?jī)x表(傳感器和變送器)位于安全殼內(nèi)，顯示報(bào)警儀和補(bǔ)水閥門均設(shè)置在燃料廠房(輻射綠區(qū))，方便運(yùn)行人員監(jiān)視和進(jìn)行補(bǔ)水操作。同時(shí)，液位低、液位低低報(bào)警信號(hào)送至主控室的數(shù)據(jù)集中處理系統(tǒng)(KIT)。

在機(jī)組正常運(yùn)行期間，液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)地坑液位進(jìn)行連續(xù)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)水位顯示與報(bào)警功能，為地坑的手動(dòng)補(bǔ)水提供監(jiān)測(cè)手段；在事故工況再循環(huán)階段，地坑已經(jīng)處于淹沒(méi)狀態(tài)，液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不要求可用。

2 系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 儀表選型設(shè)計(jì)

2.1.1 設(shè)備分級(jí) 新增系統(tǒng)主要用于機(jī)組日常運(yùn)行期間地坑液位的監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)采取補(bǔ)水措施，保證再循環(huán)起始階段地坑有一定的水位，不直接執(zhí)行核安全功能，在事故情況下不要求可用。而且，作為獨(dú)立的子系統(tǒng)，與RIS和EAS系統(tǒng)沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)或管線連接。

鑒于以上原因，地坑水位計(jì)選型采用非核級(jí)設(shè)備，其制造和設(shè)計(jì)按非核級(jí)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中較高的要求執(zhí)行，應(yīng)具有較高的可靠性。

2.1.2 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù) 根據(jù)液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能要求，考慮正常運(yùn)行工況下的環(huán)境條件，確定液位監(jiān)測(cè)儀表的性能要求和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如下：

1)工作介質(zhì)：硼酸水(硼酸濃度0～7000pp m)；

2)工作環(huán)境：正常運(yùn)行壓力：96-110k Pa，溫度：0～55℃；

3)液位量程：-4.0～-3.5 m；

4)測(cè)量范圍內(nèi)最大允許誤差不大于±5 mm，響應(yīng)時(shí)間＜50 ms；

5)重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)小于最大允許誤差0.5倍；

6)傳感器由顯示報(bào)警儀供電。

2.1.3 儀表選型設(shè)計(jì) 目前，較為常用的液位測(cè)量方式方法有靜壓式、浮力式、電氣式、超聲波、導(dǎo)波雷達(dá)、射線式物位檢測(cè)等。

浮力式液位測(cè)量?jī)x表內(nèi)部有浮動(dòng)機(jī)械部件，且現(xiàn)場(chǎng)地坑會(huì)定期進(jìn)行補(bǔ)水操作，考慮到浮動(dòng)部件的存在，由于地坑中是含硼水，一旦發(fā)生硼結(jié)晶有可能造成浮動(dòng)部件發(fā)生卡澀，影響正常測(cè)量，因此不適于地坑液位測(cè)量。

電氣式(電節(jié)點(diǎn)式)液位測(cè)量?jī)x表沒(méi)有機(jī)械可動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需進(jìn)行誤差計(jì)算與調(diào)整，具有良好的穩(wěn)定性，目前在火電廠水位測(cè)量中大量使用。根據(jù)其測(cè)量原理及特點(diǎn)，可以在反應(yīng)堆地坑環(huán)境實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、精確測(cè)量，可以用于地坑液位測(cè)量，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量。

超聲波液位測(cè)量?jī)x表測(cè)量探頭的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且在高溫、潮濕環(huán)境使用可靠性不高，測(cè)試容易有盲區(qū)，一旦發(fā)生故障檢修難度大，目前在核電站系統(tǒng)使用較少，不適于地坑液位測(cè)量。

導(dǎo)波雷達(dá)液位測(cè)量?jī)x表采用非接觸式測(cè)量，不受槽內(nèi)液體的密度、濃度等物理特性的影響。但其電子元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，對(duì)安裝位置有一定的要求，且儀表需要設(shè)置的參數(shù)較多，檢修難度大，目前在核電站反應(yīng)堆廠房系統(tǒng)使用較少，不適于地坑液位測(cè)量。

射線式物位檢測(cè)儀表電子元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，對(duì)安裝位置有一定的要求，不適合放射性環(huán)境的地坑液位測(cè)量。

根據(jù)上述分析，地坑液位測(cè)量擬選用靜壓式液位測(cè)量?jī)x表，并根據(jù)地坑尺寸及現(xiàn)場(chǎng)條件設(shè)計(jì)相應(yīng)的支承固定裝置、信號(hào)顯示及報(bào)警系統(tǒng)。

羅斯蒙特公司的3051+1199儀表采用浸入式測(cè)量方式，符合設(shè)計(jì)要求。其中，傳感器部分(1199)能夠承受高溫、高壓及輻照環(huán)境下的正常使用要求，采用接觸式測(cè)量直接深入地坑水池中，變送器(3051)和傳感器之間通過(guò)毛細(xì)管連接，毛細(xì)管為不銹鋼材質(zhì)，外殼及內(nèi)部介質(zhì)具有良好的穩(wěn)定性。

2.2 儀表安裝布置設(shè)計(jì) 安全殼再循環(huán)地坑安裝有過(guò)濾器，過(guò)濾器將地坑完全遮蓋，使地坑成為封閉式結(jié)構(gòu)，移除過(guò)濾器后的地坑結(jié)構(gòu)及立管結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 安全殼再循環(huán)地坑現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境

2.2.1 總體布置設(shè)計(jì) 安全殼再循環(huán)地坑液位儀表的安裝布置如圖2所示，包括三個(gè)部分，即變送器、毛細(xì)管和傳感器。

圖2 安全殼再循環(huán)地坑液位儀表安裝示意圖

1)變送器：安裝在環(huán)廊內(nèi)側(cè)墻壁上，采用膨脹螺栓固定。

2)毛細(xì)管：用于連接變送器及傳感器。在環(huán)廊墻面部分，采用槽架進(jìn)行保護(hù)；在環(huán)廊地面部分，通過(guò)在地面開(kāi)槽且上面覆蓋不銹鋼板進(jìn)行保護(hù)，毛細(xì)管穿過(guò)過(guò)濾器基座和地坑外水泥地面交界處進(jìn)入地坑，并對(duì)凹槽和不銹鋼蓋板進(jìn)行涂漆、密封處理。

3)傳感器：安裝于地坑內(nèi)的支撐筒中，通過(guò)支撐筒固定在地坑側(cè)面墻壁面上。

2.2.2 傳感器安裝設(shè)計(jì) 傳感器安裝于支撐筒內(nèi)，支撐筒通過(guò)其背板上的膨脹螺栓固定在地坑側(cè)面墻壁上，安裝位置盡量遠(yuǎn)離地坑吸水口，便于安裝及檢修。

支撐筒結(jié)構(gòu)采用不銹鋼材料，筒上開(kāi)有多個(gè)圓孔，使地坑水能夠進(jìn)入支撐筒實(shí)現(xiàn)液位的實(shí)時(shí)測(cè)量。支撐筒設(shè)計(jì)能夠保證在地震載荷下保證其結(jié)構(gòu)完整性，避免出現(xiàn)部件掉落進(jìn)入地坑吸水口的情況。

2.3 液位顯示與報(bào)警設(shè)計(jì) 液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將實(shí)時(shí)液位信息、報(bào)警信息送至燃料廠房的顯示報(bào)警儀和控制室，報(bào)警信息包括液位低低、液位低、液位高報(bào)警。

液位低低報(bào)警觸發(fā)時(shí)，需要盡快對(duì)地坑進(jìn)行補(bǔ)水；液位低為預(yù)報(bào)警信號(hào)，說(shuō)明地坑有補(bǔ)水需求，需要準(zhǔn)備近期補(bǔ)水；液位高報(bào)警觸發(fā)時(shí)，停止對(duì)地坑進(jìn)行補(bǔ)水。

2.3.1 液位低低報(bào)警定值設(shè)計(jì) 根據(jù)RIS和EAS泵最大汽蝕裕量(NPSH)、安全殼隔離閥鍋爐效應(yīng)評(píng)估情況，以及地坑水含硼量等確定地坑安全液位，然后結(jié)合地坑安全液位及現(xiàn)場(chǎng)情況，確定液位低報(bào)警定值。

1)泵最大汽蝕裕量。根據(jù)計(jì)算，若要給RIS和EAS泵提供足夠的NPSH，EAS泵需在機(jī)組日常運(yùn)行過(guò)程中保證地坑液位不低于-5.3 m 標(biāo)高，RIS泵需在機(jī)組日常運(yùn)行過(guò)程中保證地坑液位不低于-5.5 m 標(biāo)高。

2)安全殼隔離閥鍋爐效應(yīng)。根據(jù)分析，與貫穿件的標(biāo)高相同或更高的安全殼隔離閘閥可能會(huì)有鍋爐效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，比貫穿件低的閘閥只要“距離L大于2D，則比貫穿件的位置低的安全殼隔離閘閥不會(huì)產(chǎn)生鍋爐效應(yīng)”，因此，地坑RIS和EAS泵吸入管線液位若高于-5.2 m，就不會(huì)產(chǎn)生鍋爐效應(yīng)。

3)地坑水含硼量及硼結(jié)晶的影響。考慮地坑水蒸發(fā)、硼結(jié)晶及補(bǔ)水時(shí)間等因素，地坑及相關(guān)管線硼濃度不能過(guò)高，否則會(huì)出現(xiàn)硼結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)，因此，需要保證地坑中有足夠的水裝量。根據(jù)計(jì)算，若要保證地坑水不發(fā)生硼結(jié)晶現(xiàn)象(非安全相關(guān)要求)，機(jī)組運(yùn)行期間最低液位應(yīng)大于-3.95 m，若要保證地坑吸水管不發(fā)生硼結(jié)晶現(xiàn)象，機(jī)組運(yùn)行期間最低液位應(yīng)大于-6.1 m。

綜合考慮以上因素，地坑液位值應(yīng)大于-3.95 m。考慮到地坑吸水管的存在，當(dāng)?shù)乜右何坏陀谖芸跁r(shí)，則無(wú)法監(jiān)測(cè)地坑吸水管內(nèi)的液位變化，地坑吸入管口標(biāo)高為-3.70 m，為了使最低液位能夠淹沒(méi)吸水管線，地坑液位低低報(bào)警定值可以取-3.70 m。

2.3.2 液位高報(bào)警定值設(shè)計(jì) 補(bǔ)水需要將地坑補(bǔ)滿水，地坑坑口標(biāo)高-3.50 m，為了避免補(bǔ)水過(guò)多溢出地坑，液位高報(bào)警信號(hào)取-3.58 m，即地坑液位達(dá)到-3.58 m 即刻停止注水。

2.3.3 液位低報(bào)警定值設(shè)計(jì) 地坑液位低報(bào)警信號(hào)用于預(yù)報(bào)警。

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，地坑液位在2個(gè)月時(shí)間內(nèi)會(huì)下降6～7c m 高度，液位會(huì)從-3.58 m 降至-3.64～-3.65 m，取預(yù)報(bào)警液位為-3.62m，若地坑液位降低到該預(yù)報(bào)警水位，則需要做好補(bǔ)水準(zhǔn)備，在下一個(gè)補(bǔ)水窗口時(shí)間(定期試驗(yàn))進(jìn)行補(bǔ)水操作，或達(dá)到低低液位時(shí)盡快進(jìn)行補(bǔ)水操作。

根據(jù)以上分析，并結(jié)合液位監(jiān)測(cè)儀表測(cè)量范圍，液位報(bào)警定值如表1所示。

表1 地坑液位報(bào)警定值

3 結(jié)論

選用合適的液位測(cè)量?jī)x表，為核電廠安全殼再循環(huán)地坑配置液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)再循環(huán)地坑的液位進(jìn)行連續(xù)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)水位顯示與報(bào)警功能，以便及時(shí)采取補(bǔ)水措施，保證再循環(huán)泵的最大汽蝕裕量、避免安全殼隔離閥的鍋爐效應(yīng)、避免地坑水發(fā)生硼結(jié)晶現(xiàn)象，進(jìn)而消除由此導(dǎo)致的再循環(huán)功能失效、堆芯和安全殼喪失冷卻功能的風(fēng)險(xiǎn)，保障電廠安全運(yùn)行。